沸石转轮+RTO技术在VOCs治理过程中节能优化研究

VOCs是指参与大气光化学反应的有机化合物，包括非甲烷烃类（烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃等）、含氧有机物（醛、酮、醇、醚等）等，是形成臭氧和细颗粒物（PM2.5）污染的重要前体物。2018年以来，根据国家和省、市要求，涂装行业VOCs废气治理全面展开。仅某重工集团就有十多家企业安装沸石转轮+RTO氧化燃烧处理设备。

该类设备的运行原理（图1）为：

（1）沸石转轮连续转动，低浓度、大风量的废气随之被连续不断地吸入到吸附区，废气中的VOCs被沸石吸附，吸附后的净化气体直接排放；

（2）小部分废气经RTO提供热源的换热器换热，换热后的高温气体吹扫转轮上的脱附区，转轮上吸附的VOCs受热脱附，进入RTO，在760℃以上的高温下氧化燃烧，生成二氧化碳和水蒸气排放。

相较于家具、涂料、印刷等行业，工程机械涂装产生的废气浓度明显偏低，废气燃烧产生的热量距离实现能量自维持有很大差距。以某工程机械公司为例，脱附后进入RTO燃烧的废气质量浓度仅0.6 g/m3，而要实现能量自维持，废气质量浓度至少要达到7 g/m3，因此需要实时燃烧天然气补充能量，维持RTO设备的温度，每日天然气消耗量1 100～1 400 m3，对企业来说是不小的使用成本。

01 试验过程

浓度低是VOCs治理设备能耗高的主要原因。因此首先考虑提高油漆中的VOCs含量，用普通溶剂型涂料代替高固低黏的涂料进行试验，试验进行一周后发现耗气量平均降低8.2%。但喷漆工普遍反映油漆气味大，长期喷涂有害身体健康，同时出于环保要求，普通溶剂型涂料已被高固低黏涂料替代，加之节能效果不明显且影响工人健康，该试验停止。

其次考虑只吸不脱，待转轮吸附饱和后再集中脱附，此时转轮VOCs含量较高，具备能量自维持条件。目前VOCs治理设备为实时吸附、脱附和燃烧，新方案为转轮吸附至饱和后，再启动RTO设备，开始脱附和高温氧化燃烧。转轮单独吸附至饱和的过程，燃烧器、脱附风机、RTO风机均不运行，能耗降低。

只吸不脱过程中，通过安装在烟囱出口处的质量浓度在线检测表，每10 min测量1次废气的排放质量浓度，质量浓度变化如图2所示。由图2可见，转轮吸附前期，废气质量浓度变化相对平缓，达到20 mg/m3后质量浓度曲线变得陡峭，约3 h后质量浓度超标（徐州市标准为≤50 mg/m3）。考虑到不同工件喷漆量的差异性，需要留出余量，最终确定只吸不脱时间段为2 h。

接近饱和的转轮在脱附过程中存在以下2个风险点：（1）转轮中沸石吸附VOCs较多，在脱附高温气体作用下的闷燃风险；（2）集中脱附后高浓度VOCs气体进入RTO燃烧带来的温度超高风险。

为避免上述风险。根据废气组成和各成分沸点情况，设计脱附过程采用温度由低到高逐步脱附的方式，见表1。

经过反复试验，确定间歇脱附的运行逻辑如下：首先转轮吸附2 h，在脱附开始前启动RTO设备，将炉内温度升高至760℃以上，然后开始脱附。

第1轮脱附温度126℃，主要脱附溶剂中低沸点的丁酯、丁醇，约占49%；第2轮脱附温度146℃，主要脱附二甲苯和丙二醇甲醚乙酸酯，约占46%；最后一轮采用200℃脱附，主要脱附三甲苯及其他高沸点有机物，约占5%。3轮脱附耗时约1.5 h，在这期间内转轮正常进废气吸附。转轮脱附完成后，RTO处于保温待机状态，开启下一轮间歇式脱附、集中燃烧的循环。脱附过程中RTO入口处的废气质量分数变化见图3。

间歇脱附过程中RTO的炉温变化见图4。由图4可见，在转轮只吸不脱的2 h内，RTO关机，温度由上个周期的760℃降至600℃，随后RTO开机，在短短15 min内温度迅速升至760℃以上，达到可以进废气的条件。即使在设备停机的8 h，炉温也仅降至500℃，升至760℃的时间也只需20 min。

间歇脱附整个过程耗时3.5 h，燃烧过程基本实现能量自维持，见图5。燃烧器总开启时间不足1 h，且天然气阀开度较之前明显降低，天然气节约明显，见图6。

02 结语

采用间歇脱附方式，按各成分沸点分批次脱附废气，可以减少57%的RTO开机时间。并且在氧化燃烧时由于废气浓度高，RTO设备开机后在约70%的时间里能够实现能量自维持。根据现场统计数据，实施间歇脱附前VOCs治理设备天然气消耗量平均1 060 m3/d，实施后天然气消耗量平均179 m3/d，降低83%。按照每年工作300 d计算，可节约天然气26.43万m3，降低成本92.5万元/a。该技术不需硬件投入，仅需调整参数、修改程序，具有良好的经济效益和推广应用价值。