前几年，国内外旺盛的市场需求刺激了我国彩涂生产能力，出现了超常规发展的状态，在市场畅销的情况下，人们往往忽视了节能和环保两大问题。目前，在能源日趋紧张，环境日趋恶劣，产能严重过剩的情况下，大力开展节能和环保改造不但能提高企业的竞争力，还有着十分重要的社会效益。针对目前彩涂线能耗现状，我们对彩涂线焚烧固化系统的节能环保方案作了初步调查和研究，现将各种方案分析如下：
彩涂生产使用涂料的成膜固体含量约为55％左右，其余均为挥发性的溶剂，它只起到改善粘度，满足涂装工艺需要的作用，在烘干时全部挥发到炉气中，而不参与交联反应，也不会成为干膜的组成部分。溶剂的成份各厂家略有不同，以前大多使用苯类有机物，随着对环保要求的提高，目前大多采用酮酯醚类有机物。
溶剂挥发后的有机物废气称为VOC，不管哪一类溶剂产生的VOC都是可燃气体，燃烧热值达到28500kJ/kg以上。据计算，一条速度为90m/min的生产线生产一般膜厚为22μm 的彩涂板时，每小时产生的VOC高达240kg，在燃烧热上相当于200m3的天然气，约合600元人民币，
或占整个系统总热量的30-38％，可见其利用潜力之大。而VOC是有害人体健康的污染物质，也会对大气的臭氧产生很大的破坏作用，并产生严重的温室效应危及生态环境。但其危害性和利用价值一度不被人们所重视，不少彩涂线均未设计VOC回用
音圈电机模组设施，有的生产线尽管采取了一定的措施，但实际使用效果不良，在彩涂线周围严重的环境污染已是司空见惯的事。
目前国内彩涂线采用的VOC回用技术有物理吸收法、热力燃烧法、催化燃烧法等，目前 在使用中表现出的效果各不相同。
30．物理吸附法有何特点？压铸机料筒的设计
吸附法是一种物理过程，利用高孔隙或高表面积的活性炭等吸附剂将废气中的VOC气体
分子吸附到吸附剂表面，从而达到与废气分离的目的。当吸附剂表面吸附了一定数量的VOC分子后，无法吸附更多的VOC分子，出现了饱和现象，就必须将VOC分子从吸附
剂表面去除，即脱附或再生。常用的脱附方法有热空气加热法和蒸汽加热法，经脱附后的VOC气体或废液必须进一步处理。吸附剂处理VOC的方法的最高处理效率可达95％，但要求VOC的沸点要低，分
子量要小，废气的温度要低于40℃。虽然此方法理论上基本可行，但实际运用效果不太理想。事实上，这种方法更适用于低温度、低浓度VOC的处理。 某公司是最早进入彩涂生产行业的企业之一，于2001年建设了两条彩涂线，采用的是远
红外加热烘炉，没有配置废气处理系统，废气通过热交换以后直接排放，因而环保压力较大。2008年该公司设计了两套活性炭吸附系统及蒸汽再生系统，一套吸附工作，一套脱附再生。当时是以循环经济项目投资的，指望能通过此方法，不但保证了环境，而且可以实现溶剂的回用。但事实上，新系统刚投入运行时效果尚可，通过了环保部门的测试，但吸附饱和后脱附效果并不理想，并没有象设计单位介绍的那样获得可利用的溶剂，甚至无法有效脱附，活性炭使用一次后就失效了，该系统只能成了摆设。
缀花草坪31．热力燃烧法有何特点？
热力燃烧法是使废气中的VOC达到其裂解氧化的条件，发生充分燃烧，并放出一定的热量，达到热能利用和环保的目的。该技术的VOC处理率可达95%，工艺技术可靠，没有二次污染，管理方便，排放气体中的NOx、SOx含量能满足排放标准的要求。其燃烧的条件必须同时满足反应温度在750℃以上，反应时间在1秒以上，而且必须有一定的湍流混
