废气焚烧炉运行过程中的危险因素及安全措施

陈晶妮，倪亮(江苏国恒安全评价咨询服务有限公司，江苏 南京 210000)

0 引言

随着环保要求的提高，各地方对化工行业领域污染物排放加强了管控。高架火炬应当用于应急处置，不得作为日常大气污染处理设施。利用高架火炬处理的废气，仅限于工艺装置开停工、火灾事故、公用工程事故及其他事故等紧急状态下，无法进行有效回收的可燃性气体。化工企业为了达到环保的要求，增设尾气处置环保设施。

从目前化工企业尾气处理设施引发的安全事故案例可以看到，尾气处理设施运行过程中重点关注在环保达标问题而缺少必要的安全风险管控和安全措施，从而引发了各种安全事故。如江苏某化工企业蓄热式燃烧炉(RTO)装置于2015年3月8日发生爆炸，事故直接原因是气体冷凝温度较高，冷凝后气相中的有机化合物含量增高，废气收集管道上稀释的配风空气不足，导致进入RTO废气的浓度达到爆炸极限。间接原因是废气收集管道上未设置在线废气浓度检测仪及防爆泄压设施。2019年6月16日安徽某制药厂RTO装置因废气中甲醇浓度突然升高导致爆炸，可能的原因：(1)该装置未安装实时废气浓度检测仪，不能及时检测并切断高浓度废气，造成高浓度废气在炉内蓄热材料中升温过程发生爆炸；(2)该装置未安装阻火器，不能阻断爆燃的废气回火至废气收集部分。

因此，在增设尾气处理设施同时采取针对性的安全措施，对提升尾气处理设施的本质安全十分重要。

1 焚烧炉的种类

废气焚烧炉一般分为直燃式废气焚烧炉和蓄热式废气焚烧炉。

(1)直燃式废气焚烧炉(TO)。采用绝热高温焚烧方式，主要功能是将废气中的有机废物分解，生成CO2和H2O。如由霍尼韦尔UOP凯勒特燃烧技术与设备(上海)有限公司研发的直燃式废气焚烧炉，在运行温度950 ℃，在良好的烟气湍流设计的条件下，焚毁去除率可以大于99.99%(最差工况可保证不低于97%)。上海石化2015年安装使用直燃式废气焚烧炉，处理烃类废气，废气处理量2 000 Nm3/h；路博润添加剂(珠海)有限公司2012年安装使用立式焚烧炉，处理醇类废气，废气处理量1 926 Nm3/h，均运行良好。

(2)蓄热式废气焚烧炉(RTO)。采用蓄热式氧化焚烧技术，将挥发性有机废气经蓄热室吸热升温后，进入燃烧室高温焚烧，使废气氧化转化为CO2和H2O，再经过另外一个蓄热室蓄存热量后排放，蓄存的热量用于预热新进入的废气，经过周期性的改变气流方向从而保持炉膛温度稳定，相较于传统的直燃式氧化炉相比，具有热回收率高和有机废气去除率高的特点。目前精细化工企业在处理废气中已广泛运用该项技术。利民化工股份有限公司二期2018年安装使用废气蓄热焚烧炉，处理甲硫醇、污水站废气、废盐烘干等废气，废气处理量40 000 Nm3/h；百川化工(如皋)有限公司2017年安装使用废气蓄热焚烧炉，处理偏酐车间废气、偏酐三辛酯车间废气、醋酸酯车间废气，废气处理量50 000 Nm3/h，均运行良好。

2 焚烧炉运行过程的危险因素

焚烧炉运行过程与上游尾气密切相关，从尾气自身危险性、尾气收集系统以及焚烧炉运行过程进行整体安全风险分析，能够全面辨识危险因素。

2.1 尾气带来的风险

化工企业的尾气通常含有多种组份气体，各组份气体决定固有危险特性，常见尾气含有甲醇、二氯苯、一氧化氮等。甲醇属于易燃液体，爆炸极限范围5.5%～44%，闪点12 ℃；二氯苯，属于急性毒性吸入，类别3，职业接触限制(PC-TWA)50 mg/m3；一氧化氮，氧化性气体，类别1加压气体，急性毒性-吸入，类别3，职业接触限制(PC-TWA)15 mg/m3。由此说明尾气具有易燃、有毒、腐蚀等危险。

