浓缩转轮+RCO工艺计算书

一、设计条件
某汽车制造企业在喷涂工序产生工艺废气，主要污染物为漆雾、二甲苯、VOCs等，排放量为73万m3/h，具体详见表：
根据《环境空气质量标准》（GB3095-2012），环境空气功能区分为二类：一类区为自然保护区、风景名胜区和其他需要特殊保护的区域；二类区为居住区、商业交通居民混合区、文化区、工业区和农村地区。

假设该工厂位于二类区，根据《大气污染物综合排放标准》
（GB16297-1996），其排放要求为：
本计算书以附件工艺图为计算前提，进行下述设备的选型计算：（1）漆雾处理装置、（2）浓缩转轮、（3）RCO、（4）混合换热器、（5）主风机、（6）RCO风机
二、装置计算
2.1 漆雾处理装置
漆雾处理装置由玻璃纤维棉及装置框架组成，玻璃纤维棉由高强度的连续单丝玻璃纤维组成，呈递增结构，捕捉率高、漆雾隔离效果好、压缩性能好，能保持其外型不变，其过滤纤维空间结构利于储存漆雾灰尘，具弹性、低压损，对漆雾有较佳的捕集效滤。

玻璃纤维棉捕集来自喷涂工序的过量油漆（即漆雾），避免影响后续的废气处理装置。

通过咨询某玻璃纤维棉供应商，获得其产品参数：
为保证漆雾处理效果，本方案选择LH/PA-100型号，设计参数如下：
因处理风量较大，设计4套漆雾处理装置，进行并联设置，如示意图所示:
则每套漆雾处理装置的处理风量为：
Q=730000
4
m3/ℎ=182500m3/ℎ
根据单套漆雾处理装置的风量及设计过滤风速，每套漆雾处理装置的过滤面积为：
A=
182500
0.8×3600
m2=63.37m2
根据该过滤面积，设置漆雾处理装置长度为10米，则宽度为：
d=63.37
10
m=6.337m
对数据进行化整，取d=6.4m。

同时，为保证漆雾处理效果，避免影响后端浓缩转轮的使用性能，采用玻璃纤维棉供应商的建议，设置两层漆雾过滤，装置结构示意图如下：
为保证设备能装入两层100mm厚度的过滤层，同时留有检修孔等，设置漆雾处理装置高度为1.5m.
漆雾处理装置阻力为：
P=2层×(20~220)Pa/层=(40~440)Pa
漆雾浓度为4.07mg/m3，则单套漆雾处理装置每小时处理漆雾量为：
M=182500×4.07
1000000
=0.74kg/ℎ
根据玻璃纤维棉供应商提供的参数，取其容漆雾量为4.5kg/m2，则玻璃纤维棉更换周期为：
W=0.74kg/ℎ
4.5kg/m2
=0.16m2/ℎ
根据《环保装置设计手册—大气污染控制装置》，一般工业通风管道内的风速为：
设计漆雾处理装置进出口半径为1.1m，则对应风管风速为：
S=
182500
1.1×1.1×3.14×3600
m/s=13.34m/s<14m/s
因此该半径符合相关设计要求。

综合上述计算，单套漆雾处理装置的各项参数统计如下：
2.2 浓缩装置
因总处理风量较大，本方案设置两套浓缩转轮装置进行并联，则单套处理风量为：
Q=730000
m3/ℎ=365000m3/ℎ
转轮处于连续转动状态中,工厂排出的处理气（V）中，一部分用作冷却气用，经过转轮冷却区后进入热交换器加热至约200℃，再进入转轮脱附区。

从转轮脱附区脱附的VOC废气进入RCO或其他燃烧装置中，经氧化分解为H2O、CO2。

脱附区经冷却区冷却至可吸附温度后得到
再生，转入吸附区进行吸附工作。

吸附区净化后的处理气（V1）排放至大气。

浓缩倍率L定义为V1/V2；
浓缩转轮的工艺图如下：
（1）过滤面积
通过咨询浓缩转轮供应商，建议过滤风速≤2m/s。

据供应商介绍，浓缩转轮分为吸附区、脱附区及冷却区，其中吸附区占截面面积的10/12，
脱附区占截面面积的1/12，冷却区占截面面积的1/12，则在该半径下其过滤面积最小为：
S=
Q
3600v
360°
300°
=
365000
3600×2
×
360°
300°
=60.8m2
设浓缩转轮半径为4.5m，则其过滤面积为63.585＞60.8，满足设计要求。

