蓄熱式燃燒技術(shù)處理化工行業(yè)VOCs的安全性問(wèn)題

隨著對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，酸雨和霧霾污染已經(jīng)逐漸減少，但是臭氧污染仍日益加重，成為影響環(huán)境空氣質(zhì)量的重要污染源[1]，近年來(lái)我國(guó)因臭氧污染導(dǎo)致的人口死亡數(shù)量平均增加10.7%。臭氧污染的重要前體物是VOCs，在紫外線的作用下，VOCs 和氮氧化物會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的光化學(xué)反應(yīng)，生成臭氧和霧霾二次顆粒。雖然環(huán)境空氣中氮氧化物的濃度有一定程度的降低，但是VOCs 的減排進(jìn)入了瓶頸期，產(chǎn)生臭氧的反應(yīng)中，VOCs 和氮氧化物非線性關(guān)系，僅通過(guò)氮氧化物的減排甚至?xí)?dǎo)致臭氧濃度的上升。為了降低臭氧污染，VOCs 的減排是重中之重。化工行業(yè)是我國(guó)工業(yè)體系的支柱行業(yè)，也是VOCs 排放的重要行業(yè)。
根據(jù)中國(guó)環(huán)境規(guī)劃院的研究結(jié)果，我國(guó)VOCs 年排放量達(dá)到3100 噸，我國(guó)涉及VOCs 排放的行業(yè)超過(guò)120 個(gè)，其中年排放量超過(guò)1 萬(wàn)噸的行業(yè)超過(guò)50 個(gè)?；ば袠I(yè)VOCs典型特征包括：廢氣濃度高、波動(dòng)性大、凈化效率要求高。
蓄熱式燃燒技術(shù)（RTO）主要原理是：揮發(fā)性有機(jī)廢氣經(jīng)過(guò)預(yù)熱室升溫后，進(jìn)入燃燒室高溫焚燒（升溫到800℃），在富氧的條件下進(jìn)行徹底的氧化分解，有機(jī)物氧化成水和二氧化碳，在經(jīng)過(guò)另外一個(gè)蓄熱室的蓄熱體存儲(chǔ)熱量，存儲(chǔ)的熱量可以用于下一輪預(yù)熱新進(jìn)入的有機(jī)廢氣，經(jīng)過(guò)周期性地改變氣流方向從而保持爐膛溫度的穩(wěn)定。RTO 工藝流程圖見(jiàn)圖1。

圖1RTO 工藝流程圖
由于蓄熱式燃燒是一種徹底的氧化分解技術(shù)，凈化效率高，目前廣泛應(yīng)用于化工行業(yè)的VOCs 凈化。但由于化工行業(yè)VOCs 廢氣濃度高，且波動(dòng)性大，存在燃爆的可能性。2015 年3 月江蘇某化工企業(yè)RTO 凈化系統(tǒng)連續(xù)兩次發(fā)生爆炸，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)百萬(wàn)元；2020 年8 月19 日，浙江某化工企業(yè)RTO 凈化裝置廢氣管道爆裂，導(dǎo)致生產(chǎn)中斷；2019 年6 月15 日，安徽某化工企業(yè)RTO 凈化系統(tǒng)短時(shí)間兩次發(fā)生爆炸，凈化系統(tǒng)損毀嚴(yán)重。
化工行業(yè)的VOCs 廢氣濃度一般比較高，在非正常工況下有可能會(huì)超過(guò)爆炸限；雖然VOCs 污染物濃度比較高，但是廢氣中的氧含量完全可以滿足燃燒爆炸的要求；在不合理設(shè)計(jì)或者裝置非正常運(yùn)行，而預(yù)防措施不到位時(shí)，RTO 裝置本身的明火、高熱物以及電火花和靜電等均可能成為點(diǎn)火源?；ば袠I(yè)采用蓄熱式燃燒技術(shù)處理VOCs 廢氣時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注安全問(wèn)題。
一、化工行業(yè)RTO 處理技術(shù)過(guò)程中爆炸要素分析根據(jù)爆炸三要素：可燃物、助燃物和點(diǎn)火源進(jìn)行展開分析。
1.1 可燃物
