沸石转轮浓缩及蓄热氧化处理印刷挥发性有机废气

胡志军，王志良

（江苏齐清环境科技有限公司，江苏 南京 210046）

根据《印刷工业大气污染物排放标准（DB32/4438-2022）》编制说明[1]，截至2019 年底，江苏省共有印刷企业10453 家，其中苏州占比37%、无锡占比18%和常州占比11%。油墨使用类型中，溶剂型油墨占比40%，水性油墨占比38%、植物型油墨占比4%，其他占比18%。末端治理技术中，吸附法占比最大（53%），其次为光催化降解法（14%）和简易组合技术（10%），高效治理技术（催化燃烧、热力燃烧等）占比较低，仅占12%，说明我省包装印刷行业VOCs 减排及深度治理之路任重道远。

根据文献资料[2]，2010 年江苏省包装印刷行业VOCs 排放量为5.1 万吨/年，占江苏省工业源VOCs排放量的7.9%。印刷业VOCs 排放主要来源于油墨、稀释剂、胶黏剂等有机溶剂的使用，主要涉及异丙醇、甲缩醛、乙酸乙酯、乙酸丁酯、正庚烷、丙酮、丁酮、环己酮、苯、甲苯、二甲苯、乙苯等的排放[3-5]，其中臭氧生成潜势（ozone formation potential，OFP）贡献较大的物种主要为芳香烃类、醇醚类和酯类[6-7]。针对包装印刷行业VOCs 排放特性，结合《印刷工业污染防治可行技术指南》（HJ1089-2020）及部分应用案例[8-10]，燃烧法将成为治理包装印刷工业VOCs 废气的最佳可行技术。

笔者以江苏某地板彩膜印刷过程VOCs 废气为研究对象，对沸石转轮浓缩及RTO 系统的工艺参数及设备参数进行详细设计，对热回收效率、净化效率、达标排放及能源消耗进行分析论证，为沸石转轮浓缩及RTO 技术处理包装印刷行业VOCs 废气提供工程案例，为江苏省VOCs 综合治理提供科学有效的技术指导。

1 工艺流程说明

沸石转轮浓缩及RTO 处理印刷企业VOCs 废气工艺流程如图1 所示，来自于印刷机操作区域和调墨间环境换风的低浓度VOCs 废气经过高效过滤器和沸石转轮浓缩装置处理后通过吸附风机排放至排气筒，沸石转轮热脱附高浓度VOCs 废气与来自于印刷机烘道的高浓度VOCs 废气合并经过三床式RTO 处理后通过RTO 风机排放至排气筒。

图1 沸石转轮浓缩及RTO 处理VOCs 工艺流程图

2 检测方法与评价指标

参照《蓄热燃烧法工业有机废气治理工程技术规范》（HJ1093-2020），对热回收效率和净化效率进行评价。废气处理设施进出口醋酸丁酯（butyl acetate，BAC）和环己酮（cyclohexanone，CYC）质量浓度参照环境测定方法进行检测[11-12]。

3 关键工艺参数设计

3.1 进气浓度设计

（1）沸石转轮进气浓度设计

根据正常生产时油墨使用量及有机溶剂含量数据计算，进入沸石转轮浓缩装置的低浓度废气来自于印刷机操作区域和调墨间环境换风，废气流量为30000 Nm3/h，BAC 质量浓度为216 mg/m3，CYC质量浓度为54 mg/m3。沸石转轮吸附效率95%，浓缩比10∶1，浓缩废气进RTO 流量为3000 Nm3/h，BAC 质量浓度为2045 mg/m3，CYC 质量浓度511 mg/m3。

（2）RTO 进气浓度设计

根据正常生产时油墨使用量及有机溶剂含量数据计算，进入RTO 装置的高浓度废气来自于印刷机烘道废气和沸石转轮浓缩废气，其中烘道废气流量为18000 Nm3/h，BAC 质量浓度1777 mg/m3，CYC 质量浓度444 mg/m3。两股废气合并后废气流量为21000 Nm3/h，BAC 质量浓度1730 mg/m3，CYC 质量浓度454 mg/m3，废气温度为60℃。