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合度等条件[1]。所以，热力燃烧法技术相对较为复杂，难度较大，而且上述条件缺一不可，否则就达不到预期的效果。理论上，可以先将焚烧炉温度提高到所需的温度，当正式开始涂敷作业，VOC废气进入焚烧炉后，VOC燃烧放出一部分热量，可相应少用燃气，但实
际上，废气的浓度波动变化较大，要保证温度的稳定，燃气流量减少的数量与理论计算相距较大，而且，如此较高的温度所具有的热能能否全部利用也是一个问题。
某公司有一条2004年建成投产的以生产家电为主的彩涂生产线，其焚烧固化系统是目前
国内外大型企业使用较多的法塔炉型，采用初涂和精涂固化炉集中供热、废气热力燃烧、循环气流间接加热方法。其流程如图10-19所示，在焚烧炉出口并联废气加热换热器和新风加热换热器，废气加热后进入焚烧炉燃烧，新风加热后进入固化炉加热钢带。后来经过专题试验和测试，在焚烧炉温达到550-600℃时，空气加热后的温度就达到400-420℃，
完全满足了生产工艺的要求，此时从固化炉返回的废气温度由200-220℃预热到了420-450℃。在这样的情况下，未涂装前排出烟气中的CO、H2、CH4等含量几乎为零，说明
焚烧炉的天然气燃烧充分。在涂装以后，烟气中的CO、H2、CH4等含量分别达到
853ppm、129ppm和0.1％。对比涂装前后的烟气成份，可以认为烟气中的可燃成份是由于VOC不完
全燃烧引起的。经过理论计算，VOC燃烧放热相当于65m3/h的天然气热量，燃烧率仅为32％，占焚烧炉热能的5.3％。理论分析和实际情况均表明，如果要实现VOC 全部燃烧的目的，若只提高焚烧炉温度，势必会产生大量的热量而固化炉无法利用，废气排放温度升高，热效率大幅下降，天然气消耗不降反升。所以必须同时减少新风的循环量，这样又会使固化炉内废气浓度升高，影响到固化炉的安全性能，在这方面的检测和保障措施均不太稳定，所以不宜轻易调整。
图10-19法塔型焚烧固化系统流程图
目前新设计的生产线大多对这种形式进行了改进，将废气换热器和新风换热器由并联改为串联的方案，这样可使温度提高到750-800℃，废气预热后的温度提高到550-580℃，大
量的热能在焚烧炉和废气之间循环，而在新风预热后的温度和循环量均保持不变的情况，使VOC充分燃烧。
图10-20 蓄热式焚烧炉流程图
据介绍，采用热力燃烧比较有效的方法是蓄热燃烧法。某公司年产15万吨彩涂线采用的
是日本进口蓄热式焚烧炉，燃气是焦炉煤气，如图10-20所示，从炉内抽过来的废气有两个通道进入焚烧炉，当换向阀门切换到A通道时，废气经过蓄热体加热到700℃以上，并在炉膛内900-950℃的高
温下充分燃烧，产生的废气由B通道流出，使B通道的蓄热体加温蓄热，一定时间以后，A蓄热体的温度下降，换向阀门又切换到B通道，如此循环运行。在运行中，蓄热式加热炉的温度基本保持不变，以保证VOC充分燃烧。为了适用不同的
产品，调整供热量的大小，在废气从蓄热式燃烧炉出来后再经过调节加热炉，以保证温度的稳定和调控方便。该生产线同样采用的是循环气流间接加热方法。使用效果证明，蓄热式焚烧炉较高的温度满足了VOC裂解的需要，所以废气能量利用效果良好，所用的焦炉
煤气供热值为17560kJ/Nm3，消耗量为480Nm3/h，折合成天然气吨钢消耗约为
14.5m3/h。当然，蓄热式焚烧炉的维护和保养工作量较大。
32．催化燃烧法有何特点？
催化燃烧是在催化剂的特殊作用下，降低VOC分子氧化反应的活化能，使其在低温下就
能顺利进行，从而具有一系列优越性。
