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精细化工行业蓄热式热氧化炉系统安全设计优化

2020-05-28 14:01:11 东莞市中仁环保科技有限公司 阅读

蓄热式热氧化炉(RTO)采用高热容量的蜂窝状陶瓷作为蓄热体,待处理有机废气与蓄热陶瓷体进行换热升温后,在氧化室中升温至760℃燃烧,使其中的VOCs成分氧化分解成二氧化碳和水,净化后的达标气体与蓄热陶瓷体进行换热降温后经烟囱排入大气。在国外,蓄热式热氧化炉的市场占有份额高达70%。

国内VOCs治理常用的技术有冷凝法、吸收法、吸附法、热力破坏法、膜分离法、低温等离子体、光催化氧化、生物处理法等。精细化工行业挥发性有机物(VOCs)具有种类繁多、组分复杂、波动性大等特点,目前常用的处理技术很难保证VOCs废气稳定达标排放。RTO具有净化效率高、可适用组分复杂波动性大的VOCs、热回收效率高、运行稳定性好等优点,是目前适用性最好、净化效率最高的VOCs治理装置,随着国家对VOCs废气排放要求越来越严格,RTO在精细化工行业中得到了广泛应用。

然而,在实际运行中,部分企业和供应商仅考虑系统的净化效率和能耗,而忽视了系统的安全性设计,导致RTO系统运行过程中时有安全事故发生。根据《大气污染治理工程技术导则》、《蓄热燃烧法工业有机废气治理工程技术规范(征求意见稿)》等规范,RTO系统主要包括污染气体收集和输送系统、气态污染物热力燃烧系统、控制与安全要求等。针对RTO系统安全设计,本文依据规范要求并结合工程经验,从废气输送管道设计、RTO系统主体设计(含控制与安全要求)、RTO系统调试三个方面提出了以下几点分析和建议,供大家借鉴。

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一、废气输送管道设计

1.1生产车间输送系统设计

精细化工行业的产品通常是间歇式生产,废气排放气量波动性较大,生产车间输送风机如采用定频控制,车间支管段内压力也会随废气排放气量波动而变化,存在支管段内废气压力不稳而泄漏的风险。因此,车间输送风机前端建议增加压力检测点,并根据现场实际情况设置压力参数,与车间输送风机联锁变频控制,维持车间支管段内压力稳定。

1.2废气输送管道坡度和排凝设置

精细化工行业废气成分复杂,波动性大,车间预净化一般会设置有冷凝和喷淋系统,起到“消谷平峰”的作用,然而,经过冷凝和喷淋后的废气含有大量饱和水蒸气,如设计不合理,废气输送管道的拐点和低点会有积液凝聚,夏季积液挥发可能引发VOCs浓度超爆炸下限的风险,冬季积液冻结则可能造成管道损坏引发废气泄露的风险。因此,废气输送管道应依据《石油化工金属管道布置设计规范》要求,设计管道坡度,并在管道拐角和低点设置排凝点,定期排凝,避免管道内积液现象的产生。

1.3废气输送管道防静电设置

废气输送管道一般距离较长、管线复杂,气体流速较快,管道内会有静电产生,如静电大量积聚,会引发爆炸等安全事故。因此,废气输送管道建议采用金属管道,并依据《石油化工静电接地设计规范》要求,做好管道法兰跨接和静电接地。

1.4废气输送管道压力控制设计

依据《大气污染治理工程技术导则》要求,废气输送管道整体宜呈微负压状态,可有效避免各管道内废气泄露、相互串气的风险。因此,废气输送管道需要做风压平衡计算,确保管道呈微负压状态。以浙江嘉兴某医药企业为例,计算步骤如下:

1)确定计算范围:各单元风机出口到RTO前风机入口。

2)参照《简明通风设计手册》,在6~14m/s流速范围内根据废气流量计算废气输送管道管径。

3)运用风压平衡计算软件:PipeFlowExpert。

4)选取介质为废气(空气),基本参数如表1所示。

5)管道材质选择,该企业管道材质选取PP,绝对粗糙度系数为0.005mm。

6)管道走向绘制、管段长度和管径输入。

7)各单元废气流量输入、RTO前风机压力拟输入。

8)得出该企业全厂风压平衡计算数据,如图1所示。

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由图1可知,该企业各节点位置负压最小值为-350Pa,处于微负压状态,满足设计要求。此外,建议在废气输送管道与车间各支管节点位置设置压力检测点,远传操作界面,实时监控,确保废气输送管道与车间支管节点位置负压,避免各节点位置泄漏、串气。

