阻火器在VOCs治理上的应用和选型

王 萌,冯建东

(北京航天动力研究所,北京 100176)

2013年发布的《大气污染防治行动计划》(简称“大气十条”)的第一阶段目标中提出的挥发性有机污染物(VOCs)减排与控制工作取得了重要的进展和突破。各地VOCs 的污染防治工作得到了全面加强，并已经成为国内大气污染防治的重点工作之一。以改善环境空气质量为核心，以重点行业和重点污染物为主要控制对象，推进VOCs与NOx协同减排，明确提出到2020 年，建立VOCs污染防治管理体系，实施重点地区、重点行业VOCs污染减排，排放总量减少10%以上。

在化工生产、储存和运输的过程中，VOCs无组织排放约占企业总排放量的1/3。2014年12月，国家发布实施《石化行业挥发性有机物综合整治方案》，明确要求全国石化行业应将VOCs的治理与监控纳入日常生产管理体系，随之而来便是以“三桶油”(中石化、中石油、中海油)为代表的全国各石化行业的VOCs治理的改造项目全面启动。由于其在处理过程中伴有气体焚烧，或由于VOCs中可燃气体的大量传输和储存，势必会给安全生产带来隐患。阻火器作为一个可以有效阻止火焰传播蔓延的安全装置，已经成为了VOCs废气治理过程中至关重要的安全和环保设备。随着国家安全和环保法规日益严格，阻火器已经成为了储罐区改造的必不可少的装置。如何选择性能安全可靠且适合改造项目的阻火器，已经成为各石化厂、设计院及国家安全环保监督部门越来越重视的一环。

1 阻火器的介绍

1.1 阻火器的结构

阻火器是一种适用于封闭空间开口处或管道中的设备，其在允许流体通过的同时又能阻止火焰的传播(ISO 16852)。阻火器结构简单，能有效阻止火焰在管道中蔓延，消除储罐或装置由于回火等情况带来的安全隐患。阻火器的主要组成部分为壳体和阻火元件两部分，其结构见图1。

1.2 阻火器的工作原理

阻火器的工作原理可以从宏观和微观两个方面来解释。从宏观上来讲，阻火器的阻火过程是一个热传导的过程，通过阻火元件来的火焰与阻火元件的接触过程即为一个热传导的过程，当火焰的温度降低到一定程度时便被熄灭，便完成了阻火的功能；从微观上来解释，阻火器阻火的过程是一个器壁效应，从微观上看,燃烧和爆炸是外来能源的激发下使分子分裂为十分活跃的自由基后产生的化学反应。阻火器通过减小通道的尺寸，增加自由基与器壁碰撞，减少火焰自由基相互反应的过程，当通道尺寸减小到某一数值时，火焰即被阻止反应，从而熄灭。

1.3 最大试验安全间隙

通过对器壁效应的理解，可以设计出满足各种工况和介质的阻火器，满足工业上的需要。为了针对不同介质设计不同的阻火元件，国际上对不同介质引入了最大试验安全间隙MESG(Maximum Experimental Safe Gap)的测试试验。根据IEC60079-20-1-2010中的试验方法见图2。

通过火花塞对内腔可燃气体介质进行点火，调节微调旋钮来改变可调间隙，并观察介质的点燃情况，来找到可燃气体介质的最大试验安全间隙，从而将介质划分组别进行分类管理，常见介质组别分类见表1。

表1 常见介质组别划分及特征气体试验比例

确定可燃介质的组别后，针对每一组别的介质，均可以设计相对应的阻火器可供项目使用选择。

1.4 阻火器的分类

阻火器的分类可以按照阻火元件的种类和阻止火焰燃烧的类型两种情况来进行区分。

(1)按照阻火元件分类。阻火器按照阻火元件的类型主要分为两大类：湿式和干式。湿式阻火器常用的为液封或者水封，通过使用不同液体的介质来阻止火焰的传播；干式多采用波纹板、多孔板、金属丝网、砂石填充等阻火元件来进行阻火，几种常见干式的阻火元件见图3。

图3 几种常见干式的阻火元件

图3中的波纹板式阻火元件在化工行业最为常用，其使用工况范围广，在满足阻火需求的情况下可以提供更畅通的通气量。

(2)按照阻火类型分类。火焰在燃烧的过程中,由于在受限空间中传播的加速和压力的积聚，会出现爆燃和爆轰两种火焰状态。爆燃是化学反应已燃气体通过热传导、扩散和辐射的方式，使未反应的可燃气体达到燃点;爆轰是在受限空间的冲击波的作用下，可燃气体被强烈地冲击压缩，在波阵面上，温度迅速提高，从而引发化学反应,其放出的能量支持波阵面运动。两种状态下的火焰速度、燃烧压力等特性会有所不同(见表2)。

表2 火焰的传播特性对比

根据两种火焰传播特性的不同，阻火器可分为阻爆燃型火焰阻火器和阻爆轰型火焰阻火器。同时，由于阻火器在实际安装过程中的位置不同，安装于管道端部或储罐顶端的阻火器仅需阻止因大气中闪电点燃的外部可燃气体或阻止火焰回火的情况，火焰不会经过受限的空间进行传播和压力积聚，所以管端的阻火器仅需阻止爆燃型火焰。按照阻火类型的分类见图4。