核算当转轮半径为4.5m时其过滤风速：
v=
365000
63.585×3600
×
360°
300°
=
1.91m
s
＜2m/s
符合供应商参数要求。

（2）浓缩转轮转速
吸附与脱附在转轮运行周期中是同步进行的，两者互为影响并共同决定转轮的去除效率，而转速的大小意味着吸附和脱附时间的长短。

转速过低时，吸附区停留时间过长造成吸附质穿透，此种情况需提高转速加快吸附剂的更替。

转速过高时，脱附区停留时间过短造成再生不足，此种情况需降低转速给再生区足够的再生时间。

根据供应商推荐，最佳转速实质是吸附与脱附时间的控制，以实现转轮去除率最大，转轮的电机必须可调并满足转轮2~6转/h，而在系统调试时根据工况实际调整。

（3）转轮厚度
转轮的吸附容应确保吸附区转入再生区时，吸附区还未达到饱和。

厚度越大则转轮的吸附容量越大，但厚度大会带来脱附不均的问题。

根据供应商建议，转轮厚度取600mm。

（4）脱附温度
脱附温度主要由三个因素决定：吸附质的性质（沸点）、转轮设备的隔热效率、冷却区的冷却能力。

要使吸附质脱出，脱附温度一般需高于吸附质的沸点温度。

因为沸石分子筛甚至能承受上千度的高温，所以脱附温度越高，对脱附过程是越有利的。

但若脱附温度太高，因传热作用，会造成靠脱附区一侧吸附区吸附效率降低。

再者会加重冷却区负荷，若超出冷却区极限，转入吸附区时温度过高也会降低吸附效率。

根据供应商介绍，本方案脱附温度设置为200℃。

综合上述计算，单套浓缩转轮装置的各项参数统计如下：
2.3 催化氧化装置
因总处理风量较大，本方案设置两套催化氧化装置进行并联，则单套处理风量为：
Q=73000
m3/ℎ=36500m3/ℎ
以下为单套RCO的计算过程。

