VOCs治理中的安全儀表設計

杜 蠻

（上海科元燃化工程設計有限公司，上海 201701）

揮發性有機物（VOCs）的危害主要體現在對大氣的污染及對人體健康的影響，因此必須重視VOCs 排放的控制和治理。VOCs 絕大部分都是易燃易爆氣體，近年來，VOCs 治理裝置多次出現爆炸事故，造成了嚴重的人員和財產損失，國家和地方政府對此制定了相應的管控制度，對設計和生產等環節做出嚴格要求。本文就某項目的設計經驗，探討VOCs 治理中儀表所涉及到的安全問題及其設計方案。

1 工藝流程

VOCs 治理技術可以分為兩大類，即消除類方法和回收類方法。消除類方法主要包括燃燒法、生物法、低溫等離子法，適用于可燃或高溫下可分解及目前技術條件下難以回收利用的VOCs。回收類方法主要包括吸附法、吸收法、冷凝法及膜分離法，適用于高濃度VOCs 的回收和處理，屬高效處理工藝，可作為降低VOCs 的前處理方法，與消除法聯合使用[1,2]。

以某化工企業為例，原料罐區以及生產裝置會產生大量甲苯等VOCs，治理方式采取吸收法+催化氧化（CO）工藝。為敘述方便，省略吸收單元，簡化后的流程包括：原料罐+收集系統+催化氧化（CO）工藝。

原料罐包括多個儲存甲苯的拱頂罐，設計壓力為2.0KPa ～0.5KPa，設計溫度為50℃。VOCs 通過連通管收集于緩沖罐，由風機輸送到CO 爐處理后，從煙囪排入大氣。依據GB31571-2015《石油化學工業污染物排放標準》中排放限值的要求，通過CEMS 分析系統監測煙囪中的VOCs 排放指標，并將數據直接上傳到當地環保部門進行監控。

2 防爆原理及其控制參數的理論依據

VOCs 治理過程中極易發生爆燃事故，根據爆炸三角形原理，在現場如果同時滿足下列3 個條件時，爆炸就會發生：①易爆物質（VOCs）；②氧氣（空氣）；③引爆源（高溫或明火）。消除上述3 個條件中的任何一個就能防止爆燃。由于CO 爐運行時的高溫是無法避免的，因而可以通過控制VOCs 中的可燃氣體濃度和氧濃度的手段來防止爆燃的發生。

2.1 VOCs在空氣中的爆炸下限（LEL）的計算

VOCs 一般由多種組份的烴類物質組成，混合物在空氣中的爆炸下限可根據各物質已知的爆炸下限及其在混合物中的含量來計算[3]。

式（1）中：p1，p2，p3，p4為每種可燃氣體在混合物總量中所占的百分數；N1，N2，N3，N4為每種可燃氣體在空氣中的爆炸下限。

以本項目的VOCs 參數為例（見表1），計算VOCs 的爆炸下限：

表1 VOCs組份及參數Table 1 Composition and parameters of VOCs

由式（1）可知，該VOCs 的爆炸下限為：

由于在實際工程項目中，VOCs 的組份含量不穩定，同時考慮到操作響應時間的安全裕度，工程上往往選擇爆炸下限最低的組份作為控制參數。如表1 所示，選擇甲苯1.20%作為VOCs 的爆炸下限，低于1.29%的計算值。

2.2 VOCs極限氧濃度（LOC）的計算

在規定的試驗條件下，可燃氣體（蒸汽）、空氣和惰性氣體混合物遇火源不發生爆炸的最大氧氣濃度稱為極限氧濃度（LOC），以Vol/%表示。也就是說，任何添加了惰性氣體的混合物，只要其中的氧含量低于LOC 值，混合物就不會發生燃燒或爆炸。精確的LOC 值需根據試驗才能得出[4]，如無實測數據，在利用氮氣作為惰性氣體的前提下，理論上可以使用爆炸下限對應的理論最小氧濃度進行估算[6,7]。表2 列出了部分可燃氣體的LOC 試驗值。

表2 部分可燃氣體極限氧濃度值[5]Table 2 Limiting oxygen concentration values of some combustible gases[5]

