蓄熱式熱氧化廢氣處理工藝的安全設計問題探討

孫 浩

浙江天地環保科技股份有限公司

0 前言

隨著各地揮發性有機化合物（VOCs）排放要求的提高，各個地方和企業都在不斷地加大環保投入，多數企業通過安裝末端治理設施實現達標排放。實用的VOCs末端治理技術眾多，主要包括吸附、燃燒（蓄熱式燃燒［RTO］、催化燃燒［RCO］、直接燃燒［TO］）、吸收、冷凝、生物處理和組合技術。VOCs廢氣成分復雜多樣，通常為多種易燃、易爆的混合有機氣體，前期的技術工藝選擇不到位、考慮不充分或廢氣處理裝置的投用管理和控制不專業，往往會帶來新的安全隱患。比如，活性炭吸附箱內活性炭自燃以及危廢處理問題、RTO裝置爆炸問題、低溫等離子裝置電暈放電著火問題。RTO作為一種高效的有機廢氣處理技術，受到多地環保部門和企業的熱捧。RTO技術適用于中高濃度、成分復雜的有機廢氣處理，具有處理效率較高、基本無二次污染、運行穩定等優點，廣泛應用于石油化工、化學制藥、噴涂等行業。但在RTO使用過程中，因安全設計考慮不足和操作運行不當，也出現例如RTO失火、爆炸等安全問題。本文根據RTO項目設計經驗及以往RTO安全事故分析，就RTO主要安全措施設計進行討論。

1 安全措施設計

有機廢氣中大部分成分具有易燃性和爆炸性，在有機廢氣治理中安全性是首先需要考慮的因素。RTO爐安全設施應與主體工程同時設計、同時施工、同時投入使用。在用RTO爐時應補充進行安全風險評估論證，對于廢氣成分復雜的，應進行HAZOP分析并采取相應的安全措施。RTO技術應用上的局限性及環保企業設計水平參差不齊，在安全設計上考慮不足，造成了安全事故的發生。為了防止RTO安全事故的發生、降低事故損失，進行RTO安全設計的時候從以下幾個方面考慮。

1.1 基礎設計資料收集

企業有機廢氣成分復雜多樣、氣量不穩定，尤其精細化工等企業間歇性生產的特點，使得有機廢氣濃度和廢氣量都會有間歇性變化。因此，在技術資料搜集時，應根據企業實際，充分了解企業生產工藝和廢氣主要來源，合理選擇設備設施。必須要了解廢氣正常、最大和最小濃度，明確工藝過程中有機廢氣的排放特點及可能存在的突發因素。

易反應、易聚合的有機物（例如苯乙烯）不宜采用蓄熱氧化技術。

1.2 RTO裝置總圖位置選擇

目前，對于新建企業有機廢氣處理設施，在整體總圖布置上已考慮用RTO裝置布置，設備運行穩定，未發生安全生產事故。但絕大部分企業屬于提高有機廢氣治理效果，如新增RTO裝置，因此在設計時，將RTO定義為明火設備，并嚴格按照GB50016-2014（2018版）、GB50160-2018復核RTO設備與企業內部各類設施的防火距離。新增的RTO裝置可與廠內化工工藝裝置視為聯合裝置，其設備、建筑物的防火間距應按相鄰設備、建筑物的防火間距確定，其防火間距應符合國標規定。如果防火間距確無法滿足國標規定，可考慮設置防火墻，或對原建筑物門窗洞口封堵，形成不燃燒實體墻，其防火間距可小于國標規定，但不得小于15 m。

1.3 有機廢氣收集及輸送

對罐區儲罐大小呼吸有機廢氣收集，要按照防火類別分類收集，并設水封罐，以保證整個儲罐系統的安全。

由于有機物的爆炸下限隨著氣體溫度的提高會大幅降低，同時化工企業有機廢氣的突發性排放，廢氣輸送管道應在管道拐彎處加泄爆片，在裝置界區處設置管道阻火器。廢氣輸送管道材料的選擇要考慮腐蝕、靜電、成本等因素，金屬管道應考慮防靜電設計。

1.4 有機廢氣的前處理

對含有酸性氣體的有機廢氣，需要通過二級洗滌塔去除廢氣中酸性氣體，減少酸性氣體對RTO爐體、閥門等設備腐蝕，同時洗滌塔也起到緩沖罐作用，避免有機廢氣局部區域出現混合不均勻，有機物濃度偏高。RTO蓄熱體承重支架盡可能選擇316L材質。

