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蓄热燃烧法火灾爆炸风险分析及防范

2020-11-18 13:38:16 东莞市中仁环保科技有限公司 阅读

蓄热式热力焚化炉(RTO)是目前工业源 VOCs 治理的主流技术之一,具有处理效率高、基本无二次污染、可进行二次余热回收、运行稳定等优点,近年来在石油化工、喷涂、包装印刷、医药等领域得到广泛的应用。

但在实际运
行中,RTO也暴露出一些问题,其中比较突出的问题就是失火、爆炸等安全问题。火灾与爆炸是 RTO净化系统最常见、最严重的安全事故。笔者从 RTO 净化系统的废气源特点和工艺原理入手,剖析其在运行过程中发生火灾爆炸的主要危险因素,并提出相应的防爆对策与建议。

一、RTO 净化系统
 

1.1 系统组成及工艺流程介绍


以典型沸石浓缩转轮+RTO 系统为例,介绍 RTO净化系统的装置组成及工艺流程,如图1所示。

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1.1.1 系统组成


沸石浓缩转轮+RTO系统主要由前端预处理装置、沸石浓缩转轮、蓄热式燃烧室(RTO)、风机、阻火器、安全监测、防爆设施、烟囱等装置组成。其中,RTO是系统的主体,主要由燃烧装置、蓄热室(内有蓄热体)、换向系统、排烟系统和连接管道五大部分组成。


RTO的常见形式主要有二室、三室和旋转3种,根据需求也可设计成五室、七室等结构形式。基本的 RTO由1个公共燃烧室、2 台或多台蓄热室、1套换向装置和相配套的控制系统组成。

1.1.2工艺流程


工艺一般分为三步∶预处理、浓缩、高温氧化。预处理主要是对废气源进行除湿、过滤等前期处理,利用过滤器去除废气中含有的颗粒及油污等杂质,通过加热等方法降低废气的相对含湿量;浓缩是利用浓缩转轮的高吸附性能,对排风量较高、浓度较低的废气进行吸附,浓缩为高浓度、小流量的浓缩气体,再由脱附风机从转轮脱附区域脱附出来进入 RTO 高温氧化处理;高温氧化在燃烧室内发生,启动前先通过燃烧器对燃烧室及填料床预热,预热至炉膛设定温度后,废气先通过填料床预热,后由燃烧室加热升温至 760 ℃以上,高温氧化分解成CO2,和H2O。最后洁净的气体由烟囱排入大气。

系统采用燃烧器加热,使用天然气、柴油或电作为能源。蓄热室之间的热交换效率达到 95%以上,很容易实现氧化炉的自我维持,而不需使用任何助燃材料。

1.2 气源特点


RTO主要适用于大风量、低浓度、成分复杂的有机废气处理,处理风量适宜在8000~100 000m/h,处理最高VOCs 质量浓度约10g/m²。一般要求 VOCs 气体中的颗粒物质量浓度不大于 35 mg/m²,或在检修期间可以安全去除。


VOCs 废气成分复杂,通常为多种易燃易爆有毒性的有机气体混合物。目前常见的VOCs 在常温常压下的爆炸极限都具有完备的数据资料,但在特殊的工艺条件下(如高温、高压环境)爆炸极限数据基本属于空缺。这种情况导致 RTO 在设计和投入使用时的特殊工艺条件被忽视,而继续按照常规数据设计、运行,导致爆炸事故发生。

实验使用的可燃性气体爆炸参数测试装置,如图2所示。由爆炸腔体、加热系统、抽真空系统、点火系统、供气系统、数据采集系统7大部分组成。利用此装置对甲烷、甲苯、甲醇、乙酸乙酯等常见的 VOCs成分在不同温度梯度(25、50、75、100、150、200、250、300、350℃)、压力梯度(0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 MPa)条件下的爆炸极限进行了测试。