2.2 尾气收集系统运行风险

一般情况下，上游装置废气利用其自身压力排至焚烧炉，或者经气-液分离罐分液再经风机增压引进焚烧炉处置。在废气收集运输过程中产生如下风险：(1)对各废气收集的过程中，若未对废气进行适当的预处理措施，可能导致废气管线腐蚀破损、堵塞憋压等情况，导致废气管线故障，进而引发废气泄漏，可能引起火灾、中毒等事故；(2)各废气产生点的废气管线与废气总管之间、废气总管与废气缓冲罐之间若未加装阻火器等安全设施或阻火设施失效，在部分废气管线发生火灾事故的情况下，可能引燃整个废气系统，导致严重的事故；(3)各股废气中的污染物成分若存在互为禁忌的成分，在汇入总管后可能引发反应，导致管道内温度、压力上升，引起管道憋压，容易造成废气泄漏；(4)新增废气管线若不进行合理布置，不采取一定的防腐措施，可能导致管线腐蚀破损；(5)废气管线防静电、防火措施未安装完善，废气管线存在焊接安装缺陷等，可能导致废气泄漏引起火灾，甚至引起整个废气管线系统火灾。

2.3 焚烧炉运行风险

当达到爆炸极限值高浓度废气进入炉内蓄热材料，升温过程中可能发生爆炸，以下运行情况会导致废气浓度升高：(1)上游装置排放的废气要经过洗涤塔进行水洗降低废气浓度和温度，如果在水洗系统发生故障停车或是检修停工的情况下，仍然将废气排入焚烧炉装置，此时废气的有机物浓度和废气温度将严重超标；(2)上游装置发生激烈的工况波动导致排放大量废气，或是上游装置的事故紧急泄放气亦被送入焚烧炉装置处理，因为此时的废气中的有机物浓度、废气温度严重超标；(3)如果对废气管线的吸入点不进行有效的有机物浓度检测和报警，且当废气的有机物浓度超标时没有采取有效的浓度稀释、气体惰性化以及事故气缓冲和高空排放等措施。

焚烧炉装置采用天然气作为燃料，助燃废气的氧化过程。天然气属于易燃气体，如果通入焚烧炉装置的天然气压力过小，可能引起回火爆炸；通入的天然气如果控制不当导致过量，可能会引起装置燃烧室内形成爆炸危险环境；天然气一旦从管道内发生外漏，也可能引起燃爆事故。焚烧炉装置在点火失败进行二次点火的过程中，炉膛内可能已经形成了爆炸危险性气体环境，若不进行气体组分、氧含量的检测，直接点火可能引起爆炸。焚烧炉装置燃烧室内的燃烧器设计不合理造成燃烧效率低下，燃烧器未安装长明火装置或装置失灵，都可能造成燃烧室内出现爆炸危险环境，可能造成燃爆事故。焚烧炉装置的焚烧室内因进气量过大，燃烧器发生故障，蓄热体超温，尾气排放系统不畅通等原因一旦出现正压状态，可能导致高温气体回流废气管网，甚至发生回火，引起废气管道燃爆事故，严重时波及到上游装置和设施。焚烧炉装置的引风机如果出现故障，会导致燃烧室内出现正压引起气体温度升高和回流，高温气体窜回管网可能导致回火燃爆，甚至严重波及上游装置、设施。

尾气排放温度过高，如果不能及时切断焚烧炉装置的废气进气，或是高浓度废气紧急泄放口进入了尾气排放管线，可能导致超标浓度的尾气在高温下发生爆炸。废气管线、焚烧炉装置的燃烧室等部位如果未安装泄压防爆装置，一旦发生超压、爆炸，可能会造成严重的事故。废气中含有有机化合物，一旦发生泄漏可能导致周边人员发生中毒、窒息事故。

2.4 废热锅炉系统运行风险

通常情况，焚烧后的高温烟气进入余热锅炉进行热量回收，烟气温度降至符合要求，同时副产一定温度的饱和蒸汽用于厂内回收利用，节约成本。经处理的烟气进入烟囱进行排放，在烟囱上部设置烟气在线监测系统，对烟气中的有害物质进行在线监测。废热锅炉系统运行过程中，由于作业人员操作失误以及安全保护装置失灵等原因，可造成锅炉缺水、满水、超压、汽水共沸、水击等后果，如不及时处理或处理不当，有可能引起锅炉物理爆炸事故[1]。余热锅炉及蒸汽系统由于安全附件失灵(主要是安全阀、压力表等)，或超压运行，或未定期检测，或未效验、年检，或过热，或严重腐蚀，有裂纹，保护装置失效等因素，均有可能发生爆裂甚至爆炸事故。