根据Burgess-Wheeler 法则，Zabetakis 等人给出修正式，爆炸极限与温度的关系的模型是[13]：

式中：LELt，温度t 时的爆炸下限，%；LEL25℃，在常温（25℃）时的爆炸下限，%；t，废气温度，℃。

基于25℃环境下BAC 和CYC 的爆炸下限值（LEL(BAC-25℃)为1.20%，LEL(CYC-25℃)为1.10%），按照公式（1）计算25℃环境下BAC 的LEL(BAC-60℃)为1.17%，CYC 的LEL(CYC-60℃)为1.07%。

根据莱夏特尔定律及BAC 和CYC 的质量浓度，计算两者混合物爆炸下限LEL(混合物-60℃)为1.15%，混合物的体积浓度为0.045%，该浓度为0.045%/1.15%=3.90%LEL(混合物-60 ℃)＜25%LEL(混合物-60℃)，满足《蓄热燃烧法工业有机废气治理工程技术规范》（HJ1093-2020）4.5 条款“对于含有混合有机物的废气，其控制浓度应低于混合气体爆炸极限下限最低值的25%”的技术要求。

3.2 RTO 炉系统设计

（1）燃烧温度和停留时间设计

由表1 可知，当RTO 净化效率设计为99.9%时，燃烧温度应至少高于待处理污染物自燃温度（auto-ignition temperature，AIT）之上288℃，且停留时间不低于1.00 s。BAC 的AIT 温度为421℃，燃烧温度为709℃，CYC 的AIT 温度为520℃，燃烧温度为808℃，为此燃烧温度设计808℃，满足《蓄热燃烧法工业有机废气治理工程技术规范》（HJ1093-2020）6.3.3.4 条款“燃烧室燃烧温度一般应高于760℃”的技术要求。停留时间设计1.00 s，满足《蓄热燃烧法工业有机废气治理工程技术规范》（HJ1093-2020）6.3.3.3 条款“废气在燃烧室的停留时间一般不宜低于0.75 s”的技术要求。

表1 RTO 净化效率与燃烧室温度和停留时间的关系[14]

（2）燃烧室容积设计

燃烧室容积确定主要与气体通过燃烧室的有效体积流量、燃烧室温度、所需的停留时间三个因素有关，燃烧室体积计算公式（2）如下[15]：

式中：VBK，燃烧室体积，m3；t，气体在燃烧室中停留时间，s；VRN，燃烧烟气（或净化气）在标准状态下体积流量，Nm3/s；TN，进气温度，K；TR，燃烧室温度，K。

本项目设计燃烧室温度TR=808℃，烟气停留时间t=1.00 s，标准状态下燃烧烟气体积流量VRN=24000 Nm3/h；标态下进气温度TN=323 K（273 K+50 K），燃烧室温度TR=1081 K（273 K+808 K），计算得出燃烧室体积VBK=22 m3。结合工程经验及设备加工难易程度，燃烧室长度L燃烧室取7 m，宽度W燃烧室取2 m，高度H燃烧室取1.6 m，因此燃烧室容积尺寸为7×2×1.6 m3。

（3）蓄热室容积设计

蓄热室宽度和长度：根据HJ1093-2020 技术要求“蓄热室截面风速不宜大于2 m/s”，本项目设计蓄热室截面风速为1.5 m/s，设计风量为24000 Nm3/h，计算单个蓄热床截面积为4.4 m2，蓄热室宽度W燃烧室取2 m，则长度L蓄热室为2 m。

蓄热体床层高度：根据相关文献，废气再蓄热体中停留时间一般控制在1.00 s，由此可计算出蓄热体床层高度H蓄热体床层取1.50 m。

结合工程经验及设备加工难易程度，蓄热室长度L蓄热室取2 m，宽度W蓄热室取2 m，高度H蓄热室取2.5 m，因此蓄热室容积尺寸为2×2×2.5 m3。

（4）进气室容积计算

考虑装置检维修，进气室高度H进气室取1 m，长度L进气室取2 m，宽度W进气室取2 m。

（5）蓄热陶瓷体用量计算

本项目蓄热陶瓷体选用蓝太克环保科技（上海）有限公司的MLM-180 型号（尺寸305 mm×305 mm×102 mm），蓄热床竖向填充15 层，填充高度为1.53 m，横向填充6 层，填充长度和宽度均为1.83 m，单个蓄热床尺寸为1.83 m×1.83 m×1.53 m，本项目RTO 蓄热室总用量为15.37 m3。

3.3 RTO 动力系统设计

（1）RTO 系统压降计算

RTO 装置系统压降计算包括管道阻力、局部阻力（进出口、弯头、阀门等）和蓄热体床层阻力的计算。其中管道阻力和局部阻力按照公式（3）[15]计算，但需将局部阻力作为相应的管长来处理：