实验测试采用分压法配置混合气体。由于苯、甲苯、甲醇等在常温下为液体,测试中首先需要将爆炸测试腔体加热到测试温度,再按照饱和蒸气压定律向腔体内注入一定体积的液体,使其完全蒸发后达到测试所需压力。
对可燃性液体蒸汽在高温条件下进行爆炸极限测试时,需要进行以下几个步骤∶


(1)利用加热带将爆炸腔体加热到实验所需温度∶待温度稳定一段时间后,利用抽真空系统进行抽真空。


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(2)通过爆炸腔体一侧的高压针阀注入一定体积的液体;等待数分钟至液体完全蒸发成气体。


(3)通入 Nz/O2的配比为79∶21的模拟空气至爆炸腔体内压力稳定到实验所需大气压;待数分钟至蒸气气体与空气混合均匀后可进行点火实验。


(4)实验测量完成后利用高压空气对爆炸腔体进行吹吸处理清理废气。
在每一浓度进行多组平行实验,结果见表1所示。实验中某一浓度只要有一次爆炸即认为该体积分数在爆炸极限范围内。正常操作下,某一体积分数三次实验均未爆炸,则认为该体积分数不会爆炸,即在爆炸极限范围外。

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从表1可以看出∶甲烷、苯、甲醇、乙酸乙酯等的LEL
都在随着实验温度的升高而减小;随着初始压力的增加而减小。可见,随着初始温度或初始压力升高,VOCs 的爆炸范围也在增大,尤其是爆炸下限(LEL)明显呈减小趋势。且LEL 与温度呈一次函数的关系。此规律对于系统中 LEL. 的控制是有力的理论支撑。

 二、RTO 废气处理工艺风险分析
 

结合 RTO处理的气源特点和爆炸"三要素",即氧化
剂、点火源、可燃物(一定浓度),分析集气系统、燃烧系统和控制系统中主要在的火灾爆炸危险因素,见表2 所示。

 三、防范措施与建议
 

为防止安全事故发生、降低事故损失,RTO净化系统的使用及设计单位必须把安全问题放在第一位。针对系统在运行过程中的主要危险因素,从废气源浓度的控制、集气系统、控制系统及管理方面提出防范措施与建议。


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3.1 控制废气源的浓度


严格控制RTO净化系统内 VOCs 浓度低于其爆炸下限的 25%,控制废气源主要措施有∶


(1)废气入口及必要的废气支路(燃烧室、缓冲罐、管道拐弯等处)入口处LEL 在线监测仪与浓度报警联锁,一旦监测到 25%LEL 以上的VOCs,应采取入口加稀释风阀/缓冲罐或应急排空等措施。


(2)将实验数据拟合成一次函数,即 LEL=k×T+b,以甲烷、甲醇、苯三种为例,得到爆炸下限与温度的关系式为∶

LEL=(-39T+50 975)×10-6;甲醇∶LEL=-(49T+61 225)×10-6;苯∶LEL=(-10T+13 250)×10-6。经计算,760 ℃时,LEL甲烷=21335×10-6;LEL甲醇=13 830 ×10-6;LEL苯=5 650×10-6。


得到规律∶LEL甲烷,760°C>25%LEL甲烷;LEL甲醇,760°C>25%LEL甲醇;LEL 甲烷,760°C>25%LEL苯。


其他几组数据经过计算也得出此规律。可以得到,RTO系统中VOCs浓度报警按照300 ℃时的 25%LEL 值设置,能够保证燃烧室内废气浓度在爆炸极限外。


(3)在点火前要进行预吹扫,吹扫时间应能保证系统内所有可燃物的浓度低于 25%LEL,避免点火时引爆。


(4)浓度监测仪的安装位置一定要设计在气体浓度最高的部位,尽量使用取得防爆认证的设备,保证足够灵敏与准确。

3.2 集气系统的安全要求


(1)预处理。废气进入 RTO净化系统前,建议先做前端预处理,主要是除油、除尘和除湿,以免这些杂质随废气一起进入处理系统,造成可燃物积聚或增大摩擦阻力,加大静电产生的可能性。当废气中含有油污或可燃性粉尘等可能沉积的危险物质时,应对集气管道进行定期清洗。


