RTO 所用爆破片的设计选型

2022-07-02吴仁杰李雅君林滔谢智煌林翔

能源与环境 2022年3期

吴仁杰李雅君林滔谢智煌林翔

（福建龙净环保股份有限公司福建龙岩 364000）

0 引言

挥发性有机化合物（VOCs）是熔点低于25 ℃且沸点在50 ℃～260 ℃的有机化合物的总称［1］。随着国内各类工业的不断发展，所排放出的VOCs 日益增加，特别是在化工、喷涂、印刷等行业。近些年治理VOCs 得到国家和地方重视，相继出台各种治理VOCs 的政策和标准，相关治理手段快速发展。

目前以热焚烧炉和催化燃烧炉为主要设备的燃烧法是市面上主流的VOCs 治理方法［2］。而蓄热式热力燃烧炉（RTO）是热力燃烧销毁VOCs 气体的核心设备。

在RTO 净化VOCs 废气的过程中，若入口废气浓度过高或蓄热体堵塞，在RTO 内局部积累了高浓度废气，遇到明火或高温热源会发生爆燃。为防止爆燃对RTO 设备及上下游管道造成危险，需要设置爆破片等安全泄放装置。然而对于RTO 设备上的爆破片选型，现有资料在计算方法上仍是一片空白，因此本文给出了一种针对RTO 设备爆破片的选型计算方法，为RTO 设计选型提供参考。

1 RTO 安全简析

RTO 的工作原理为在高温下将废气中的有机物氧化成CO2和H2O，并回收废气分解时所释放出来的绝大部分热量。RTO 因其较高的净化效率和热效率以及低运行成本得到广泛应用，但在其使用过程中由于高温、明火等原因时常发生火灾、爆炸等安全问题。

由于RTO 本身是一个点火装置，当进入RTO 的废气浓度过高或蓄热体堵塞等原因造成RTO 内局部VOCs 浓度达到一定限度，一旦遇到燃烧机、高温蓄热体等热源，废气将在RTO中发生爆燃，进而可能导致RTO 爆炸、管道回火等重大安全事故。本文摘录了部分安全事故进行统计，详见表1。

工程上为降低废气浓度波动对RTO 的影响，一般会在废气源设置在线浓度检测仪、旁路阀等措施避免浓度失常的废气进入RTO。此外，许多厂家为防止蓄热体堵塞增设了在线除焦、高温反吹等措施，一定程度缓解了蓄热体的堵塞情况。

以上措施可以大幅降低燃烧室出现高浓度废气的频率，但这些方法难免会失效，无法保证该情况不再发生。为了减轻高浓度废气在燃烧室内爆燃产生的破坏，需要为RTO 设置最后一道防线——安全泄放装置。由表1 中的事故整改方案可以看出，安装爆破片等泄放装置是应对RTO 爆炸的优良解决方案。近期出台的许多VOCs 相关治理规程中也出于安全性的考虑，将“RTO 等燃烧设备必须安装爆破片等安全泄放装置”写入技术规范中［3］。所以，在RTO 上安装安全泄放装置既是保安全的手段，也是合法合规的要求。

表1 部分RTO 事故统计表

2 安全泄放装置的选择

RTO 上所安装的泄放装置既需要适应RTO 的工作环境，又要很好地完成泄爆工作。RTO 燃烧室内充满了高温气体，在正常运行时需要泄放装置有较好的密封性，减少高温气体的泄漏。当燃烧室出现爆燃情况时，燃烧室内压力上升的速度很快，所以泄放装置需要快速反应开启，通过泄压的方式降低爆燃的危险性。由于RTO 并非密闭容器，在燃烧室内部的压力较低，因此，低设计压力同时具有密封性好、反应迅速两个特点的泄放装置，方可在RTO 设备上应用。

工程上使用较多的泄放装置主要是安全阀和爆破片。安全阀是一种利用介质本身的力来排出额定数量的流体以防止压力超过安全值的阀门［4］，当压力下降到安全范围内将自动关闭。虽然安全阀可多次使用，但灵敏度不高，即使依靠压力检测系统进行控制，动作时间也需要0.01 s。而爆破片是依靠介质出入口静压差驱动膜片发生破裂或脱落以排放高压介质的一次性泄压装置，动作时间仅需0.001 s［5］，虽然使用一次后需要停机更换，但其结构简单，采用法兰固定的爆破片安装较为方便。

不难发现，爆破片的特性非常契合RTO 对泄放装置的要求，在RTO 相关工程上使用较多。爆破片的设计压力与面积密切相关，RTO 设备所需爆破片的设计压力较低，其面积就需要比一般的爆破片更大。目前常用的正拱形、反拱形爆破片由于其低设计压力制造困难，因而低设计压力、大面积的爆破片其一般形式为平板型。

3 RTO 爆破片的选型计算

生产厂家进行爆破片生产主要需要2 个参数：设计压力和最小泄压面积，其他如材质等依工况要求选取即可。

3.1 爆破片设计压力

爆破压力是指在规定的爆破温度下，爆破片破裂时两侧的压力差值［6］。在数值上等同于设计压力。

目前设计爆破压力的确定有2 种方法：①根据介质的性质来确定，即通过已有文献资料或计算方法将一定温度下介质的爆炸极限与爆炸压力联系起来，得到工况下介质的最大爆炸压力，再根据文献［6］中的制造范围和压力允差将该值进行转化后，得出爆破片的设计压力。②经验法，目前RTO 炉膛内的工作压力不高，因此所使用爆破片的设计压力也相对较低，并有着一定的经验取值趋向。一般情况下RTO 设备爆破片设计压力取0.01 MPa～0.02 MPa，常用的值有0.015 MPa、0.020 MPa等，取值同样需要根据具体情况进行分析判断。