1.5废气输送管道阻火器和压力泄放设置

通过对江苏多家医药化工企业RTO炉的安全事故调查分析,发现废气输送管道是目前发生爆炸事故的重灾区,因此,各生产车间出口管道上建议设置阻火器,避免爆炸事故扩散到各生产车间,并在废气输送管道的关键位置设置泄爆口,保证整个系统能够及时、有效的泄爆。依据《石油化工企业设计防火规范》要求,RTO属于明火设备,如RTO系统回火,会引发废气输送管道起火或爆炸等安全事故,因此,废气输送管道与RTO系统主体对接位置需设置阻火器,防止并阻断RTO系统回火。

二、RTO系统主体设计

2.1RTO设备材质选型

精细化工行业废气中常含有氯离子、硫离子等元素,燃烧过程中会有氯化物、硫化物等腐蚀性较强的物质产生,因此,RTO设备材质选型应结合企业废气性质考虑,否则RTO设备各结构件极易腐蚀损坏,存在RTO设备变形、坍塌、废气泄漏等安全风险。

2.2RTO炉体内部清洗设置

通过对江苏多家医药化工企业RTO炉的后期调查分析,发现大部分企业RTO炉在运行一段时间后,蓄热床层底部有二次污染物大量积聚(如图2)、黏附现象,易造成蓄热床层底部堵塞,引发火灾等安全事故。以江苏盐城某医药企业为例,经过取样试验分析发现,该二次污染物具有以下特性:

1)良好的水溶性,同时易溶于乙醇;

2)滴加碱液后有明显有机胺异味;

3)马沸炉中加热至250℃后发生升华现象(如图3),直接在炉壁结晶,加热至300℃发生不完全燃烧;

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4)水溶液COD高达数万mg/L,且水溶液含有大量氯离子。

综上所述初步预计为三乙胺盐酸盐,针对该类企业,RTO蓄热床层底部建议增设清洗装置,对底部蓄热陶瓷体定期清洗,避免有机物黏附现象的产生。

2.3RTO炉体压力泄放设计

RTO炉蓄热床层堵塞或某一时间段废气浓度骤升时,RTO燃烧室存在超压的风险,因此,RTO燃烧室上应设置泄压阀,并在RTO进出口管路设置压差检测装置,根据现场实际情况设置压差参数,与RTO控制程序联锁,当进出口管路的压力差值大于设定值时,及时打开泄压阀泄压。

2.4LEL在线监测设置

RTO系统上应设置LEL在线监测,用于实时监测待净化废气浓度值,当废气浓度瞬时值超过设定安全值后,采取稀释、走旁通等应对措施,避免高浓度废气直接进入RTO炉体从而引发安全事故。LEL在线监测的安装位置和选型应从时效性、准确性等方面考虑,确保RTO系统能够及时、有效的做出应对措施,江苏常州某医药企业RTO入口LEL在线监测连续检测数据如图4所示。由图4检测数据可知,该医药企业废气总管混合废气浓度波动性大,该时间段混合废气浓度峰值在爆炸下限的27.3%,超过爆炸下限的25%,因RTO系统响应及时,避免了安全事故的发生。

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2.5UPS备用电源和压缩空气储气罐的设置

RTO系统突然断气断电情况下,若RTO控制程序完全失电失气,RTO控制界面各关键节点参数无法实时反馈,阀门切换不到位,存在废气燃烧、爆炸等安全隐患,因此,RTO系统应设置UPS备用电源和压缩空气储气罐。

三、RTO系统调试

3.1RTO系统空载调试

RTO系统启动,引小股新鲜空气进入RTO炉膛内进行预吹扫模式,RTO炉膛内气体完全置换数次后,RTO系统切换到升温、换热工序,待RTO氧化室温度升到760℃以上,稳定运行一段时间后开始接入废气。

3.2RTO系统进气调试

首先接入低浓度有机废气,如企业污水池、固废库废气等,再逐步接入车间高浓度废气,同时对拟接入废气的浓度进行24小时连续检测,如某股废气浓度超标,必须对该股废气进行剖析,找出原因并及时解决,确保每股废气在爆炸下限的25%以内进入RTO炉。

3.3RTO系统运行调试

所有废气都接入完成后,现场调试工程师应在RTO系统运行前期密切观察运行情况,及时解决突发性事故,做好记录,并对企业RTO操作人员进行RTO操作及安全培训,待RTO操作人员熟悉RTO系统操作及注意事项,系统稳定运行一段时间后方可移交企业。

四、总结

综上所述,精细化工行业废气组分复杂,波动性大,废气净化存在一定的安全风险,因此,建议企业委托专业的废气治理设计单位,针对企业生产过程中产生的不同性质有机废气进行“分类收集、分质净化”;其次,RTO供应商应根据企业实际情况,优先从安全性角度考虑,合理化进行RTO系统设计,避免爆炸、泄漏等安全事故的发生。

来源: VOCs治理减排技术



标签:   蓄热式热氧化炉 催化燃烧