催化剂的作用是将空气活化，当与反应物分子接触时发生能量传递，反应物分子亦被活化，
从而使反应体系的活化能降低。根据动力学的研究结果，多数有机物完全氧化的活化能在
80-200kJ/mol，而在催化剂的作用下可下降到20-80 kJ/mol，由此可见催化作用对反应的
影响之大[2]。另外，催化剂表面的吸附作用，使反应物分子富集于其表面，提高了反应物
的局部浓度，也就提高了反应的频率，加速了反应的进行。这样就使得宏观的燃烧温度由750℃以上下降到300-350℃左右。
采用催化燃烧处理彩涂VOC不但使起燃温度降低，而且能使多种溶剂成分的挥发物燃烧
干净，适应的氧浓度范围广，净化率达99％，完全满足GB16297排放的要求，同时具有
无二次污染，操作管理方便，运转费用少，经济可靠等一系列优点，比热力燃烧节能约16%。
适用于VOC废气处理的催化剂有贵金属催化剂和金属氧化物催化剂等，其中以铂、钯等
贵金属催化剂为佳。催化剂的载体大多采用Al2O3、TiO2、SiO2、ZrO3等金属氧化物的
陶瓷材料，做成陶瓷蜂窝载体或陶瓷颗粒载体，再采用浸渍的方法使催化剂粘附在载体的引道结构图
表面。使用时，将陶瓷蜂窝体或陶瓷颗粒体制成一层一层的反应床，一定温度的VOC气
体通过其表面时，便发生氧化反应，在低温下裂解燃烧，生成CO2、H2O并放出热量，
使气体温度升高[2]。
催化燃烧技术最初是作为废气的无害化处理的环保技术研发的，事实证明，这种技术更适
合彩涂VOC的处理。这是因为：一是它适应于连续稳定的生产过程所产生的浓度，温度
波动不大的废气，这一点彩涂线完全能满足；二是它适应于比较洁净的废气，当粉尘较高
时易堵赛催化床层，这一点彩涂废气也完全能满足；三是它适用于不含硫、卤素的气体及
含铅等金属化合物，以免产生中毒，影响催化效果，这些物质对于采用天然气为原料的彩
涂废气中根本不存在。
常州一家外资企业有彩铝生产线一条，关键设备从国外进口，主要生产彩铝装饰板，产品
全部出口到发达国家，该公司对产品质量、安全生产等各方面的管理都达到世界先进水平，
特别是对企业内部的作业环境和外部的排放要求都非常高。该公司为了达到世界先进的排
放标准，采用了催化燃烧和直接燃烧技术。
该公司采用的是杭州某公司的焚烧炉和固化炉，其中催化剂是浙江大学的产品。底漆烘干
固化炉和面漆烘干固化炉分开单独设置了焚烧炉，焚烧炉将热交换、焚烧、预热、催化反
应几个工序组合成一体，形成一个长方体形的焚烧组合装置，其工艺流程如图10-21所示，
其中虚线部分为焚烧组合装置。
其工作流程为：生产线烘干固化炉内的废气和炉门口吸进的外部空气被引风机引到焚烧场
地，先进阻燃过滤，然后经过气/气换热器使温度由200℃左右上升到300℃左右。另外，
燃料天然气与助燃空气经燃烧机混合燃烧，燃烧的产物与高温废气预混，温度达到350-400℃，一并进入催化床产生催化燃烧反应，气体温度上升到550℃左右。高温气体分两
路，一路进入生产线的固化烘干炉使钢板加温固化，并混入炉口的部分外部空气，温度由550℃左右下降到200℃左右；另一路进入气/气换热器使固化烘干炉返回的废气加热，温
度由550℃下降到350℃，此时尚有余热可用，于是采用泵将生产线前处理的脱脂液和漂
洗水分别打到气/水换热器内，保证前处理脱脂液和漂洗水的温度处于70-95℃，废气温度
也下降到200℃左右排放。
图10-21 催化燃烧工艺流程图
据公司管理人员介绍该装置的VOC气体净化处理效率≥98％，处理后的废气排放达到
