節(jié)能型VOCs焚燒爐的設計與應用

秦 佩

(合肥恒力電子裝備公司，安徽 合肥 230022)

節(jié)能型VOCs焚燒爐的設計與應用

秦 佩

(合肥恒力電子裝備公司，安徽 合肥 230022)

提出了一種節(jié)能型VOCs焚燒爐，從原理、工藝及結(jié)構(gòu)等方面對其設計過程進行了闡述，并對其應用效果和節(jié)能效果進行了研究。結(jié)果表明：工藝計算對于焚燒爐的設計極為關(guān)鍵，所研究的節(jié)能型VOCs焚燒爐運行穩(wěn)定，采用余熱利用后焚燒爐能夠達到明顯的節(jié)能效果，能耗降低近50%。

焚燒爐；VOCs；節(jié)能；余熱利用

VOCs(揮發(fā)性有機物)，指常溫常壓下，沸點在50～260℃的各種有機化合物的統(tǒng)稱。VOCs是形成PM2.5和臭氧的前驅(qū)物，參與光化學煙霧的形成，危害人類健康，VOCs必須得到有效的治理。VOCs的處理方法有很多種，與其他方法相比，燃燒法對于VOCs的處理效率更高、更徹底，因此，燃燒技術(shù)仍然是處理VOCs的主流技術(shù)[1]。

1 設計原理

對有機廢氣進行焚燒時，發(fā)生的化學反應主要是燃燒氧化作用及高溫下的熱分解。VOCs成分在焚燒爐內(nèi)氧化生成CO2和H2O[2]，對于大部分有機廢氣而言，溫度在680～820℃，0.1～0.3s停留時間內(nèi)即可以反應完全[3]。此外，高溫燃氣與廢氣的混合程度也很關(guān)鍵，如果不能混合不均勻，有機廢氣燃燒不充分，廢氣的凈化效果不理想。因此，要保證VOCs充分燃燒，必須滿足"3T"原則：溫度(Temperature)、時間(Time)、湍流度(Turbulense)。

另外，對廢氣進行焚燒時，需要消耗輔助燃料(如天然氣、煤油等)[4]，目的是提高廢氣的溫度至反應溫度。燃燒后的氣體溫度高達700～800℃，如果不加以利用，必然造成能量的浪費。因此，焚燒爐在設計過程中也必須考慮經(jīng)濟性，符合節(jié)能的原則。本文所述的焚燒爐，采用余熱利用的方法，即燃燒后的高溫氣體與新進的低溫氣體進行熱量交換，提高進入焚燒爐的廢氣溫度，節(jié)約輔助燃料的消耗，達到節(jié)能的效果[5]。本節(jié)能型VOCs焚燒爐的基本原理見圖1。

圖1 節(jié)能型VOCs焚燒爐原理示意圖

Fig.1 Principle diagram of the energy-saving VOCs incinerator

2 焚燒爐設計

2.1 工藝參數(shù)

以處理量為2000N m3/h的節(jié)能焚燒爐(R2000型)為例進行設計過程的闡述。

主要工藝參數(shù)：廢氣氣量為2000 Nm3/h左右；VOCs濃度為3500～4500mg/m3；冷廢氣溫度為30～40℃；凈化后氣體溫度為300～400℃；經(jīng)換熱器預熱后，進入焚燒爐前廢氣溫度為200℃左右；焚燒溫度：680～820℃。可見，控制焚燒過程[6]的溫度十分重要。

2.2 工藝計算[7]結(jié)果

根據(jù)工藝溫度、廢氣的成分，估算出高溫氣體降溫所產(chǎn)生的熱量約為20萬kcal/h。計算得出換熱器面積為36m2。選用的工業(yè)燒嘴天然氣最大消耗量為20m3/h，1:10比例可調(diào)范圍。廢氣在焚燒爐內(nèi)的停留時間為0.5s，燃燒溫度維持在680～820℃之間。燃燒腔的有效尺寸為Φ1000×1500。廢氣中的有機成分在燃燒室充分裂解、氧化為CO2和H2O，燃燒后所產(chǎn)生的熱量可以滿足其自身余熱所需能量的30%～50%，同時待處理廢氣經(jīng)過換熱器與燃燒后的高溫凈化氣體進行熱量交換，溫度能夠提升至200℃左右，因此，當焚燒爐系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，少量補充天然氣等燃料即可滿足完全焚燒的需要，達到節(jié)能的效果。