（1）化工行業(yè)廢氣濃度高、波動(dòng)性大，在某些工況條件下，比如真空泵其中開啟時(shí)，可能存在VOCs 廢氣濃度超過(guò)爆炸下限的情況出現(xiàn)。
（2）部分生產(chǎn)設(shè)備比如蒸餾釜處于故障狀態(tài)，VOCs 物料被加熱導(dǎo)致極高濃度的飽和有機(jī)物蒸汽進(jìn)入RTO 凈化裝置，導(dǎo)致混合廢氣濃度超過(guò)爆炸下限的情況。
（3）部分高沸點(diǎn)VOCs 廢氣在收集處理系統(tǒng)低溫處冷凝，RTO 處理系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，冷凝的液態(tài)有機(jī)物直接進(jìn)入RTO，或者在后期溫度升高時(shí)，冷凝的液態(tài)有機(jī)物揮發(fā)至氣相，進(jìn)入RTO，導(dǎo)致RTO 內(nèi)部混合廢氣濃度超過(guò)爆炸下限的情況。
（4）易聚合物質(zhì)，如苯乙烯等，容易發(fā)生聚合沉積在RTO 下室體溫度相對(duì)較低的蓄熱體處，聚合物隨著溫度的變化，可能發(fā)生二次揮發(fā)，導(dǎo)致RTO 內(nèi)部局部濃度過(guò)高超過(guò)爆炸下限的情況。
1.2 助燃物
（1）化工行業(yè)有機(jī)液體存儲(chǔ)與裝卸廢氣以及進(jìn)出料和反應(yīng)過(guò)程的放空廢氣，為降低物料的損失，一般采取大管套小管的廢氣捕集方式，該部分廢氣收集時(shí)，會(huì)引入一定量的空氣。
（2）反應(yīng)釜的投料口、放料口和取樣口以及灌裝工位，一般采用集氣罩的廢氣收集方式，收集廢氣中除了少量的VOCs 外，基本以空氣為主。
（3）固液分離設(shè)備和干燥設(shè)備，一般通過(guò)密閉的設(shè)備或者增設(shè)密閉隔間收集廢氣，廢氣中會(huì)引入大量室內(nèi)空氣。
（4）廢水集輸和處理系統(tǒng)以及固廢貯存場(chǎng)所，一般通過(guò)全面換風(fēng)的方式收集廢氣，收集廢氣中除了少量的VOCs 外，基本以空氣為主。
1.3 點(diǎn)火源
（1）RTO 燃燒室內(nèi)明火：當(dāng)進(jìn)入RTO 內(nèi)的VOCs 燃燒釋放的潛熱不足以維持RTO 正常運(yùn)行所需要的溫度時(shí)，需要額外補(bǔ)充天然氣并點(diǎn)火升溫。RTO 爐內(nèi)一直維持著高溫明火狀態(tài)，是事故發(fā)生時(shí)首要考慮的點(diǎn)火源。
（2）電火花：一般RTO 的輔助加熱系統(tǒng)采用電火花點(diǎn)火器，在RTO 爐初始升溫時(shí)，如果爐內(nèi)有機(jī)物超過(guò)爆炸限，該電火花也可能成為點(diǎn)火源。
（3）高熱物：RTO 升溫后，氧化爐內(nèi)的蓄熱陶瓷以及從氧化爐中取熱的廢氣均為高熱物，如因系統(tǒng)故障，高熱物回火逆流遇到可燃物，或者高于可爆炸成分的起燃點(diǎn)時(shí)，高熱物也會(huì)成為點(diǎn)火源。
二、安全防控分析
RTO 處理系統(tǒng)爆炸的發(fā)生，需要滿足三要素，即可燃物、助燃物和點(diǎn)火源，所以安全防控措施主要針對(duì)以上三要素的防控。
2.1 嚴(yán)控可燃物濃度
考慮到RTO 本身具有明火，如果進(jìn)口濃度超過(guò)爆炸下限，任何防控措施都無(wú)濟(jì)于事，應(yīng)嚴(yán)格控制RTO進(jìn)口有機(jī)物的濃度，使其控制在對(duì)應(yīng)氣體爆炸下限的25% 以內(nèi)。防控措施主要有：RTO 進(jìn)氣管道上設(shè)置氣體濃度檢測(cè)，一級(jí)報(bào)警點(diǎn)為10%LEL，二級(jí)報(bào)警點(diǎn)為20%，達(dá)到二級(jí)報(bào)警點(diǎn)時(shí)，切斷廢氣進(jìn)氣，打開新風(fēng)補(bǔ)氣閥，對(duì)RTO 進(jìn)行停機(jī)降；對(duì)于高濃度廢氣，RTO 入口加稀釋風(fēng)閥；廢氣入口加緩沖罐，緩沖罐的體積要設(shè)計(jì)得當(dāng)；濃度監(jiān)測(cè)儀、稀釋風(fēng)閥、RTO 風(fēng)機(jī)等儀器設(shè)備之間的連鎖控制，對(duì)突發(fā)問(wèn)題第一時(shí)間做出正確的動(dòng)作。