GB16297《大气污染物综合排放标准》中二级的要求。具体的数据一时无法测定，但从该
公司的工作环境和自然环境，特别是从烟囱下风处的气味可以看出，这一点基本是可信的。
这个案例告诉人们，催化燃烧技术，包括直接燃烧技术在高档产品的生产中也是可行的，是值得推广的。
33．如何选择废气热能利用技术？
综上所述，采用吸附法处理彩涂VOC由于浓度和温度的原因，基本是不可取的。目前最常用的是直接热力燃烧法，用高强度换热方法使废气温度升高，并保持焚烧炉内较高温度使VOC废气裂解燃烧的技术，若生产线的产品需要较高的烘干温度，则是可以的，若生产的产品不需要较高的烘干温度，仅为了使VOC气体高温裂解而有意提高炉温的话，则经济性不太理想，有必要将换热器改进成串联式布置方式。蓄热燃烧是对直接热力燃烧的改进，采用蓄热技术取代了高强度换热技术，提高了换热效率，
提高了经济性，但由于气流方向的不断频繁地换，会引起烘干炉风量、风压及温度的波动，而且其设备的可靠性有待进一步论证。催化燃烧技术降低了氧化反应温度，对生产的产品不需要较高的温度且使用天然气为燃料的生产线是比较适用的，当然使用中要注意催化剂的效果，并选用优质的催化剂。
第4节彩涂惰性气氛固化与废气高温焚烧系统
对于溶剂挥发气体高温裂解而言，必须满足大于750℃以上的温度和在高温下的时间在1.5秒以上两个必备的条件，否则就不能实现完全燃烧，达不到节能和环保的效果。其完全燃烧时每千克消耗13m3的空气，发出32.5MJ的热量。而目前普遍采用的法塔炉型，废气的换热器和新鲜空气的换热器是并联在焚烧炉出口的，就固化炉的工艺要求而言，焚烧炉的温度只要在550～600℃即能满足要求，否则就会造成能源的浪费。但在这样的温度下溶剂挥发物是不可能完全燃烧的，既浪费了可利用的热能，也不利于环保，因而就出现了矛盾，有必要采取措施提高废气预热的效果。
34．彩图惰性气氛固化的原理如何？
以环己烷为例，有机物的爆炸浓度极限随氧浓度变化的曲线如图10-22所示，其中阴影部分A区是发生爆炸的区域，在不进行氧含量控制的情况下，如果环己烷的浓度低于爆炸极限浓度的下限（如图中的X点）或高于爆炸极限浓度的上限（如图中的Y点）就不会发生爆炸，以前我们一般采用的安全区域都是将可燃物的浓度控制在其爆炸极限浓度的下限的25%以下，如图中的B区，所以才要大量的空气来
稀释其浓度。换个角度，从图中还可以看出只有当混合物中氧的浓度达到一定的范围时，才会发生爆炸，比如环己烷在氧浓度低于12%的情况下，不管其浓度多高，都不会发生爆炸，因而如果将混合气体的含氧量控制在12%以下的一定范围以内的话，也就是说炉气保持较高的惰性的话，就可以避免爆炸的危险，这就是所谓的惰性气氛防爆原理，这时的安全区域如图中的C区所示。
图10-22 环己烷的爆炸浓度极限随氧浓度变化的曲线
采用惰性气氛防爆技术，可以减少大量的循环气体使用量。这时考虑循环气体量的因素不再是防止爆炸，而是只要保证所承载的热焓能满足工艺的需要即可。对于废气高温焚烧且采用炉气直接加热的系统而言，焚烧炉的炉气温度达到750℃以上，单位体积气体的热焓较高，可以将循环气体流量控制在15000Nm3/h左右，是非惰性气氛防爆技术的一半。
从焚烧炉和固化炉整体热平衡的角度进行分析可知，热量的主要支出项目有钢板吸收的
有效热，各种表面散热等热损失和废气排放热损失，而热量的主要收入项目有燃料燃烧热
和溶剂挥发气体回收热量等。以一条年产量为10万吨，小时产量为20t的生产线为例，若溶剂消耗量为340kg/h，在使用非惰性气氛技术的情况下，在热量的支出项目中废气排放
