蓄热式热氧化废气处理工艺的安全设计问题探讨

2020-12-10孙浩

上海节能 2020年11期

孙浩

浙江天地环保科技股份有限公司

0 前言

随着各地挥发性有机化合物（VOCs）排放要求的提高，各个地方和企业都在不断地加大环保投入，多数企业通过安装末端治理设施实现达标排放。实用的VOCs末端治理技术众多，主要包括吸附、燃烧（蓄热式燃烧［RTO］、催化燃烧［RCO］、直接燃烧［TO］）、吸收、冷凝、生物处理和组合技术。VOCs废气成分复杂多样，通常为多种易燃、易爆的混合有机气体，前期的技术工艺选择不到位、考虑不充分或废气处理装置的投用管理和控制不专业，往往会带来新的安全隐患。比如，活性炭吸附箱内活性炭自燃以及危废处理问题、RTO装置爆炸问题、低温等离子装置电晕放电着火问题。RTO作为一种高效的有机废气处理技术，受到多地环保部门和企业的热捧。RTO技术适用于中高浓度、成分复杂的有机废气处理，具有处理效率较高、基本无二次污染、运行稳定等优点，广泛应用于石油化工、化学制药、喷涂等行业。但在RTO使用过程中，因安全设计考虑不足和操作运行不当，也出现例如RTO失火、爆炸等安全问题。本文根据RTO项目设计经验及以往RTO安全事故分析，就RTO主要安全措施设计进行讨论。

1 安全措施设计

有机废气中大部分成分具有易燃性和爆炸性，在有机废气治理中安全性是首先需要考虑的因素。RTO炉安全设施应与主体工程同时设计、同时施工、同时投入使用。在用RTO炉时应补充进行安全风险评估论证，对于废气成分复杂的，应进行HAZOP分析并采取相应的安全措施。RTO技术应用上的局限性及环保企业设计水平参差不齐，在安全设计上考虑不足，造成了安全事故的发生。为了防止RTO安全事故的发生、降低事故损失，进行RTO安全设计的时候从以下几个方面考虑。

1.1 基础设计资料收集

企业有机废气成分复杂多样、气量不稳定，尤其精细化工等企业间歇性生产的特点，使得有机废气浓度和废气量都会有间歇性变化。因此，在技术资料搜集时，应根据企业实际，充分了解企业生产工艺和废气主要来源，合理选择设备设施。必须要了解废气正常、最大和最小浓度，明确工艺过程中有机废气的排放特点及可能存在的突发因素。

易反应、易聚合的有机物（例如苯乙烯）不宜采用蓄热氧化技术。

1.2 RTO装置总图位置选择

目前，对于新建企业有机废气处理设施，在整体总图布置上已考虑用RTO装置布置，设备运行稳定，未发生安全生产事故。但绝大部分企业属于提高有机废气治理效果，如新增RTO装置，因此在设计时，将RTO定义为明火设备，并严格按照GB50016-2014（2018版）、GB50160-2018复核RTO设备与企业内部各类设施的防火距离。新增的RTO装置可与厂内化工工艺装置视为联合装置，其设备、建筑物的防火间距应按相邻设备、建筑物的防火间距确定，其防火间距应符合国标规定。如果防火间距确无法满足国标规定，可考虑设置防火墙，或对原建筑物门窗洞口封堵，形成不燃烧实体墙，其防火间距可小于国标规定，但不得小于15 m。

1.3 有机废气收集及输送

对罐区储罐大小呼吸有机废气收集，要按照防火类别分类收集，并设水封罐，以保证整个储罐系统的安全。

由于有机物的爆炸下限随着气体温度的提高会大幅降低，同时化工企业有机废气的突发性排放，废气输送管道应在管道拐弯处加泄爆片，在装置界区处设置管道阻火器。废气输送管道材料的选择要考虑腐蚀、静电、成本等因素，金属管道应考虑防静电设计。

1.4 有机废气的前处理

对含有酸性气体的有机废气，需要通过二级洗涤塔去除废气中酸性气体，减少酸性气体对RTO炉体、阀门等设备腐蚀，同时洗涤塔也起到缓冲罐作用，避免有机废气局部区域出现混合不均匀，有机物浓度偏高。RTO蓄热体承重支架尽可能选择316L材质。

对于不含酸性气体的有机废气，要根据原始废气浓度，在废气入炉前设置缓冲箱，并在缓冲箱上设置应急稀释阀。RTO炉通过设置缓冲罐、调整风量等预处理设施，就可以严格控制RTO炉入口有机物浓度和流速，保证相对平稳、安全运行。

对于含尘废气要进行除尘，否则废气进入RTO炉内，造成炉内蓄热体阻塞，影响换热效率。

1.5 RTO装置安全设施及控制连锁设计

RTO炉是有机废气处理系统的核心设备，RTO安全性能指标的高低直接决定了系统的安全性的强弱，可重点关注以下几个方面的安全设计。

1）严格控制进入RTO炉的有机物浓度，入口浓度必须低于爆炸下限25%，这是预防爆炸的一个最直接有效的措施。进RTO系统前废气管道上装有废气浓度检测仪，仪表的位置需考虑RTO入口气动阀门的反应时间。浓度监测仪与稀释风阀、RTO风机、应急旁通阀、RTO入口气动阀等仪器设备之间设置必要的控制连锁。

2）RTO炉燃烧室设防爆口，以防止爆燃对炉体的损坏，起到瞬间泄压作用。

3）RTO炉燃烧室设热旁通，连锁控制中设置超温紧急打开热旁通阀，防止炉内温度过高导致爆炸。

4）燃烧器的选择。

燃烧器燃料有柴油、生产冷凝废液和天然气。当采用柴油和废液燃料时，需设二级过滤器，以防止燃烧器喷嘴堵塞，过滤网可以选100目不锈钢网。废液燃烧器烧嘴安装要设计一定的向下倾斜角度，防止燃烧后废液中颗粒杂盐堵塞耐火砖出火口。

5)RTO炉现场电气仪表设备应严格按照防爆等级设计，关键设备安全仪表系统应不低于SIL2标准设计，阀门根据工艺要求可选择气动阀。

6)RTO炉应设置PLC或DCS控制系统（视情况可设置安全仪表系统），对风机、阀门、燃烧器、炉膛和废气管道等设备设施的关键参数进行实时监控和连锁。

7）RTO炉应设置断电断气后进气阀、排气阀紧急关闭，防止烟囱效应引起蓄热层下部温度上升。

8）RTO炉应设置UPS备用电源和压缩空气储气罐。

1.6 废气应急旁路设置

RTO炉设计有浓度设计上限要求，为保证装置的安全运行常设计应急旁路，在废气浓度超出上限时，废气由应急旁路从烟囱排出。有机废气浓度短时间内超高，导致燃烧室温度急剧升高，在连锁切断有机废气后从旁路直接排至烟囱，高温尾气与高浓度有机废气直接混合，导致有机废气在排空管内有发生闪爆的可能，进而引发安全事故。

因此，在设计的时候，要根据企业生产工艺、废气浓度和成分综合考虑，是否设置应急旁路。如设置应急旁路，在逻辑控制上，要避免热旁通打开后，烟囱处于高温状态，废气由烟囱排放的工况存在。对于浓度较高且含有低燃点物质的应急排空管道，严禁与高温排空管道共用烟囱排放。设置应急旁路时，要保证气动旁路阀的密封性，否则会影响废气总排口的在线检测指标。应急旁路废气管线选材要注意防静电。