廢氣蓄熱式熱氧化爐裝置的安全優(yōu)化

隨著人們環(huán)保意識及政府層面對環(huán)保管理的加強(qiáng)，化工、制藥裝置及其罐區(qū)儲運(yùn)、污水處理等過程廢氣排放面臨更大的環(huán)保壓力。由于有些生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)存在成分復(fù)雜、濃度相對較低、濃度不穩(wěn)定等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的廢氣處理方法，如冷凝法、吸附法及膜分離法從技術(shù)或經(jīng)濟(jì)上是不可行的，而蓄熱式熱氧化爐技術(shù)由于處理工藝簡單、成本較低而被廣泛采用。蓄熱式熱氧化爐(ＲegenerativeThermalOxidizer，簡稱ＲTO)通常用于處理較低濃度的廢氣，一般廢氣濃度在1000～8000mg/m3，流程如圖1所示。圖1ＲTO裝置流程示意燃料氣和空氣按一定比例進(jìn)入爐膛上部燃燒，維持爐膛需要的燃燒溫度。較低濃度的有機(jī)廢氣經(jīng)過轉(zhuǎn)閥進(jìn)入爐內(nèi)，經(jīng)較高溫度的蓄熱材料加熱升溫后，在爐膛頂部空間約815～850℃溫度下燃燒，將廢氣中的VOCs氧化成CO2、H2O，燃燒后的高溫?zé)煔饨?jīng)爐內(nèi)相對一側(cè)通道的蓄熱材料冷卻后，經(jīng)轉(zhuǎn)閥排至大氣。隨著轉(zhuǎn)閥的旋轉(zhuǎn)，爐膛內(nèi)的蓄熱材料不斷地加熱和被加熱，作為傳熱媒介，實(shí)現(xiàn)冷、熱流體的間接換熱。近年來，ＲTO裝置在運(yùn)行過程中多次出現(xiàn)爆炸事故。因此，該類環(huán)保裝置的安全問題不容樂觀。案例江蘇某化工企業(yè)ＲTO裝置江蘇某化工企業(yè)ＲTO裝置于2015年3月8日和3月27日發(fā)生兩次爆炸。事故沒有造成人員傷亡，但廢氣引風(fēng)機(jī)損壞，現(xiàn)場儀表燒毀，ＲTO裝置損毀嚴(yán)重。該企業(yè)ＲTO裝置主要處理儲罐廢氣，廢氣經(jīng)壓縮冷凝后再用空氣稀釋后燃燒處理。此次事故發(fā)生的直接原因是氣體冷凝溫度較高，冷凝后氣相中的有機(jī)化合物含量增高，廢氣收集管道上稀釋的配風(fēng)空氣不足，導(dǎo)致進(jìn)入ＲTO廢氣的濃度達(dá)到爆炸極限。發(fā)生的間接原因是廢氣收集管道上未設(shè)置在線廢氣濃度檢測儀及防爆泄壓設(shè)施。整改措施如下:①在廢氣收集管道上安裝在線廢氣濃度檢測儀，濃度控制在1000～5000mg/m3;②在廢氣收集管道等節(jié)點(diǎn)上安裝泄爆膜片。山東某企業(yè)ＲTO裝置2019年5月，山東某企業(yè)ＲTO裝置在運(yùn)行過程中因廢氣濃度突然升高引發(fā)了爆炸，事故沒有造成人員傷亡，ＲTO爐體本身未損壞，但引風(fēng)機(jī)及進(jìn)爐管道全部爆裂損壞。該裝置廢氣來源包括儲罐高濃度的罐頂廢氣與污水池的廢氣，并設(shè)有在線廢氣濃度檢測儀，管道直徑600mm，在線廢氣濃度檢測儀距離廢氣切斷閥距離為38m，閥門關(guān)閉與在線廢氣濃度檢測儀分析時(shí)間總和約3s;引風(fēng)機(jī)材質(zhì)為玻璃鋼。在廢氣進(jìn)ＲTO爐前設(shè)有1個(gè)DN150mm爆破片，廢氣進(jìn)ＲTO爐前設(shè)置了阻火器，但阻火器阻火性能未經(jīng)驗(yàn)證合格。