2.3 結(jié)構(gòu)設計

焚燒爐由燃燒室、換熱器、工業(yè)燒嘴、降溫風機等構(gòu)成。燃燒室上設有防爆口，便于泄壓。換熱器由換熱段、緩沖段及調(diào)節(jié)氣體走向的插板閥組成。燃燒腔有效尺寸為Φ1000×1500，采用耐高溫保溫材料，保證燃燒室外壁溫度接近常溫。防爆口設計的目的是保證焚燒爐運行的安全性。燃燒室內(nèi)部還設置分氣罩，提高廢氣的湍流程度，保證廢氣進入燃燒室后均勻分布，燃燒更充分。

換熱器采用的是列管式換熱器，換熱面積為36m2。冷、熱廢氣在換熱段進行熱量交換。換熱器中心區(qū)域設置插板閥(與中間大管相連)，插板閥控制廢氣的走向來達到一定范圍內(nèi)控制氣體的換熱效果。氣體經(jīng)過換熱后在緩沖段進行混合后排放。

燃燒器采用工業(yè)燒嘴，可在1:10比調(diào)范圍內(nèi)可以通過PLC(輸出4-20 mA溫度控制信號)自動控制來實現(xiàn)天然氣流量無級可調(diào)。天然氣消耗量最大為25m3/h。

降溫風機的作用是當燃燒室內(nèi)的溫度超過820℃時，開啟該風機使溫度降低，防止燃燒室溫度異常超溫。

圖2 節(jié)能型VOCs焚燒爐結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 系統(tǒng)控制

焚燒爐的溫度控制主要包括：焚燒爐燃燒室的溫度T1、T2，換熱器預熱后廢氣溫度T3，凈化排氣溫度T5。焚燒爐內(nèi)的溫度(T1、T2)維持在680～820之間，換熱器廢氣預熱后溫度控制T3在200℃左右，凈化氣體的溫度(T5)維持在300～400℃。焚燒爐的溫度控制過程：首先設定燃燒室的溫度范圍(680～820℃)，系統(tǒng)會自動通過控制天然氣的進氣量控制燃燒室內(nèi)的溫度，當燃燒室超過溫度上限(820℃)時，啟動降溫風機增加冷空氣補入，進一步調(diào)節(jié)爐腔溫度。換熱器的進出口溫度還可以通過插板閥的開度大小來控制，當換熱后的廢氣溫度超溫時，增大插板閥的開度，高溫廢氣經(jīng)過換熱段中間大管的氣量增大，經(jīng)過列管的廢氣量減小，從而降低換熱器的換熱效果，達到降低余熱后廢氣的溫度的目的，反之亦然。此外，整個系統(tǒng)還增加了兩個壓力監(jiān)控點，燃燒室壓力P1和凈化氣體排出口壓力P2，通過壓力變化輔助判斷焚燒爐運行狀況。整個焚燒爐系統(tǒng)的溫度和壓力控制點如圖3所示。

圖3 焚燒爐系統(tǒng)控制點示意圖

3 實際應用效果

3.1 實際運行效果

設定焚燒爐的焚燒溫度為710℃，系統(tǒng)通過不斷自動控制，最終達到如圖4所示的穩(wěn)定運行效果。運行結(jié)果：燃燒室溫度T1、T2：716℃、704℃；廢氣預熱后溫度T3：183℃，凈化氣體排出溫度T5：325℃。溫度的波動在±5℃以內(nèi)。燃燒腔的壓力P1：-40Pa，凈化氣體排出口壓力P2：-250Pa。從運行結(jié)果的數(shù)據(jù)來看，設計的焚燒爐運行效果良好，達到了預期的設計目的。