(2)采取隔断措施。在各车间废气支管与总管连接处采取隔断措施。除设置阻火器外,也可以采取水封罐、软连接等措施。管道的所有组件应能承受机械载荷,化学和热负荷。


(3)消除静电。集气管道使用导电性能强的材质,金属管道均应采用法兰和焊接连接,及时导除静电。


(4)规范安装泄爆装置。实际生产中为加强 RTO 的安全性,在RTO 燃烧室、缓冲罐、管道拐弯处应增加泄爆装置。

(5)防雷击。排放废气的管道口外以下的空间应在接闪器保护范围内。


(6)管道上设置压力表、高低压保护开关、减压阀、检漏装置等完善的安全供气设施。


(7)使用防爆风机,即使出现故障或碰擦情况也不会产生火花,进出口端的安全防护要求也更为严格。

3.3 提高安全控制全面性和有效性


(1)使用安全联锁系统(SIS)。SIS 独立于过程控制
系统,能很大程度地降低控制功能和安全功能同时失效的概率,是装置最重要的保护层。与一般仪表相比,SIS 具有一般仪表没有的容错能力、故障自诊断能力、本质安全型防爆仪表等优点。


(2)在线监测系统使用具有防爆认证的安全仪表,冗余设计,一备一用,或多点重复测量。


(3)安装高温限制器。高温限制器于主控制盘上为独立控制,功能为超温报警,并且此报警信号不需经过 PLC 而直接与燃烧器连接,一旦超过燃烧室内设定温度(正常运行温度为 800 ℃左右),立即关闭燃烧器。高温限制器如果失效或温度传感器故障,也会立即自动关闭燃烧器。


(4)增加燃烧室负压与引风机的联锁控制。燃烧室的负压与风机变频进行联锁控制,使设备正常运行时燃烧室保持微负压状态,确保高温烟气不回流。


3.4 其他


针对系统整体管控笔者提出以下建议∶


(1)采用新工艺、新技术、新设备时,建议在进行正式投入使用前,对有机废气的浓度、风量、含尘量以及其在燃烧室内高温时的爆炸极限进行测试。


(2)企业 RTO在投入使用前,考虑其所采用的工程设计是否符合安全生产相关法律法规、国家标准、行业标准,结合实际工作环境对重要风险源点开展专项风险评估。


(3)安全仪表应当由经过专门培训的人员操作,定期检维修,加强员工安全意识,规范操作。


(4)在设备附近还应设置一些消防设施;划定的固定动火区边界外 50 m 范围内不得有易燃易爆物品,严格管控系统动火作业。


(5)系统的阻火器、传感器、泄爆装置等需要定期检查是否处于正常功能。


(6)烟囱、管道等部位应定期清理,避免油污等可燃物积聚。


(7)系统在维修时应处于停车状态,在保证燃烧室冷却和系统内没有废气之后,再由专业人员进行维修。

四、总 结
 

用可燃性气体爆炸参数测试装置研究甲烷、乙烷、丙烷、苯、甲苯、甲醇、乙醇、乙酸乙酯在不同温度梯度、压力梯度下的爆炸极限,实验得到∶8 种 VOCs 主要成分的爆炸下限随着实验温度的升高而减小;随着初始压力的增加而减小。结合实验结论和 RTO 净化系统的工作原理,分析了集气系统、燃烧系统和控制系统中主要存在的火灾爆炸危险因素。在线监测净化系统内 VOCs的爆炸下限并控制在其 25%LEL 以下、消除燃烧器之外的点火源、应急排空或稀释高浓度有机废气、安装隔爆泄爆装置、安全管理等是防范RTO火灾爆炸的有效解决思路。


来源:北极星VOCs在线



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