多種可燃性混合氣體的極限氧濃度（LOC）同樣需要依據試驗實測[6]。在已知各組份實測LOC 時可依據公式（2）計算[8]。

式（2）中，Si為組份i 所需的化學計量氧[6]；LOCi為組份i 的LOC；xi為組份i 的摩爾分數。

以本項目的VOCs 參數為例，按照公式（2）計算VOCs 中各組份的參數（見表3）。

表3 公式（2）中各組份的參數Table 3 Parameters of each component in formula (2)

由式（2）可知，該混合物的LOC 值為：

在實際工程項目中，與VOCs 爆炸下限值的選定方法一樣，選擇甲苯9.5%作為VOCs 的極限氧濃度，低于9.567%的計算值。

3 控制方案及儀表選型

本項目VOCs 組份中的甲苯/苯氣體是安監部門重點監管的危險化學品。依據AQ/T 3033-2022《化工建設項目安全設計管理導則》，應在設計過程中運用本質安全設計的理念，采用最小化、替代、緩解、簡化等設計手段，使工藝過程及其設施具有從根本上減少事故的概率和/或降低事故后果影響的內在特性。

3.1 氮氣密封和壓力控制

儲罐氮封的作用主要是為了保持罐內微正壓，防止儲罐出現負壓而從呼吸閥吸入空氣。氮封閥一般采用專用的自力式減壓閥，外取壓閥后壓力控制，氮封閥安裝在靠近罐頂入口的氮氣管錢上，外取壓管線的取壓點設置在罐頂，以便檢測罐內的真實壓力，設定壓力為罐正常操作壓力。這種氮封閥執行機構的膜片面積一般較大，對長期使用的可靠性和控制精度有一定影響[9]。

本項目氮封閥入口壓力一般在600kPa 左右，出口壓力只有0.3kPa，閥壓差較大，同時還需要當切斷閥使用，選用Globe 閥是比較理想的選型。當壓力高0.5kPa 時，將調節器設置手動模式輸出0%開度，強制關閉閥門；當壓力低于0.2kPa 時，將調節器設置手動模式輸出100%開度，強制閥門全開；當壓力在0.2kPa ～0.5kPa 之間時，將調節器設置自動模式，進行PID 控制。此方案響應速度快、調節效果和可靠性得到顯著提高。

3.2 VOCs收集和控制

儲罐的氣相通過連通管道并入收集總管，在每個罐頂連通管上設置切斷閥。當罐頂壓力超過0.9kPa 時，打開此閥，向收集總管排放VOCs；當罐頂壓力小于0.765kPa 時，關閉此閥。各路收集總管在緩沖罐前匯總，然后進入VOCs回收處理設施。

VOCs 的主要組份是氮氣和其他多組份烴類物質，如果儲罐或管道密封損壞，大量空氣將同VOCs 一同進入后續設施，從而導致危險。因此，需要在緩沖罐出口設置一臺氧濃度分析儀，采用向緩沖罐里補氮氣的方法稀釋氧濃度。緩沖罐出口上還設置有緊急切斷閥，如果補氮氣無法將氧濃度稀釋到安全濃度以下，需關閉緊急切斷閥，防止發生閃爆事故。

如果儲罐的氮封系統失效，將導致大量濃度超限的VOCs 進入后續設施，超出后續系統的處理能力，從而造成潛在危險。因此，還需在緩沖罐入口總管上設置一臺總烴分析儀，用于監測VOCs 的總烴排放量。當總烴排放量超限時，關閉緩沖罐出口上的緊急切斷閥。

緩沖罐出口的高濃度VOCs，經過吸收塔回收濃度降低后，通過風機送入CO 爐。為防止CO 爐出現閃爆，需在爐子入口處設置可燃氣體檢測儀。當進入CO 爐的VOCs 濃度超限時，聯鎖VOCs 切斷閥、緊急排放閥等動作，確保安全。

