TNV技术的特点分析及系统设计

图1 TNV系统组成 TNV技术是一种既能处理汽车涂装车身表面在烘干室内产生的废气，又能为烘干室提供热源的方法。与以往烘干室的废气处理及供热方法相比，该技术是目前解决烘干室节能环保问题行之有效的方法之一。 TNV—热回收式热力焚烧系统是利用燃气或燃油直接燃烧加热含有机溶剂废气，在高温作用下，有机溶剂分子被氧化分解为CO2和水，高温烟气通过配套的换热装置加热生产过程需要的空气或热水，充分回收利用氧化分解有机废气时产生的热能，降低整个系统的能耗。因此，TNV是生产过程需要大量热量时，处理高浓度有机废气和废液高效、理想的处理方式。根据TNV技术的工作原理，我院开发设计了废气焚烧集中供热系统，用于汽车涂装车身表面烘干。 TNV系统组成 TNV系统由三大部分组成：废气预热及焚烧系统——废气焚烧集中供热装置、抽废气风机以及废气管路；循环风供热系统——烟气换热装置、烟气管路及烟气管路上的电动调节阀；新风换热系统——新风换热装置、补新风风机、补新风管路及烟气排放管路，具体如图1所示。 图2 废气焚烧集中供热装置 1. 废气预热及焚烧系统 该系统中的废气焚烧集中供热装置是TNV的核心部分，它由炉体、燃烧室、换热器、燃烧机及主烟道调节阀等组成（见图2）。其工作过程为：用一台高压头风机将有机废气从烘干室内抽出，经过废气焚烧集中供热装置的内置换热器预热后，到达燃烧室内，然后再通过燃烧机加热，在高温下（750℃左右）将有机废气进行氧化分解，分解后的有机废气变成CO2和水。产生的高温烟气通过炉内的换热器和主烟气管道排出，排出的烟气作为烘干室热源进行余热利用。另外，在主烟气管道上还设置有电动调节阀，用于调节装置出口的烟气温度。 该废气焚烧集中供热装置的特点包括：有机废气在燃烧室的逗留时间为1～2s；有机废气分解率大于99％；热回收率可达76％；燃烧器输出的调节比可达26∶1，最高可达40∶1。 图3 烟气换热装置 2. 多级换热加热系统 该系统包括几台烟气换热装置（见图3），它们被串联起来使用，利用烟气对烘干室的循环风进行加热，为烘干室提供所需的热量。该装置采用插入式无涡壳耐热风机，顶部烟气管路自带电动调节阀，进入换热器的烟气量可以无极调节，控制灵活、运行可靠。 3. 新风换热系统 新风换热系统的作用是用烟气加热后的新鲜风补充进烘干室内。新风换热装置是新风换热系统中的核心部件，该装置一般放置在系统末端，其作用是将系统余热进行最后回收，将烘干室补充的新风加热后送入烘干室。该装置的烟气出口设有电动调节阀，根据需要可以控制烟气的出口温度或新风换热后的温度。 TNV系统工作原理 图4为TNV技术的原理图，其工作原理为：用风机将烘干室内的废气抽出，送入废气焚烧集中供热装置，在燃烧室内经约750℃的高温氧化燃烧，将废气完全分解，变成CO2和水，产生的高温烟气在为烘干室供热时被回收，经过多级换热后，最终排放的烟气温度可以控制在160℃左右。 图4 TNV供热系统原理 TNV系统技术特点 与常规供热方法相比，TNV技术具有以下特点： 1. 废气处理量的选取原则与常规设计不同 常规设计需要的废气处理量是按照溶剂爆炸极限计算的，虽然补充的新鲜空气量可以满足烘干室内溶剂不发生爆炸，但是室内残留的溶剂含量仍然会导致入口处空气遇冷结露滴油。 TNV系统选取的废气处理量，一般要按照烘干室所需热量来计算，这个量远大于按爆炸极限计算的废气处理量，因此相当于补入的新鲜空气量较大，这样既能满足废气处理，为烘干室提供热源，又能减少室内溶剂的浓度。 2. 多级换热 常规设计废气经过废气焚烧集中供热装置焚烧处理后，仅用作1级利用，造成烟气中的热量不能被充分利用，导致排烟温度过高，不仅对设备的使用寿命造成影响，而且污染环境，浪费能源。 图5 TNV供热模型 TNV系统使用多级换热，一般为3级或4级，废气焚烧集中供热装置本身还含有废气预热器，该预热器面积大，能将废气从烘干室内温度进一步预热，进而有效节省燃料。 3. 燃烧无需额外补充新鲜空气 常规设计中，废气焚烧集中供热装置采用的燃烧机为新风助燃，加热新风需要消耗部分燃料，浪费能源。 TNV系统中废气焚烧集中供热装置燃烧机采用废气助燃方式，充分利用废气中的含氧量，不用额外再补充新鲜空气，进一步节省了燃料消耗和能源。 主要参数分析及计算 下面以某汽车厂10万辆汽车涂装生产线面漆烘干室为例，分析TNV系统的主要参数选取及计算。 1. 主要参数及计算依据 TNV系统中的主要参数有两个：一是烘干室所需热量（包括工作运行和冷炉升温）；二是废气处理量。根据它们，才能计算出最终烘干室需要的燃料消耗量。 