2.3.1 催化剂用量计算
通过咨询某RCO催化剂供应商，获取其产品参数如下：
根据催化剂供应商提供的参数，取空速为15000 L/kg.h、堆积密度0.6 kg/L，则单套RCO所需催化剂量为：
M=35600×1000
15000
kg=2.43t=4.06m3
2.3.2 RCO计算参数汇总
因二甲苯也属于VOCs中的一类，假设总VOCs浓度为
54+151.8=205.8mg/m3，因浓缩转轮浓缩倍数为10倍，因此进入RCO 的浓度为205.8×10=2058mg/m3
根据任务书，并咨询蓄热体等重要部件供应商获取参数后，汇总各计
算参数如下：
2.3.3 保温层计算
咨询保温材料供应商后，本方案采用耐火硅酸铝纤维模块，获取耐火硅酸铝纤维模块产品参数：
（1）计算参数设置
（2）RCO保温外壁温度Tw1=33.4+0.028×(Tr－50)= 33.4+0.028×
(320－50) ℃=40.96℃
（3）保温层平均温度=1/2(Tr+Tw1)= 1/2(320+41.8) ℃=180.48℃
（4）保温棉导热系数λ2由供应商提供，取λ2=0.139 W/m.K
（5）外界空气对流换热hair=11.63+6.95×(νair）0.5=11.63+6.95×20.5=21.46 W/(m2·K)
（6）综上计算，保温层厚度Dw1=（Tr-Tw1)×λ2/((Tw1-Te)×hair)= （350-41.8)×0.139/((41.8-25)×21.46)=0.11m，为保证保温效果，对保温层厚度取整为Dw1=0.15m
2.3.4 燃烧平衡
（1）计算参数
（2）进气比热容Ci
查25℃时空气比热容，得到进气比热容Ci=1.00626KJ/kg.℃
（3）RCO入口带入总能量Q1=ω×V×ρ×Ci×Ti=1518×36500×1.1691×1.00626×25=1127159.56 KJ/h
（4）加热侧气体温度Ti2=η1×(Tr-Ti)/100+Ti=305.25 ℃
（5）加热侧气体比热容Ci2=1.05KJ/kg.℃
（6）加热侧气体总能量Q2=ω×V×ρ×Ci2×Ti2=14333611.49KJ/h
（7）VOC总产热Qv=（V×ε×h×/1000000）×（η/100）=3225793 KJ/h
（8）加热侧交换热量Qex=Q2-Q1=13206451.93 KJ/h
（9）单位质量助燃燃料所需实际空气量Vk=（0.264×hc/1000-0.25）×β=11.43m3/m3
（10）助燃空气比热容Ck=1.006KJ/kg.℃
（11）单位质量助燃燃料所需空气自带热量
Qk1=Vk×ρ×Ck×Te=336.25KJ/kg
（12）氧化室内烟气比热容Cr=1.05KJ/kg.℃
（13）助燃燃料质量M=（Qv+Q2-ω×V×ρ×Cr×Tr-φ）/（Hcom+Qk1-Vk×ρ×Cr×Tr）=-74m3/h
（14）助燃燃料释放能量Qcom=M×Hcom=-2641306 KJ/h
（15）助燃空气量Vr=M×Vk=-841 m3/h
（16）氧化室总烟气量V3=M×Vk+ω×V=37484m3/h
（17）氧化室总能量Q3=（M×Vk+ω×V）×ρ×Cr×Tr= 14743358.7KJ/h
（18）蓄热侧入口总热量Q4=Q3=14743358.7 KJ/h
（19）蓄热侧出口总能量Q5=Q4-Qex=1536906.79 KJ/h
（20）蓄热侧总排烟量V4=V3=37483.82 m3/h
（21）蓄热侧出口温度取To=120℃
（22）蓄热侧出口烟气比热容估算Co=1.0136 KJ/kg.℃
（23）蓄热室出口烟气温度核算To=Q5/V4/ρ/Co=34.6℃
（24）RCO蓄热室蓄热侧换热效率η2=（Tr-To）/（Tr-Ti）=96.7%
2.3.5 蓄热体用量计算
（1）计算参数
（2）蓄热室加热侧气体定性温度Tj=1/2×（Ti+Ti2）=165.125 ℃（3）蓄热室蓄热侧气体定性温度Tx=1/2×（Tr+To）=177.3℃（4）蓄热室加热侧进气流速νi=νk/α=2.37 m/s
（5）蓄热室加热侧定性流速νjp=νi×（273.15+Tj）/（273.15+Ti）=3.49 m/s
（6）蓄热室加热侧出口气体流速νi2=νi×（273.15+Ti2）/（273.16+Ti）=4.6 m/s
（7）氧化室内烟气平均流速νy1（截面等同蓄热室）=(νk×（273.15+Tr）/（273.17+Ti）)= 2.79 m/s
（8）蓄热室蓄热侧定性流速νxp=νi×（273.15+Tx）/（273.18+Ti）=3.58m/s
（9）蓄热室蓄热侧出口流速νo=νi×（273.15+To）/（273.19+Ti）=2.45m/s
（10）蓄热室加热侧对流换热系数
hj=(0.03/de^0.17)×(0.0526×0.678^0.4×νjp^0.83/((63.85×1 0^(-6))^0.83)= 31 W/(m2.K)
（11）蓄热室蓄热侧对流换热系数
hx=(0.03/de^0.17)×(0.0526×0.678^0.4×νxp^0.83/((63.85×1 0^(-6))^0.83)= 31.7W/(m2.K)
（12）综合换热系数K=1/（1/hj+1/hx+0.5×δ/2/λ）=15.66 W/(m3.K)
（13）蓄热室气体定性温度下比热容Cd=1.02215KJ/kg.℃
（14）蓄热室对数温差ΔT=（（Tr-Ti2）-（To-Ti））/ln（（Tr-Ti2）/（To-Ti））=11.99℃
（15）单个蓄热室换热面积A=（τ/60）×Qex×1000/(K×ΔT×τ)= 19539 m2
（16）单个蓄热室蓄热体体积Vxrs=A/χ=21.7m3
（17）设置两塔式RCO，则蓄热体总用量Vxrs×2=43.4 m3
2.3.6 RCO尺寸计算
综上述计算，RCO保温层厚度≥0.15m，单塔催化剂用量≥2.03m3，单塔蓄热体用量≥21.7 m3
（1）设计单塔蓄热体尺寸为3.2×3.2×2.2（m），经核算其体积为22.528m3＞21.7m3，符合设计要求。

（2）设计单塔催化剂层尺寸为3.2×3.2×0.2（m），经核算其体积为2.048m3＞2.03 m3，符合设计要求。

（3）为保证RCO单塔体积能容纳0.15m的保温层及蓄热体、催化剂，以及留有进出风管道安装空间，RCO单塔长度设置为3.4m，宽度设置为3.4m，高度设置为4.25m，则蓄热室的尺寸为3.4×3.4×4.25（m）
（4）VOC停留时间τv=1s，则氧化室体积V氧化室=36500÷3600=10.14m3 氧化室宽度需与蓄热室保持一至，设置其长度为7.5m，则其高度
H=10.14÷（7.5-0.15-0.15）÷（3.4-0.15-0.15）+0.15=0.604m，取整数为0.65m，则氧化室室的尺寸为7.5×3.4×0.65（m）
综合上述计算，单套RCO装置的各项参数统计如下：
2.4 RCO风机计算
（1）假设厂区所在地实际海拔为50m，汇总各计算参数如下：
（2）500m大气压Pn=P*（1-500/44330）^5.255=95.46 KPa
（3）实际大气压P1=P*（1-Z/44330）^5.255=100.73 KPa
（4）标准状态密度ρn=ρ1*（273.15/（273.15+50））*P1/P=1.03 Kg/m3
（5）实际气体密度ρ21=ρ1*（273.15/（273.15+Ti））*P1/P=
1.177577069 Kg/m3
（6）实际空气密度ρ22=ρ1*（273.15/（273.15+Te））*P1/P=
1.177577069 Kg/m3
（7）实际处理风量Va=V*ω=36500 m3/h
（8）实际压力损失ΔP1（50m，50℃）=ΔP*(ρ21/ρn)=4574.475035
Pa
（10）风机轴功率实际计算风量Va1=Va*（（273.15+50）/（273.15+20））*（P/P1）=42706.56347 m3/h
（11）标准状态所需功率Pw（500m，25℃）=（Va1*ΔP/3600/1000）*1.2=56.94 kW
2.5 主风机计算
因系统总处理风量太大，设置四台主风机并联，则每台主风机处理风量为18.25万m3/h，参照2.4的计算原理，则其标准状态所需功率Pw2为325.6kW
2.6 混合换热器计算
混合式换热其换热效率能达到100%，且设备结构简单，易于维护。

