蓄熱式熱氧化裝置安全控制模式研究

摘要：蓄熱燃燒（RTO）是一種廣泛應用的治理VOCs廢氣的技術，由于廢氣具有可燃性以及運行中存在高溫、明火等特點，蓄熱式熱氧化裝置運行存在安全風險。現(xiàn)介紹了RTO系統(tǒng)的組成，分析了系統(tǒng)的運行風險及安全控制方式。

關鍵詞：蓄熱燃燒（RTO）;運行風險;安全;控制

0 ? ?引言

隨著國家對大氣污染的整治力度加大，揮發(fā)性有機化合物（VOCs）廢氣污染情況得到了根本性的改變。蓄熱燃燒（RTO）是治理VOCs廢氣的一種技術，并以其運行穩(wěn)定且成本低、換熱效率高、可處理大風量低濃度廢氣、廢氣濃度較高時可進行二次余熱回收等特點，廣泛應用于各行業(yè)。

RTO技術是將有機廢氣加熱到750 ℃以上，使廢氣中的有機物在高溫下氧化分解成二氧化碳和水。由于廢氣具有可燃性以及運行中存在高溫、明火等特點，蓄熱式熱氧化裝置運行存在一定的安全風險，所以保證裝置安全運行，避免安全事故成為RTO系統(tǒng)運行的核心問題。本文以某煤化工廠的RTO系統(tǒng)為例，介紹RTO系統(tǒng)的組成，分析系統(tǒng)的運行風險及安全控制方式。

1 ? ?RTO系統(tǒng)概況

圖1為該煤化工廠RTO系統(tǒng)流程示意圖，化工區(qū)低溫甲醇洗尾氣和CO2廢氣減壓后與稀釋風混合進入氧化爐，廢氣中的揮發(fā)性有機物在高溫下分解成二氧化碳和水，然后通過煙囪排放;氧化爐中的富裕熱量通過余熱回收裝置產生低壓蒸汽，達到二次利用的目的。

如圖1所示，RTO系統(tǒng)采用三室蓄熱氧化爐，通過閥門切換的方式，利用出口高溫煙氣加熱入口低溫煙氣，并對第三個蓄熱室進行吹掃，提高換熱效率，降低燃氣耗量。RTO系統(tǒng)包括稀釋風系統(tǒng)、廢氣切斷系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)。其中稀釋風由稀釋風機供給，與廢氣混合、稀釋;廢氣切斷系統(tǒng)包括RTO入口閥和緊急旁通閥，用于在系統(tǒng)故障時切斷廢氣;余熱回收系統(tǒng)包括熱旁通閥和余熱回收裝置，負責對RTO富余的熱量進行二次利用。

2 ? ?RTO系統(tǒng)運行風險

有機廢氣具有可燃性，再加上運行中的高溫、明火等特點，當濃度超過爆炸下限時，易發(fā)生爆炸。此外，氧化爐內熱量超過限值，也會發(fā)生超溫爆炸。

另一方面，系統(tǒng)的儀表、閥門等設備出現(xiàn)故障或突發(fā)停電、停氣等，導致系統(tǒng)安全自控設計失效，系統(tǒng)也會發(fā)生超溫爆炸。

3 ? ?RTO系統(tǒng)安全控制方式

3.1 ? ?控制方式總體思路

在進行RTO系統(tǒng)設計時，主要考慮以下幾個方面：

（1）限制入爐廢氣濃度;

（2）疏排爐內富余熱量;

（3）運行超限、設備故障聯(lián)鎖停爐。

3.2 ? ?限制入爐廢氣濃度

有機物氧化分解放出大量熱量使得廢氣溫度升高，由于溫度的提高會降低有機物爆炸下限濃度，通常要控制廢氣進口濃度<25%LEL。設計時采用變頻稀釋風機調節(jié)稀釋風量的方法控制氧化爐進口廢氣濃度。控制策略采用針對混合廢氣LEL的閉環(huán)調節(jié)，通過增減稀釋風機頻率，調節(jié)稀釋風量，控制廢氣進口LEL。當LEL增加時，加大稀釋風量;當LEL減小時，減小稀釋風量。主要控制LEL在20%～25%，一般設定在20%并自動跟蹤。