图4 阻火器的分类

实际应用中，可以根据阻火器安装位置的不同,设计使用最为合适的阻火器。

2 阻火器在VOCs治理上的工艺设计

2.1 火焰在管道中的传播

在VOCs治理上，阻火器的应用常会设计在气体火炬系统或焚烧系统等管道中,用于阻止火焰的蔓延，保护整个系统的安全。根据火焰在受限空间中的传播特性，当可燃气体被点燃后，火焰在系统管道中传播的过程见图5。

图5 火焰在管道中传播的过程

2.2 阻火器在VOCs治理上的工艺设计

虽然阻爆轰阻火器既可以阻止爆轰火焰，也可以阻止爆燃火焰，但其势必会给整个系统带来很大的阻力降，造成大量的压力损失。根据火焰在管道中传播的特性，在设计阻火器的安装位置时，应该优先考虑将阻火器设置在火焰发生爆燃的位置。由于火焰爆燃和爆轰的特性不同，需在火焰发展成为爆轰之前将其熄灭,才可确保整个系统具有更高的安全性和更小的压力损失。若由于系统设计无法在火焰的爆燃阶段设计阻火器将其熄灭，应考虑将阻火器设计在尽量远离点燃位置，让火焰形成稳定爆轰后将其熄灭，也可以避免给整个系统带来更大压力损失。

3 阻火器在VOCs治理上的选型

3.1 阻火器的介质组别

VOCs处理程中的挥发性有机物，比较常见的有苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、三氯乙烯、三氯甲烷、三氯乙烷、二异氰酸酯(TDI)、二异氰甲苯酯等。介质包含多种可燃气体的混合气，通过计算得到混合气体的MESG计算值后,确定混合气体的介质组别。根据NFPA497—2008中混合气体MESG经验公式计算：

式中,MESGmix为混合气体MESG计算值;Xi为某一组分含量;MESGi为Xi组分对应的MESG值。

根据MESG的测试试验确定介质组别划分通过确定不同可燃介质所属组别后，针对每一组别的介质，均有相对应的阻火器阻火元件可供选择使用，从而满足阻火需求并最优化阻火器的通气量，减小阻火器带来的阻力降，尽量不要越级选择，避免给系统带来更大的压力损失，降低工艺系统的气体流通能力。

3.2 阻火器的阻火型式确定

确定了阻火器的介质组别后，根据阻火器安装位置的不同，选择管端型阻火器或者管道型阻火器。在选择管端型阻火器时，由于管端阻火器一般安装于储罐或者管道的最顶端部，建议尽量安装带防雨罩的阻火器，以避免由于雨雪天气中雨水的倒灌对储存介质或者设备造成污染等情况，建议安装图6所示的管端阻火器。

图6 管端阻火器产品

另外，在选择储罐顶部或管道顶端的阻火器时，尽量避免在阻火器的顶端增加排放管道或者短节等情况，防止火焰在管道或短节等受限空间中的传播带来的火焰性质的变化等隐患。若阻火器安装于火炬、风机、焚烧系统或活性炭吸附系统等有潜在点火源的管道中，根据火焰燃烧的类型不同来选择阻止不同类型火焰的阻火器。根据ISO16852—2016对阻爆燃试验阻火器安装位置的要求及前文分析的火焰在管道中传播时的特性，阻火器阻止火焰类型的选择可以量化成火焰的点燃位置距离阻火器的距离L与阻火器口径D的比值L/D的关系。对于 IIA1、IIA、IIB1、IIB2 和 IIB3 类介质的阻火器，当L/D≤50时，可以选择阻止爆燃型火焰的阻火器(见图7)，对于IIB和IIC类介质的阻火器;当L/D≤30时，可以选择阻止爆燃型火焰的阻火器。选择阻止爆轰型火焰的阻火器(见图8)时，为了尽量避开火焰产生不稳定爆轰的状态，将阻火器安装于尽量远离点火源的位置，业内认为尽量将阻火器安装于L/D>120的位置可以有效避开火焰的不稳定爆轰状态，在火焰变成稳定爆轰的平稳状态后将其熄灭。

图7 管道爆燃型阻火器

图8 管道爆轰型阻火器

3.3 阻火器的资质认证

阻火器是VOCs治理系统中最为有效消除火焰隐患、阻止火焰蔓延风险的安全保护装置，在选用阻火器时，务必要选用安全可靠、性能优异的阻火器。为了确保阻火器的有效性，应选用通过阻火性能试验的产品，其应具备以下资质文件：①须通过由第三方机构出具的依据现行的ISO16852和GB/T 13347中相关试验标准规定的阻火器性能测试报告；②须具备权威机构出具的阻火器产品生产过程体系的质量保证证书;③阻火器产品一致性声明。

4 结语

本文介绍了阻火器作为安全保护装置在VOCs治理过程中的作为最后一道熄灭火焰、阻止火灾蔓延的屏障的重要性。在国家相关政策的严格要求和监督下，VOCs治理过程中安全保护装置的设计和选型成为了众多设计院和石化单位越来越重视的环节。本文旨在结合多个项目实际应用经验的前提下，介绍如何合理有效地设计阻火器的安装位置和选择安全、可靠、兼具经济节能的优异性能的阻火器的常用方法,供设计院和石化单位参考。