（1）汇总各计算参数如下
（2）经查询：
200℃时空气比热容为1.026KJ/kg.℃，密度为0.465kg/m3
320℃时空气比热容为1.051KJ/kg.℃，密度为0.37kg/m3
25℃时空气比热容为1.006KJ/kg.℃，密度为1.169kg/m3
根据设计条件，混合端所含有的热量为36500×200×0.465×
1.026=3482757 kJ
根据热量守恒定律，Q1×T1×ρ1×C1+ Q2×T2×ρ2×C2=3482757 kJ，即124.4384Q1+29.40035Q2=3482757 kJ。

设Q1=25000m3/h，
则Q2=12646.2 m3/h
(3)混合换热器半径计算
咨询混合换热器供应商，其建议内部风速≤8m/s，则混合换热器半径为：（36500/（8×3600）/3.14）^0.5=1.13m,取整数，则换热器内部半径为1.2m，同时加0.3m厚度保温层，则换热器外部半径为1.5m （4）混合换热器高度计算
咨询混合换热器供应商：
塔顶至热端管口L1=D i=0.12m
热端管口至扰流板L2=D i=0.12m
扰流板至混合端管口L3=D i=0.12m
混合端管口至塔底L4=D i+0.1=0.22m
塔顶至热端管中心M1=L1=0.12m
热端管中心至混合端管中心M2=4×L2=0.48m
混合端管中心至塔底M3=M2 =0.48m
则混合换热器高度H=L1+L2+L3+L4+M1+M2+M3=1.66，取整数得H=2m
综合上述计算，单套混合换热器的各项参数统计如下：
三、经济性计算
系统主要运行费用为RCO风机、主风机电费、漆雾过滤棉更换费用、RCO补充燃料费等。

3.1 漆雾处理装置
漆雾处理装置的运行费用主要来自于玻璃纤维过滤棉的更换费用。

根据2.1计算，单套漆雾处理装置过滤棉用量为0.16m2/h。

根据供应商提供的过滤棉单价（500元/m2），假设日运行24h，则日运行费用为0.16×500=80元/d
3.2 RCO运行费用
（1）单套催化剂更换费用
通过咨询供应商，催化剂单价在50000元/m3左右，在连续使用前提下使用寿命约为3年，根据2.3.1，换算为每天使用成本为：(50000×4.096)/(3×365)=187.03元/d
（2）单套RCO燃料费用
根据2.3.4（13），浓缩后的VOCs在RCO中氧化，释放出热量，该热
量不仅能供应RCO自行运转，还有富余的热量可供应利用。

可供利用的热量相当于74m3/h的CH4。

常温常压下CH4的密度为0.716kg/m3，则其质量流量为74×0.716=52.984kg/m3，则每小时富余的热量为：52.984kg/h×35900kJ/kg=1902125.6kJ/h
天然气的低位热值为33280KJ/m3，价格约为4元/m3，则1902125.6kJ/h相当于1902125.6kJ/h/33280KJ/m3=57.16m3/h的天然气，相当于每天节省57.16×4×24=5487.36元/d
3.4 单套RCO风机运行费用
按工业电价1元/千瓦时计算。

根据2.4计算，56.94kW×1元/kW.h×24h=1366.56元/d
3.5 单套主风机运行费用
按工业电价1元/千瓦时计算。

根据2.5计算，325.6kW×1元/kW.h×24h=7814.4元/d
3.6 综合费用
综上计算，系统共4套漆雾处理装置、2套RCO装置、2台RCO风机、4台主风机，则综合费用为：
80元/d×4套+187.03元/d×2套-5487.36元/d×2套+1366.56元/d×2台+7814.4元/d×4台=23710.06元/d
即系统每天运行费用为23710.06元/d。

但环保设施的经济性不能单
纯以运行费用考虑，环保设施的运行有利于环境保护、职业健康防护等各方面，因此本方案认为该环保设施综合效益还是正向的。