2.2 安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估
RTO 處理系統(tǒng)的安全設(shè)施應(yīng)與主體工程同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)施工、同時(shí)投入使用，化工行業(yè)廢氣成分復(fù)雜，應(yīng)進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估論證，采用HAZOP 等軟件分析并采取相應(yīng)的安全措施。
2.3 強(qiáng)化預(yù)處理措施
化工行業(yè)廢氣排放濃度波動(dòng)性大，一般會(huì)含有酸霧和顆粒物，在進(jìn)入RTO 燃燒時(shí)，需要進(jìn)行混勻和去除酸霧和顆粒物。建議企業(yè)采用PP 堿洗塔對(duì)有機(jī)廢氣進(jìn)行預(yù)處理，由于PP 填料塔強(qiáng)度不高，在發(fā)生事故時(shí)極易泄爆，最大限度地保證系統(tǒng)安全。
2.4 增設(shè)必要的防火、防爆和泄爆等措施
廢氣收集總管中安裝防火閥，防火閥應(yīng)符合GB15930 的相關(guān)規(guī)定；在RTO 入口加裝阻火器，阻火器應(yīng)符合GB/T13347的相關(guān)規(guī)定；在RTO 燃燒室、緩沖罐、管道拐彎處加泄爆片，防爆泄壓設(shè)計(jì)應(yīng)符合GB 50160 的相關(guān)規(guī)定；在RTO 設(shè)備附近設(shè)置一些消防設(shè)施；風(fēng)機(jī)、電機(jī)和置于現(xiàn)場(chǎng)的電氣儀表等設(shè)備的防爆等級(jí)應(yīng)不低于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)別。
2.5 優(yōu)化收集系統(tǒng)
廢氣的收集以及風(fēng)機(jī)選用需進(jìn)行規(guī)范化設(shè)計(jì)，廢氣收集管線需統(tǒng)籌規(guī)劃，形成支管－主管－處理裝置－總排口的收集處理系統(tǒng)，確保廢氣收集效果，收集管網(wǎng)應(yīng)考慮必要的防火和泄爆。采用金屬材質(zhì)的收集管網(wǎng)時(shí)，應(yīng)考慮靜電跨接、系統(tǒng)接地等措施，及時(shí)導(dǎo)出靜電，避免積聚，接地電阻應(yīng)小于4Q，防雷設(shè)計(jì)應(yīng)符合GB 50057、SH/T3038 的相關(guān)規(guī)定；避免管道中存在直角和尖角，減少因摩擦而導(dǎo)致的靜電。
2.6 優(yōu)化處理系統(tǒng)
RTO 爐設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)廢氣進(jìn)行氣流場(chǎng)和熱流場(chǎng)模擬，其中氣流場(chǎng)模擬確保RTO 爐內(nèi)無(wú)死角，廢氣能夠均勻流暢通過(guò)，避免局部湍流或濃度過(guò)高；熱流場(chǎng)模擬確定陶瓷裝填量，選擇適宜熱回收效率，避免RTO 爐蓄熱室冷端溫度過(guò)高，減少安全隱患。
2.7 優(yōu)化運(yùn)維措施