式中：Δp，压降，Pa；Leq，相应的局部阻力换算成的管道当量长度；λ，摩擦系数；L，管道长度，m；d，管道内径，m；ρg，流体密度，kg/m3；Wg，流体流速，m/s。

根据《环境工程技术手册-废气处理工程技术手册》（2013 版）及设备布置图，L=6.5 m，d=0.8 m，ρg=1.29 kg/m3，Wg=10 m/s，λ=0.74，∑Leq=9.5 m，计算标准状态下空气流的理论压降Δp=955 Pa。

根据MLM 蓄热体在两室RTO 试验装置的压降测试结果[15]，当截面风速为1.5 m/s、燃烧室温度为860℃，进气温度60℃时，蓄热体压降为498 Pa/m，由此可计算两床蓄热体压降为1524 Pa。

蓄热燃烧系统总压降=管道和局部阻力压降+蓄热体床层压降=955 Pa+1524 Pa=2479 Pa，满足《蓄热燃烧法工业有机废气治理工程技术规范》（HJ1093-2020）6.3.6.1 条款“系统设计压降宜低于3000 Pa”的技术要求。

（2）RTO 风机选型设计

按照最大废气排放量的105%以上进行设计，额定风量不低于25200 Nm3/h。

按照RTO 系统最大压降的120%以上进行设计，风机静压不低于2975 Pa。

按照公式（4）计算系统风机理论功率为23.61 kW，系统风机额定功率选择30 kW。

式中：Ne，电机功率，kW；m，气体质量流，kg/h；V，气体流量，m3/h；Δp，压降，Pa；ρg，流体密度，kg/m3；ηt，风机效率，ηt=70%；k，单位换算系数，1/(1000×3600)。

（3）RTO 脱附风机选型设计

按照最大废气排放量的105%以上进行设计，额定风量不低于3150 Nm3/h。

根据工程经验，脱附风机静压设计4000 Pa。

按照公式（4）计算吹扫风机理论功率为5 kW，吹扫风机额定功率选择7.5 kW。

3.4 转轮动力系统设计

（1）转轮系统压降计算

转轮装置系统压降计算包括管道阻力、局部阻力（进出口、弯头、阀门等）和转轮阻力的计算。其中管道阻力和局部阻力按照公式（3）计算[15]。根据《环境工程技术手册-废气处理工程技术手册》（2013 版）及设备布置图，L=4 m，d=1.0 m，ρg=1.29 kg/m3，Wg=10 m/s，λ=0.74，∑Leq=7 m，计算标准状态下空气流的理论压降Δp=525 Pa。

根据高效过滤器及沸石转装置技术参数，高效过滤器压降为550 Pa，沸石转轮装置压降为600 Pa。

沸石转轮系统总压降=管道和局部阻力压降+高效过滤器压降+沸石转轮装置压降=525 Pa+550

（2）转轮风机选型设计

按照最大废气排放量的105%以上进行设计，额定风量不低于31500 Nm3/h。

按照转轮系统最大压降的120%以上进行设计，风机静压不低于2010 Pa。

按照公式（4）计算转轮系统风机理论功率为25.13 kW，系统风机额定功率选择30 kW。

3.5 工艺参数设计汇总

沸石转轮浓缩及蓄热燃烧装置关键工艺参数一览表见表2。

表2 沸石转轮浓缩+蓄热燃烧装置关键工艺参数一览表

4 运行效果分析

4.1 热回收效率分析

本项目正常运行后，每4 小时记录实时进气温度、实时出气温度和实时燃烧温度，根据公式（1）计算实时热回收效率，得到日均进气温度、日均出气温度、日均燃烧温度和日均热回收效率，连续观测7 个自然日，得到如下曲线图。如图2 所示，日均热回收效率介于94.04%～95.10%，符合热回收效率95%的设计预期。

图2 RTO 装置日均进气温度、日均出气温度、日均燃烧温度和日均热回收效率曲线图

4.2 净化效率分析

本项目正常运行后，沸石转轮装置的日均废气流量为27850 Nm3/h，RTO 装置的日均废气流量为18406 Nm3/h。每4 小时取样监测BAC 和NMHC 质量浓度以及气体流量，根据公式（2）计算实时净化效率，得到日均BAC 进出气质量浓度、日均NMHC进出气质量浓度和日均净化效率，连续观测7 个自然日，得到如下曲线图3 和图4。