實際調試時，由于此控制系統(tǒng)存在延遲，某些時刻上游廢氣濃度變化速率過快，稀釋風量無法快速調節(jié)，將導致LEL超過25%，進而造成停爐。故對控制策略略做調整，在原控制系統(tǒng)上加入前饋控制，將上游廢氣LEL作為前饋值，當上游廢氣濃度變化時，系統(tǒng)能夠立即調節(jié)稀釋風量，控制LEL在調節(jié)范圍內。

3.3 ? ?疏排爐內富余熱量

氧化爐內的富余熱量通過熱旁通閥的調節(jié)送至余熱回收裝置。通過控制燃燒室的溫度來調節(jié)熱旁通閥開度，當燃燒室的溫度升高時，開大熱旁通閥，增加送至余熱回收裝置的熱量;當燃燒室的溫度降低時，關小熱旁通閥，減少送至余熱回收裝置的熱量。主要控制燃燒室溫度在900～1 000 ℃，一般設定在950 ℃并自動跟蹤。

實際調試時，為避免系統(tǒng)的外部干擾，加入混合廢氣LEL作為前饋。

若RTO系統(tǒng)未設置余熱回收裝置，可通過熱旁通閥將富余的熱量直接排至煙囪。

3.4 ? ?運行超限、設備故障聯(lián)鎖停爐

當入爐濃度無法限制、富余熱量無法疏放或設備故障無法運行時，觸發(fā)系統(tǒng)聯(lián)鎖停爐。停爐時，立即關閉氧化爐入口閥，打開緊急旁通閥，切斷廢氣進入氧化爐，將廢氣直接通過煙囪排放。同時關閉所有切換閥，保持熱旁通閥開度，將氧化爐內的熱量通過余熱回收裝置緩慢排放。

稀釋后混合廢氣濃度超限或稀釋風機故障跳閘判定為入爐濃度無法限制;熱旁通閥已全開但還有富余熱量、富余熱量超過余熱回收裝置限值判定為富余熱量無法疏放;蓄熱式切換閥故障，導致廢氣持續(xù)從一蓄熱室進一蓄熱室出，無法切換蓄熱室;燃燒室、蓄熱室、燃燒爐出口管道溫度超限或故障，判定為系統(tǒng)故障，觸發(fā)聯(lián)鎖停爐。

此外，鑒于儀表、閥門故障或突發(fā)停電、停氣的風險及系統(tǒng)防爆與控制響應快速性的要求，系統(tǒng)閥門選用氣動執(zhí)行機構，氧化爐入口閥、切換閥選用氣開型閥門，緊急旁通閥選用氣關型閥門。

4 ? ?投運效果

RTO系統(tǒng)投運后，無論是在穩(wěn)態(tài)還是上游負荷變化時，混合廢氣的LEL均控制在20%附近，燃燒室溫度均控制在950 ℃附近。混合廢氣未出現(xiàn)超限情況，且設備故障時能夠觸發(fā)聯(lián)鎖停爐，達到安全運行的目標。

5 ? ?結語

了解RTO系統(tǒng)的安全風險，有利于更好地指導安全運行控制。實際運行中，要合理控制燃燒室溫度，盡量降低燃燒器負荷，節(jié)能的同時達到安全運行的目標。

[參考文獻]

[1] 羅署，張亞超，洪芳.工業(yè)VOCs廢氣治理中熱分解工藝的選擇[C]//《環(huán)境工程》2019年全國學術年會論文集（中冊），2019：188-191.

[2] 陳振坎，董其超，孫鑫，等.精細化工行業(yè)蓄熱式熱氧化爐系統(tǒng)安全設計優(yōu)化[J].廣州化學，2019，44（6）：31-35.

[3] 吳定淼.蓄熱式氧化爐（RTO）危害因素分析[J].寧波化工，2014（3）：40-43.

[4] 趙永才，鄭重.VOCs催化燃燒技術及其應用[J].絕緣材料，2007（5）：70-74.

[5] 胡乾明.蓄熱式熱力焚化爐生產安全事故分析[J].山東化工，2015，44（10）：185-186.

[6] 童喜潤，黨杰，楊明德，等.蓄熱催化氧化法處理揮發(fā)性有機物的研究進展[J].安徽化工，2004，30（1）：40-43.

收稿日期：2020-07-07

作者簡介：戴尚訪（1989—），男，浙江杭州人，工程師，從事超低排放、VOCs治理等控制專業(yè)技術工作。