事故發(fā)生的直接原因是廢氣濃度突然升高。從爆炸后現(xiàn)場的情況分析推出事故發(fā)生的間接原因:①廢氣切斷閥閥板明顯受到靠近爐側(cè)的沖擊壓力而彎曲，說明高濃度廢氣通過在線廢氣濃度檢測儀后，雖引發(fā)停車聯(lián)鎖，但廢氣切斷閥未全部關(guān)閉;②阻火器性能不符合要求，未能有效隔離能量，造成閃爆事件的發(fā)生;③由于風(fēng)機(jī)材質(zhì)為玻璃鋼材質(zhì)，高濃度廢氣與高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)機(jī)葉輪摩擦產(chǎn)生靜電，引起風(fēng)機(jī)及入口管道粉碎性損壞。整改措施如下:①從源頭上將儲罐高濃度的罐頂廢氣與污水池的廢氣分開，高濃度罐頂廢氣另行處理;②將在線廢氣濃度檢測儀距離廢氣切斷閥距離延長為60m，確保出現(xiàn)高濃度廢氣后廢氣切斷閥有足夠的關(guān)閉時(shí)間;③風(fēng)機(jī)材質(zhì)改為不銹鋼;④爆破片增為2個(gè);⑤阻火器改為經(jīng)過認(rèn)證的產(chǎn)品。2019年9月份改造后開工，在后續(xù)引發(fā)聯(lián)鎖停車的情況下未發(fā)生次生事故。安徽某制藥廠ＲTO裝置2019年6月16日安徽某制藥廠ＲTO裝置因廢氣中甲醇濃度突然升高導(dǎo)致爆炸，爆炸聲前后2次，間隔時(shí)間較短，一處位于ＲTO爐及相鄰風(fēng)機(jī)，另一處位于系統(tǒng)前端廢氣收集管道。事故導(dǎo)致ＲTO右側(cè)蓄熱室鋼結(jié)構(gòu)、保溫棉、蓄熱陶瓷和ＲTO近端的引風(fēng)機(jī)、風(fēng)管嚴(yán)重?fù)p壞。分析認(rèn)為:①該裝置未安裝實(shí)時(shí)廢氣濃度檢測儀，不能及時(shí)檢測并切斷高濃度廢氣，造成高濃度廢氣在爐內(nèi)蓄熱材料中升溫過程發(fā)生爆炸;②該裝置未安裝阻火器，不能阻斷爆燃的廢氣回火至廢氣收集部分;③廢氣輸送管道及風(fēng)機(jī)均未采用可導(dǎo)電材質(zhì)，廢氣與高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)機(jī)葉輪摩擦產(chǎn)生靜電且靜電無法導(dǎo)出，引發(fā)了系統(tǒng)前端廢氣的爆炸。整改措施如下:①增加在線廢氣濃度檢測儀，并與廢氣切斷閥、放空閥聯(lián)鎖;②在ＲTO前端和廢氣收集端設(shè)置阻火器，廢氣管道每隔一定距離必須設(shè)置爆破片，爆破片壓力低于廢氣管道承受的壓力，以便爆炸發(fā)生后及時(shí)泄壓，減少損失;③風(fēng)機(jī)、風(fēng)管等輸氣設(shè)備在防腐蝕的情況下考慮靜電接地。ＲTO裝置的安全優(yōu)化建議

上述事故案例均表明這些ＲTO裝置均存在不同程度的設(shè)計(jì)缺陷，特別是ＲTO裝置的安全設(shè)計(jì)未能得到足夠的重視。吸取以上事故教訓(xùn)，并結(jié)合中國石化齊魯分公司多套ＲTO廢氣處理設(shè)施的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，提出了ＲTO裝置需考慮的以下安全建議。儲罐的罐頂廢氣不宜與污水池的廢氣混合處理當(dāng)可燃性氣體或液體蒸氣與空氣(或氧)在一定范圍內(nèi)均勻混合，遇到火源時(shí)會(huì)發(fā)生爆炸，這個(gè)濃度范圍即為其爆炸極限。