圖4 焚燒爐系統(tǒng)實際運行界面

Fig.4 Actual operation interface of incinerator system

3.2 節(jié)能效果

圖5為焚燒爐從開始啟動到運行12h之間，待處理廢氣經(jīng)過換熱器(余熱利用)和不經(jīng)過換熱器(無余熱利用)兩種情況下的天然氣流量對比結(jié)果。從結(jié)果可以看出：在開始運行的3h內(nèi)，兩種情況下的天然氣消耗量均有所下降，是因為燃燒腔內(nèi)廢氣燃燒后會產(chǎn)生熱量，廢氣進入焚燒爐內(nèi)吸收其中一部分熱量，達到燃點所需的輔助熱量會減少，因此，消耗的天然氣量會有所降低。當系統(tǒng)運行3h后，天然氣消耗量逐漸穩(wěn)定，無余熱利用的情況下，天然氣消耗量穩(wěn)定在16m3/h左右，采取余熱利用的情況下，天然氣消耗量穩(wěn)定在8m3/h左右，可見采用換熱器后，余熱利用效果比較明顯，天然氣消耗量減少近50%，節(jié)能效果顯著。

圖5 焚燒爐系統(tǒng)節(jié)能效果對比

Fig.5 Incinerator system energy saving effect contrast

4 結(jié)論

本文提供了一種節(jié)能型VOCs焚燒爐的設計與應用實例，并對設計過程和應用效果進行了分析，得出以下結(jié)論：

(1) 焚燒爐設計過程中，工藝計算最為關(guān)鍵，它是燃燒腔大小和換熱器換熱面積計算的參考依據(jù)。

(2) 設計的節(jié)能型VOCs焚燒爐運行穩(wěn)定，燃燒溫度便于控制，采用溫度控制天然氣量和降溫風機的方式可靠。

(3) 采用換熱器后，焚燒爐能夠達到明顯的節(jié)能效果，能耗降低近50%。

[1] 楊元林. VOCs焚燒爐的應用及設計[J]. 環(huán)保技術(shù), 2002, 40(6): 53-60.

[2] 趙華利,李 濤, 王玉輝,等. 節(jié)能型煙氣焚燒爐[J]. 工業(yè)爐, 2008, 30(4): 22-24.

[3] 王 純, 張殿印, 王海濤,等. 廢氣處理工程技術(shù)手冊[M]. 北京：化學工業(yè)出版社, 2012: 468-473.

[4] 曾光龍. 提高廢氣焚燒爐的節(jié)能和環(huán)保效果[J]. 絕緣材料, 2006, 39(5): 61-64.

[5] 陳家慶. 環(huán)保設備原理與設計[M]. 北京：中國石化出版社, 2008: 583-590.

[6] 汪 琦. 化工焚燒爐的燃燒過程和結(jié)構(gòu)類型[J]. 化工裝備與技術(shù), 2004, 25(3): 44-47.

[7] 中國石化集團上海工程公司. 化工工藝設計手冊(上冊)[M]. 北京：化學工業(yè)出版社, 2009: 701-738.

(本文文獻格式：秦 佩.節(jié)能型VOCs焚燒爐的設計與應用[J].山東化工，2016，45(12)：139-141.)

The Design and Application of Energy-saving VOCs Incinerator

Qin Pei

(Hengli Eletek Co., Ltd., Hefei 230022, China)

This paper put forward a kind of energy-saving VOCs incinerator, the design process of which were expounded from aspects of the principle, process and structure, and its application effect and energy saving effect were studied. Results showed that the process calculation for the design of the incinerator was critical, the energy-saving VOCs incinerator which was studied stable run, and the incinerator can achieve obvious energy saving effect after the use of waste heat utilization, reducding energy consumption by almost 50%.

incinerator; VOCs; energy saving; waste-heat utilization

2016-05-23

秦 佩(1987—)，助理工程師，從事環(huán)保系統(tǒng)工程及電鍍設備行業(yè)。

X701.2

A

1008-021X(2016)12-0139-03