图3 沸石转轮装置VOCs 的日均净化效率曲线图（A 为BAC，B 为NMHC）

图4 RTO 装置VOCs 的日均净化效率曲线图（A 为BAC，B 为NMHC）

图3 所示，沸石转轮装置中，BAC 的日均净化效率介于93.52%～95.56%，NMHC 的日均净化效率介于93.00%～95.74%，符合沸石转轮装置净化效率95%的设计预期。

图4 所示，RTO 装置中，BAC 的日均净化效率介于99.13%～99.40%，NMHC 的日均净化效率介于99.07%～99.39%，略低于RTO 净化效率99.9%的设计预期，推断可能的原因是进出气零泄漏垂直提升阀存在微量泄漏。

4.3 达标排放分析

基于图3、图4 数据以及日均废气流量，得到排气筒BAC 和NMHC 日均排放浓度和排放速率曲线图。由图5 可知，BAC 的日均排放浓度介于9.7～14.6 mg/m3，日均排放速率介于0.45～0.67 kg/h，满足《印刷工业大气污染物排放标准》（DB32/4438-2022）标准中“TVOC-70 mg/m3、2.5 kg/h”的排放限值要求。NMHC 的日均排放浓度介于7.9～12.3mg/m3，日均排放速率介于0.36～0.57 kg/h，满足《印刷工业大气污染物排放标准》（DB32/4438-2022）标准中“NMHC-50 mg/m3、1.8 kg/h”的限值要求。

图5 排气筒VOCs 日均排放浓度和排放速率曲线图

4.4 能源消耗分析

基于图2 中日均进气温度、日均出气温度可以计算出日均温差为41℃，炉体热辐射损失与转轮脱附热损失取20%，吹扫风机、助燃风机等增加新鲜空气量取15%，燃烧机效率取95%，根据热力学方程可计算气体流量为21000 Nm3/h 纯空气实现41℃的温升需要得到1538404 kJ/h 的热量。根据BAC 和CYC 的燃烧热值及小时质量流量，按照99%净化效率核算VOCs 燃烧释放热量为1348408 kJ/h，差额热量189996 kJ/h 需通过天然气来补充，则计算天然气补充量为5.5 m3/h。根据风机额定功率计算用电量为67.5 kWh。电力和天然气的小时用量折算15.61 kg 标准煤。

5 结论

根据“分质收集、分类处理”原则，拟选了印刷VOCs 废气的治理工艺路线为：来自于印刷机操作区域和调墨间环境换风的低浓度VOCs 废气经过沸石转轮浓缩装置处理后达标排放，沸石转轮热脱附高浓度VOCs 废气与来自于印刷机烘道的高浓度VOCs 废气经过三床式RTO 处理后达标排放。

对沸石转轮浓缩及RTO 系统的工艺参数及设备参数进行详细设计。①工艺参数设计如下：RTO进气浓度为3.90%LEL(混合物-60℃)、燃烧温度为808℃、停留时间为1.00 s、热回收效率为95%、净化效率为99.9%、系统压降为2479 Pa，满足《蓄热燃烧法工业有机废气治理工程技术规范》（HJ1093-2020）相应条款要求；②确定了燃烧室尺寸、蓄热室尺寸、进气室尺寸以及蓄热陶瓷体用量，对RTO风机、转轮吸附风机以及脱附风机的额定风量、额定功率、静压等设备参数进行了选型设计。

本项目正常运行后，连续观测7 个自然日，对热回收效率、净化效率、达标排放及能源消耗进行分析论证：①热回收效率：日均热回收效率介于94.04%～95.10%，符合热回收效率95%的设计预期。②净化效率：沸石转轮装置中，BAC 的日均净化效率介于93.52%～95.56%，NMHC 的日均净化效率介于93.00%～95.74%，符合沸石转轮装置净化效率95%的设计预期；RTO 装置中，BAC 的日均净化效率介于99.13%～99.40%，NMHC 的日均净化效率介于99.07%～99.39%，略低于RTO 净化效率99.9%的设计预期，推断可能的原因是进出气零泄漏垂直提升阀存在微量泄漏。③达标排放：BAC 和NMHC排放浓度和排放速率均满足《印刷工业大气污染物排放标准》（DB32/4438-2022）标准。④能源消耗：系统正常运行时，电力和天然气的小时用量折算15.61 kg 标准煤。