最大允許氧含量是指當(dāng)給以足夠的點(diǎn)燃能量能使某一濃度的可燃?xì)怏w或液體蒸氣剛好不發(fā)生燃燒爆炸的臨界最高氧濃度，即為爆炸與不爆炸的臨界點(diǎn)。在整個(gè)爆炸極限范圍內(nèi)，爆炸上下限與最大允許氧含量的最大值、最小值是一一對應(yīng)的關(guān)系;其最大允許氧含量的最小值在數(shù)值上等于處于下限濃度的可燃物剛好完全反應(yīng)所需要的臨界氧含量。為治理化工異味，揮發(fā)性物料儲罐一般采用氮封保護(hù)，并設(shè)置呼吸閥。儲罐廢氣組分主要是罐內(nèi)VOCs和氮?dú)?，不含氧氣。而污水池廢氣主要是空氣，還含有少量(一定量)的揮發(fā)性氣體。當(dāng)儲罐排放的廢氣與污水池廢氣混合后，有可能達(dá)到VOCs的爆炸范圍和氧含量的范圍要求，在一定的能量或溫度下，就會(huì)發(fā)生爆炸。因此，這兩類氣體不宜混合處置。廢氣管道上在線廢氣濃度檢測儀與廢氣切斷閥的距離目前，ＲTO裝置在線廢氣濃度檢測儀一般都設(shè)置2個(gè)(見圖1)，并且在在線廢氣濃度檢測儀后一定距離處設(shè)置廢氣切斷閥。當(dāng)高濃度氣體經(jīng)過在線廢氣濃度檢測儀后，廢氣切斷閥應(yīng)在高濃度氣體到達(dá)前完全關(guān)閉。即在線廢氣濃度檢測儀到切斷閥的距離應(yīng)大于在線廢氣濃度檢測響應(yīng)時(shí)間和廢氣切斷閥關(guān)閉時(shí)間總和內(nèi)氣體流經(jīng)的管道長度。新風(fēng)稀釋及風(fēng)機(jī)控制為降低爆炸風(fēng)險(xiǎn)，ＲTO裝置應(yīng)增加相應(yīng)的邏輯控制，即當(dāng)檢測到高濃度氣體時(shí)，ＲTO裝置觸發(fā)聯(lián)鎖停車，即廢氣緊急排放閥打開，廢氣切斷閥關(guān)閉，新鮮空氣閥門打開，主風(fēng)機(jī)降低風(fēng)量運(yùn)行，確保爐內(nèi)一直進(jìn)入較低濃度的氣體。阻火器與爆破片問題阻火器是非常重要的安全附件，阻火器必須經(jīng)過安全鑒定，確定其是否符合要求，不合格的阻火器將不能有效隔離能量的傳播，而導(dǎo)致閃爆事件。若爆破片爆破壓力和爆破面積不當(dāng)，不能有效釋放能量，從而造成設(shè)備爆炸損壞等事故后果。較低的爆破壓力以及廢氣管道上多個(gè)爆破片的泄能部位，能有效防止設(shè)備和管道損壞，減少事故的發(fā)生。操作壓力選擇考慮到某些廢氣為有毒氣體，為防止正壓狀態(tài)下氣體泄漏對現(xiàn)場人員的人身傷害，ＲTO的操作壓力建議采用微負(fù)壓操作。同時(shí)，應(yīng)根據(jù)泄漏露點(diǎn)的位置設(shè)置相應(yīng)的有毒氣體檢測儀，泄漏點(diǎn)也應(yīng)安裝爆破片。儲罐呼吸閥與出口廢氣輸送管道連接采用非接觸廢氣罩為減小儲罐的安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，儲罐呼吸閥與出口廢氣輸送管道之間建議采用集氣罩連接，集氣罩后端帶有止回閥和阻火器，可防止氣體回流、回火，隔斷能量的傳遞，在一定程度上防止事故狀態(tài)下事態(tài)擴(kuò)大。風(fēng)機(jī)材質(zhì)選擇由于防腐蝕需要，有的風(fēng)機(jī)葉輪材質(zhì)選為非金屬，容易產(chǎn)生靜電，導(dǎo)致事故發(fā)生，建議選為金屬材質(zhì)。結(jié)語ＲTO廢氣處理工藝作為一種廣泛使用