對于不含酸性氣體的有機廢氣，要根據原始廢氣濃度，在廢氣入爐前設置緩沖箱，并在緩沖箱上設置應急稀釋閥。RTO爐通過設置緩沖罐、調整風量等預處理設施，就可以嚴格控制RTO爐入口有機物濃度和流速，保證相對平穩、安全運行。

對于含塵廢氣要進行除塵，否則廢氣進入RTO爐內，造成爐內蓄熱體阻塞，影響換熱效率。

1.5 RTO裝置安全設施及控制連鎖設計

RTO爐是有機廢氣處理系統的核心設備，RTO安全性能指標的高低直接決定了系統的安全性的強弱，可重點關注以下幾個方面的安全設計。

1）嚴格控制進入RTO爐的有機物濃度，入口濃度必須低于爆炸下限25%，這是預防爆炸的一個最直接有效的措施。進RTO系統前廢氣管道上裝有廢氣濃度檢測儀，儀表的位置需考慮RTO入口氣動閥門的反應時間。濃度監測儀與稀釋風閥、RTO風機、應急旁通閥、RTO入口氣動閥等儀器設備之間設置必要的控制連鎖。

2）RTO爐燃燒室設防爆口，以防止爆燃對爐體的損壞，起到瞬間泄壓作用。

3）RTO爐燃燒室設熱旁通，連鎖控制中設置超溫緊急打開熱旁通閥，防止爐內溫度過高導致爆炸。

4）燃燒器的選擇。

燃燒器燃料有柴油、生產冷凝廢液和天然氣。當采用柴油和廢液燃料時，需設二級過濾器，以防止燃燒器噴嘴堵塞，過濾網可以選100目不銹鋼網。廢液燃燒器燒嘴安裝要設計一定的向下傾斜角度，防止燃燒后廢液中顆粒雜鹽堵塞耐火磚出火口。

5)RTO爐現場電氣儀表設備應嚴格按照防爆等級設計，關鍵設備安全儀表系統應不低于SIL2標準設計，閥門根據工藝要求可選擇氣動閥。

6)RTO爐應設置PLC或DCS控制系統（視情況可設置安全儀表系統），對風機、閥門、燃燒器、爐膛和廢氣管道等設備設施的關鍵參數進行實時監控和連鎖。

7）RTO爐應設置斷電斷氣后進氣閥、排氣閥緊急關閉，防止煙囪效應引起蓄熱層下部溫度上升。

8）RTO爐應設置UPS備用電源和壓縮空氣儲氣罐。

1.6 廢氣應急旁路設置

RTO爐設計有濃度設計上限要求，為保證裝置的安全運行常設計應急旁路，在廢氣濃度超出上限時，廢氣由應急旁路從煙囪排出。有機廢氣濃度短時間內超高，導致燃燒室溫度急劇升高，在連鎖切斷有機廢氣后從旁路直接排至煙囪，高溫尾氣與高濃度有機廢氣直接混合，導致有機廢氣在排空管內有發生閃爆的可能，進而引發安全事故。

因此，在設計的時候，要根據企業生產工藝、廢氣濃度和成分綜合考慮，是否設置應急旁路。如設置應急旁路，在邏輯控制上，要避免熱旁通打開后，煙囪處于高溫狀態，廢氣由煙囪排放的工況存在。對于濃度較高且含有低燃點物質的應急排空管道，嚴禁與高溫排空管道共用煙囪排放。設置應急旁路時，要保證氣動旁路閥的密封性，否則會影響廢氣總排口的在線檢測指標。應急旁路廢氣管線選材要注意防靜電。

1.7 企業生產管理調整

對于企業新增RTO裝置，有必要調整部分生產工藝，例如適當延長反應釜排氣閥門開啟時間、減少真空泵同時開啟臺數等，避免廢氣濃度陡然升高。

在調試、RTO爐啟、停操作時，嚴格按照操作規程執行，建立生產車間與RTO裝置值班人員之間的信息互通，在可預判廢氣高濃度時段出現時，避免生產與環保脫節。

2 總結

綜上所述，本文對VOCs治理技術中RTO安全設計和應用管理進行深入總結，為RTO設計企業和使用企業在完善設計、使用方面提出參考性意見。只要做好、做足相應的安全預防措施工作，就能夠將這種技術安全、成功地應用于廢氣處理適用領域。RTO技術將具有更廣泛的推廣前景。