热损失是最大的消耗，约是钢板吸收的有效热的5～6倍，所以总体的热量消耗就很大，
热效率只有25%～30%。而采取了惰性气氛技术，气体循环量大幅度下降到了原来的一半，废气排放热损失也下降到了原来的50%，在钢板有效热和各种表面散热等热损失不变的情况下，总体的热量消耗下降到了原来的62%。而溶剂回收热量基本是不变的，所以总热量的减少就体现在燃料消耗的下降上，采用惰性技术可使燃料放热由1720MJ/h，下降到了670MJ/h，若使用的是天然气的话，可使天然气消耗由490Nm3/h下降到190Nm3/h，或
由吨钢消耗由24.5Nm3下降到9.5Nm3。这就是号称吨钢消耗天然气低于10 Nm3技术的理论依据。实际使用的结果也在10~15 Nm3左右。惰性气氛技术与非惰性气氛技术能耗的比较略图见图10-23。
图10-23惰性气氛和非惰性气氛能耗比较略图
35．如何实施惰性气氛固化与废气高温燃烧？
西安大洋钢铁科技有限公司根据上述原理，为山东某公司设计一套10万吨/年生产线焚
烧固化系统。这是一套炉气直接加热的系统，其焚烧系统采用了高温焚烧技术，并配备了
焚烧炉温度自动控制和炉压自动控制系统。其固化系统主体结构与一般固化炉相同，炉内
温度分段控制系统和板温自动控制系统也与一般固化炉相同，在此基础上，增加了硬件上
的炉内压力保持措施，以及软件上的炉内压力控制系统和氧气检测调整报警系统。
直排溜冰鞋教程其工艺流程和检测控制原理如图10-24所示。焚烧炉的主体是一个圆形长筒炉膛，其内形尺寸保证了废气裂解所需的时间，在1.5秒以上，内部温度达到了废气裂解所需的大于750℃的要求，燃烧器在圆筒的前端，外部用保温材料隔热。炉膛的后端是废气换热器，
分别由两台废气风机从初除固化炉和精除固化炉抽出的废气首先用焚烧后的高温气体加热
到450℃以上后进入炉膛，在天然气燃烧产生的高温下裂解燃烧，并同样放出热量，对炉
膛温度升高做出贡献。废气换热器后面串联的是化涂新风换热器，由于化涂烘干钢板后的
废气是直接排放在车间的，所以它采用的是间接加热技术，这是它的第二级加热，在这之
前已在焚烧炉烟气排放口进行了第一级预热，二级加热的结果可以使新风加热到450℃左右，满足化涂所需热量的需要。焚烧后的高温气体经过固化炉废气和化涂新风两次换热后
的温度下降到了约650℃，分成两部分，一部分直接进入初涂固化炉和精涂固化炉，烘干
辊涂后的钢带，发挥系统的主要效用，另一部分多余的烟气被排烟风机吸走进入排烟管道。为了充分
利用排出烟气中的余热，在排烟风机前安装有前处理脱脂液和漂洗用水的换热器，实现了生产线的无蒸汽化，在排烟风机后的烟囱下部又安装了两组串联的换热器，分别是
化涂新风的一级换热器和焚烧炉助燃新风的换热器，烟气经如此多次热量交换后，温度达
到180℃以下排放，热量利用可谓彻底。
该生产线的主要产品是建材板，所以采用了焚烧后的烟气直接加热技术。我国的天然气
从气井出来后，都经过了脱硫净化处理，天然气中的硫分、灰分等杂质很少，燃烧后的产
物基本都是CO2和H2O，是一种十分清洁的燃料，废气也同样如此所以用焚烧后的废气
直接加热钢带，不会给产品质量带来不良影响。与非惰性气氛技术不用的是，惰性气氛进
入固化炉系统的高温热气体流量和加热钢板后从炉内抽回的废气的数量基本相同，或略有
减少的，炉门口不能吸进空气，只可能有少量的炉气外溢。从烟囱排出的烟气数量基本上
与天然气燃烧后的产物数量相同。照片如图2-25所示。