3 焚烧炉应采取的安全措施

3.1 安全设施的配备

(1)每股尾气进焚烧炉炉膛前均在管道上设有防轰爆型阻火器或者防火阀，防止气体倒窜、回火影响上游管网和设备。(2)废气管道及连接配件宜采用金属材质，可导除静电。废气管道和设备壳体都需要接地，并且在法兰处要做好接地跨接，防止静电产生和积聚。(3)排气管道截面积宜比进气管面积大，减少气体流动阻力，防止炉体内憋压。(4)严格控制焚烧炉进口有机物的浓度是预防爆炸的一个最根本的措施。特别是蓄热式焚烧炉，本身就是一个点火源，如果炉膛内进口浓度已经超过爆炸下限，即使前面用了防爆风机、管道采用了防静电都无济于事。由于有机物的爆炸下限随着气体温度的提高会大幅降低，同时由于化工企业有机废气的突发性排放，入口浓度必须远低于爆炸下限。废气入口及必要的废气支路入口处安装在线废气浓度检测仪，对废气浓度进行实时监测，并在焚烧炉入口处加稀释风阀和缓冲罐，浓度监测仪、稀释风阀、风机等仪器设备之间的连锁控制，确保进入焚烧炉装置的废气浓度低于爆炸极限下限的25%。(5)各股废气在汇入总管后，进入焚烧炉，应进行氧含量在线检测。控制可燃气体中含氧量不超过2%，若超标立即连锁切断连通的焚烧炉，并紧急放空。(6)为防止爆炸事故，在炉膛顶部设防爆门，废气输送管、缓冲罐内加泄爆片。配备这些泄爆装置，发生爆炸时，可把爆炸的损失降到最低。炉膛顶部设防爆门要求朝向为无人员、设备存在的方向。当炉内压力急剧升高时，防爆门会自动打开泄压；当炉内过热时，通过温度连锁，应急排放阀可以及时将炉内热量排放。(7)焚烧炉装置采用天然气作为燃料，在天然气管道容易发生泄漏的部位和焚烧炉炉膛进口处应设置可燃气体报警器。(8)防止废气燃烧不完全产生一氧化碳导致中毒事故，焚烧炉炉膛进口处设置了一氧化碳有毒气体报警器。(9)管道气体温度超过60 ℃时，应做隔热保护和相关警示标识，防止现场巡检人员意外触碰导致烫伤。

3.2 自动化控制

焚烧炉的工艺过程应采用自动化控制系统进行控制，对关键设备(设施)的重要控制参数，如：废气组分浓度、废气温度、废气压力、废气流量、燃烧室温度、燃烧室压力、尾气温度、尾气流量、尾气组分浓度、尾气氧含量、分液罐液位等，应设置就地、远传仪表、控制阀等进行有效监测和控制。重点设备对温度、压力、流量、液位等主要参数设置指示、调节以及超限报警，关键的工艺控制点设置安全联锁[2]。

对于直燃式焚烧炉，采用DCS控制系统和SIS安全仪表系统进行安全联锁相结合控制。DCS和SIS选用完全独立的两套系统，重要部件冗余设计，提高系统的可靠性。

DCS控制系统主要控制回路如下：(1)焚烧炉炉膛温度控制：焚烧炉温度控制为分程控制，当温度低于设定最低值时，增加燃料气流量；当温度高于设定最高值时，降低燃料气流量同时增加炉膛冷却风流量。(2)燃烧器助燃空气控制：燃烧器助燃空气，通过所有废气流量对应助燃空气比例和燃料气流量对应助燃空气流量总和调节助燃空气流量。(3)锅炉液位控制：锅炉液位通过调节锅炉给水泵进口流量进行调节。(4)气液分离稳压均使用分程控制，气液分离罐低于设定值时，控制氮气补气，当气液分离罐压力高于设计值时，变频控制风机排气。

SIS安全联锁逻辑控制点主要是燃料气压力、仪表风压力、焚烧炉温度、助燃风流量分别与停车系统、切断燃料气和废气双切断阀联锁控制。

3.3 焚烧炉点火作业过程注意事项

焚烧炉炉膛内可能已经形成了爆炸危险性气体环境，焚烧炉点火作业过程容易发生闪爆事故，可按以下3点进行操作：(1)对点火操作开展安全风险评估，使参加点火操作的职工对点火过程的风险有较深刻的认识。(2)炉子点火过程中的每一个步骤都要严格按照操作规程进行，并且经过岗位、班长及车间三级确认后才能进行下一步骤，要求有确认签名表。(3)点火过程由当班班长统一指挥，装置主管及工艺员监督落实，吹扫时间按原来的5 min不变，内漏的调节阀要及时处理好，确保仪表完好，符合工艺要求方可进行点火操作。焚烧炉装置燃烧室进行二次点火的过程，必须严格按照安全规程进行，应进行必要的气体组分、氧含量检测，确保炉膛内未形成爆炸危险环境。

4 结语

随着目前化工行业环保要求的提升，新建的高效率环保处理设施基本普及，若对环保治理设施缺乏整体性的安全风险分析、未采取恰当的安全措施，则可能存在安全隐患。本文具体分析了化工废气焚烧炉现存的危险有害因素，提出了针对性的防止安全事故措施、增加监测监控设施、自动联锁保护等具体措施，防止事故发生，使环保治理设施达到环保要求的同时安全运行。