3.2 爆破片最小泄压面积

最小泄压面积是指用于排放流体的最小横截面积的流通面积。一般在计算厂房等大空间环境，则依靠泄压面积与泄压比的关系进行计算［7］，而对于密闭压力容器，其最小泄压面积可通过计算安全泄放量得到最小泄压面积［8］。

安全泄放量的计算式如式（1）。

式中：WS为安全泄放量，kg/h；ρ 为介质密度，kg/m3；v 为压力容器入口气体流速，m/s ；d 为压力容器入口管直径，mm。

在使用式（1）计算得到安全泄放量之后，即可利用式（2）计算容器的最小泄压面积。

式中：A 为最小泄压面积，mm2；K 为泄放装置的泄放系数［8］；pf为泄放装置的泄放压力（绝压），MPa；k 为气体绝热系数，可以通过k=CP/CV计算得到；p0为泄放装置出口侧压力（绝压），MPa；Z 为气体压缩系数，确定温度和压力后可运用三参数对比态法计算；Tf为气体泄放温度，K；M 为介质摩尔质量，g/mol。

通过式（2）计算得到爆破片最小泄压面积后，一般根据工况将A 放大圆整为常用的爆破片规格，得到爆破片的实际泄压面积。

选定爆破片类型，确定好爆破片的设计压力和面积后，向爆破片生产厂家提供相关数据，即可生产出目标爆破片。

3.3 计算实例

现以某制药厂VOCs 项目作为实例，演示爆破片设计选型思路。

RTO 入口废气为5 g/m3的VOCs 废气，主要成分为苯、甲苯、乙酸乙酯等，处理风量为30 000 m3/h，切换阀直径850 mm，爆破片排放侧为大气。

没有特殊要求，爆破片类型选用平板开缝型即可。

首先为爆破片设定工作温度，RTO 燃烧室最高可达到1 000 ℃，则设定爆破片的泄放温度Tf为1 100 ℃，即1 373 K。

接下来通过上述2 种方法分别确定爆破片的设计压力。

（1）通过介质性质确定设计压力。由于难以得到各个温度压力下对应的各类有机物爆炸极限与最大爆炸压力的函数关系，因此以苯为主体，简化废气情况进行计算。通过文献［9］得到苯的最大爆炸压力与体积浓度比的关系如式（3）。

式中：PMAX为最大爆炸压力，MPa；η 为苯体积浓度百分比。

首先使用化工热力学中三参数对比法，得到密度ρ 和体积百分比η。再将η 代入式（3）得到PMAX。

结合文献［6］中的爆破片制造范围和压力允差，得出爆破片的设计压力为0.3 MPa，再得到爆破片的绝对泄放压力pf。

由RTO 风量Q 和切换阀直径d，得到切换阀处的气速v，利用式（1）计算得到安全泄放量Ws。

根据文献确定K、k 和Z 的值后代入式（2），得到爆破片的最小泄放面积A。再对A 进行适当放大和圆整，得到实际正方形爆破片的边长为200 mm。以上所有计算数值见表2。

（2）通过经验值确定设计压力。RTO 所用爆破片的设计压力经验值一般有0.010 MPa、0.015 MPa 或0.020 MPa 等。在本示例中，将以0.020 MPa 作为爆破片设计压力经验取值。

通过设计压力可确定爆破片的绝对泄放压力pf。爆破片最小泄放面积的计算方法与上文相同，计算过程不再赘述，对A进行放大圆整，得到实际正方形爆破片的边长为300 mm，具体计算数值见表2。

表2 计算数值一览表

4 爆破片选型结果分析

通过介质性质计算爆破片设计压力0.30 MPa，面积200 mm×200 mm；通过经验值计算得到的爆破片设计压力0.02 MPa，面积300 mm×300 mm。二者的计算结果在设计压力上相差非常大，而爆破片面积的结果相对比较接近。造成如此大差异的原因主要有①RTO 并非压力容器；②介质性质无法准确得到，只能以参考值计算。

由于RTO 是非密闭容器，因此以密闭条件计算出的设计压力会偏大许多，从而导致爆破片的面积偏小。另外，在最小泄压面积的计算上同样需要注意，此法得到的是密闭容器的最小泄压面积，因此在RTO 爆破片选型时需要将其进行放大，留出余量。

工程上废气的成分较为复杂，难以进行准确的鉴定，同时废气的产生又受前端流程的影响，不仅是废气的组成就连废气的浓度都难以维持在稳定的范围内，因此无法准确计算出实际废气的爆炸极限和最大爆炸压力。另外，目前涉及VOCs类气体爆炸极限与最大爆炸压力关系的相关文献较少，而对800 ℃的高温下相关参数的研究更是寥寥无几，这导致介质性质计算无法使用准确的数据，因而最后的结果会与经验值法相差甚远。

在计算思路上介质性质法的计算会更严谨一些，但受限于目前文献资料的缺少，很多需要用准确值计算的数据都只能使用相近的参考值代替，这可能导致最终结果与真实情况相差较大，导致其实际应用价值大幅下降，但其计算思路完全可以作为工程选型的参考。而经验值法是目前较多设计者在工程项目中使用的方法，虽然在计算方法上未经过严谨的数学验证，但其计算结果可以满足工程需要，在尚未出现更准确的计算方法前仍可沿用此法。