處理系統(tǒng)合理有效的運(yùn)維是保證正常穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件，應(yīng)定期對(duì)處理系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)檢維修和排查隱患，比如及時(shí)排出收集管網(wǎng)中的積液，避免積液中的VOCs 再次揮發(fā)至氣相，導(dǎo)致氣相中濃度過(guò)高；確保預(yù)處理設(shè)施的運(yùn)行效率，避免RTO爐中填料堵塞，引發(fā)斷流造成安全隱患。
2.8 設(shè)置各類安全預(yù)警措施
燃料供給系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置高低壓保護(hù)和泄漏報(bào)警裝置；壓縮空氣系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置低壓保護(hù)和報(bào)警裝置；設(shè)置UPS 備用電源和壓縮空氣儲(chǔ)氣罐；設(shè)置應(yīng)急排空管道，嚴(yán)禁與高溫排空管道共用煙囪排放；處理系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置安全儀表系統(tǒng)，對(duì)風(fēng)機(jī)、閥門、燃燒器、爐膛和廢氣管道等設(shè)備設(shè)施的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和聯(lián)鎖；關(guān)鍵設(shè)備安全儀表系統(tǒng)應(yīng)不低于SIL2 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。
2.9 漸進(jìn)化科學(xué)調(diào)試
RTO 爐調(diào)試時(shí)理應(yīng)先進(jìn)行空載調(diào)試，待空載調(diào)試穩(wěn)定后再逐步接入低濃度有機(jī)廢氣，如企業(yè)污水池加蓋收集后廢氣、車間換風(fēng)廢氣等，最終再逐步接入高濃度廢氣。同時(shí)對(duì)擬接入高濃度廢氣的排放流量、排放濃度進(jìn)行檢測(cè)，重點(diǎn)關(guān)注峰時(shí)濃度，峰值濃度不得超高混合廢氣爆炸下限的25%。
三、實(shí)際案例分析
某化工行業(yè)廢氣風(fēng)量為30000 m3/h，廢氣中含有鹽酸、顆粒物和VOCs，采用堿洗+ 干式過(guò)濾+RTO 處理企業(yè)混合廢氣，RTO 為三室RTO，VOCs 進(jìn)氣濃度為1250mg/m3，綜合凈化效率可以達(dá)到99%。目前已連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行5 年，該處理系統(tǒng)的安全控制措施詳見(jiàn)下表。

四、總結(jié)
蓄熱式燃燒技術(shù)是處理化工行業(yè)VOCs 廢氣的一種高效治理技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景?；ば袠I(yè)VOCs 廢氣濃度高、波動(dòng)大，蓄熱式燃燒技術(shù)由于燃燒室內(nèi)有明火，設(shè)計(jì)不當(dāng)容易造成安全事故。結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)和爆炸三要素，系統(tǒng)進(jìn)行了安全防控分析，結(jié)合實(shí)際案例表明，系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)可以顯著降低安全風(fēng)險(xiǎn)，確保蓄熱式燃燒裝置安全穩(wěn)定高效地運(yùn)行，為化工行業(yè)采用蓄熱式燃燒技術(shù)對(duì)VOCs 廢氣進(jìn)行治理提供了一定的指導(dǎo)。
來(lái)源：環(huán)保