图6 面漆烘干室供热系统原理 首先需要建立一个TNV供热模型（见图5），根据供热模型可列出如下公式： Q1+Q5 =Q3+Q2+Q4 (公式1) 式中，Q1是总的热量来源，即燃料实际消耗量（m3/h）；Q2是最终排放掉的热量，受排放温度的影响，排放温度越低，排放掉的热量越少，即燃料利用率越高；Q3是烘干室实际需要的热量，分为工作时和冷炉升温时两种情况；Q4是补充入烘干内的热量；Q5是从烘干室内抽走的热量。 热量计算的基本公式为： Q=Vc（te-t0）（公式2） 式中，V为废气处理量，c为烟气体积比热；te为烟气温度；t0为标准状况下气体温度，这里取0℃。 2. 烘干室热平衡计算 分别计算出烘干室冷炉升温和工作运行时所需要的功率，即供热模型中的Q3，本面漆烘干室的计算依据及结果如表所示。从表中可以看出，Q3在工作时需要792kW，在冷炉升温时需要719kW。这两个数据也可以作为确定该面漆烘干室需要的烟气换热装置的数量及供热能力（换热器面积大小）的依据。 图7 可调供热量废弃焚烧烟气供热系统原理 3. 废气处理量的计算 废气处理量的选择是TNV系统的核心环节，可根据以下三个原则来确定：保证燃料充分燃烧所需的新鲜空气量（其中含氧量）V1；保证烘干室内溶剂不爆炸所需补入的新鲜空气量，即废气处理量V2；保证烘干室的热量供给所必须要焚烧的废气处理量V3 。 （1）V1的计算，根据《工业炉设计手册》，可以查到天然气燃烧时单位理论空气消耗量，按下式计算： L0＝0.264×Qd/1 000+0.02 式中，Qd代表天然气热值，这里取35530。计算结果L0＝9.4Nm3/Nm3，即每燃烧1标准立方米的天然气需要消耗9.4标准立方米的新鲜空气。 V1＝燃料消耗量×L0 （2）V2的计算，对于连续生产的通过式烘干室，需要用下式计算： V2＝2Gk/α（公式3） 式中，G是进入烘干室的溶剂重量（g），此处按每小时消耗油漆量的18%取值，油漆消耗量为200kg/h；k为考虑溶剂挥发不均匀和温度有关的安全系数，当温度从90℃～200℃变化时，相应取2～5；α为溶剂蒸汽爆炸极限浓度（g/m3），此处按二甲苯的浓度取值40.32。 计算结果：V2＝6 300Nm3/h （3）V3的计算，根据公式1和公式2计算： V3×c1×（750－400）+V3×c2×（150－0）= 792×860×4.18+V3×c1×（160－0）+（V3－1?000）×c2×（170－0） 式中，c1为烟气体积比热，此处取1.424；c2为废气及新鲜空气体积比热，此处取1.29；750℃为废气氧化分解温度；400℃为废气预热后温度；160℃为烟气排放后温度；150℃为废气温度；170℃为新风加热后温度。 计算结果：V3＝10 500 Nm3/h （4）经V2与V3的比较，选取V3作为燃料消耗量计算的参数： 燃烧消耗量×35530=10500×1.424×（750－400），那么，这台面漆烘干室所需要的燃料消耗量应为150Nm3/h，因此，V1=150×9.4=1 410Nm3/h。经过V1、V2及V3的对比，最终的废气处理量应该选取V3。 面漆烘干室的计算依据及结果 4. 新风补充量（V4）的计算 V4 =10 500－1 000=9500m3/h TNV系统的设计 根据上述的理论计算及烘干室所需的循环风量，该面漆烘干室TNV供热系统如图6所示。从图6可以看出，该面漆烘干室的供热和废弃处理系统由1台废气预热及焚烧装置 、3台烟气换热装置和1台新风换热装置组成。 另外，针对新涂装生产线因不达产而产生供热量过剩的情况，我们在设计中采取了在抽取废气和新风补充的管路系统上增加调节环节的措施，使此问题得以解决（见图7）。通过设在废气管路及新风管路上的旁通调节阀，可以在不达产的情况下，减少废气处理量及新风补充量，避免因热量过剩导致排烟温度过高而造成的能源浪费。 TNV技术展望 面对当前能源日趋紧张的现状，无论烘干室选用哪种新技术都要重点考虑节能、减排。经多个项目检测，TNV技术在减排方面完全实现了达标排放，烟气排放均满足GB16297《大气污染综合排放标准》。 据了解，国内现阶段使用的涂装线应用TNV技术的烟气排放温度实际上大部分在200℃左右，烟气的热值较大。如何降低烟气的排放温度，减少CO2的排放量，使烟气的余热得到充分利用，达到节能减排的目的是我们急需解决的问题。为此，我们在设计上采用二次换热器回收烟气中的余热。经过高效回收换热器，可将烟气温度降低至140℃以下，目标是达到120℃以下。回收的热量可将生产中使用的部分热水从40℃提高到80℃以上，使烟气余热得到回收利用，实现节能减排。另外，还可以采用热泵技术回收烟气中的余热等。由此可见，通过进一步研究，TNV技术在处理净化有机溶剂废气的基础上，结合节能减排技术，可最大限度地利用烟气中的热量。 综上所述，对于溶剂型油漆烘干室，采用TNV技术来处理废气和为烘干室提供热源是目前最行之有效的办法之一。