3.3 氧濃度測量和控制

緩沖罐出口氧濃度分析儀的報警聯鎖值需滿足GB/T 37241-2018 標準[5]中的要求，采用三級安全裕量，依次遞減作為下一級的設定值，如圖1 所示。

圖1 惰化氧濃度安全裕量設定Fig.1 Safety margin setting for inerting oxygen concentration

本項目VOCs 主要由氮氣、苯和甲苯等物質組成，工程上為簡化起見，不作繁瑣的混合氣體LOC 計算。依據表2 可知，甲苯9.5Vol%最低，取其作為VOCs 在氮氣稀釋條件下的LOC 值，該值低于計算出的混合氣體的LOC 值。由此可以得到MAOC 值是7.5Vol%，依據表4，TPSS 值取5.5Vol%；SPIS 值在標準里沒有規定，一般由工藝根據具體流程確定。本項目在綜合考慮了氮氣注入流速、儀表及控制系統的響應時間，以及緊急切斷閥的關閉時間等參數后，SPIS 值取4.0Vol%。

表4 惰化保護時聯鎖停機的氧濃度取值[5]Table 4 Oxygen concentration values for interlock shutdown during inerting protection[5]

當氧濃度大于4.0Vol%時，DCS 控制系統開啟氮氣閥補氮稀釋；當氧濃度低于3%時，關閥氮氣閥停止補氮；當氧濃度大于7.5Vol%時，聯鎖切斷緩沖罐出口緊急切斷閥。

對于有條件的設計單位或業主，可以通過風險分析來卻確定氧濃度分析儀的報警值及安全裕量，合理確定氧分析儀的安裝位置，確保充足的過程安全時間，防止氧濃度超限的VOCs 進入后續設施發生閃爆事故。

本項目氧分析儀選用激光氧分析儀，該儀表傳感器采用半導體激光吸收光譜（DLAS）原理[10]。選用某進口品牌，測量范圍0%～10%；線性誤差≤ ±1F.S；配氮氣吹掃盤，滿足工藝要求，使用效果較好。

3.4 總烴測量和控制

高濃度的VOCs 進入緩沖罐，正常情況下氮氣占98%，其他烴類物質占2Vol%。當總烴超過8Vol%時高報警；當總烴超過10Vol%時高高聯鎖，關閉緩沖罐出口緊急切斷閥并停輸送風機。

總烴測量有多種分析儀可選，這里比較兩種分析儀的優缺點如下：

1）采用氫火焰離子化檢測器（FID）原理的總烴分析儀是比較理想的選擇，在VOCs 治理項目中廣泛應用。對幾乎所有VOCs 均有響應，測量精度高，線性范圍寬，抗污染能力強。如果極速響應采用大流量采樣泵直接進樣的方式，T90最快≤2s。但價格較高，需要配置載氣，往往一個VOCs 項目就有可能用到多臺，大大增加了項目成本。

2）采用非分光紅外原理（NDIR）的可燃氣體檢測儀是一種經濟合理的選擇。VOCs 中主要組份是氮氣和烴類物質。紅外線對無極性對稱的雙原子分子結構沒有反應，N2對測量沒有影響。烴類物質主要含有C-H 鍵，紅外線對C-H 鍵有良好的吸收性，可以對各種烴組份進行測量。通常選擇特定波長范圍在1μm～15μm，把光源發出的連續光譜全部投射到待測氣體上，待測組份吸收其各個特征波長譜帶的紅外線，其吸收具有積分性質，從而能夠測量總烴含量[10]。

紅外可燃氣體檢測儀的測量范圍寬，可以測量0Vol%～100Vol%氣體濃度。響應時間一般在4s 以內，最快可以做到1s，測量精度雖不如FID 總烴分析儀，但在上游儲罐氮氣密封系統失效時，能夠測量出總烴濃度超限，從而判斷出早期故障的發生。

3.5 可燃氣體檢測和控制

在CO 爐VOCs 入口管道上應安裝可燃氣體檢測儀，其VOCs 可燃介質的總量不能超過其在空氣中的最低爆炸下限的25%LEL。以甲苯為例，甲苯在空氣中的最低爆炸下限濃度（100%LEL）是1.2Vol%，25%LEL 是0.3Vol%，與緩沖罐入口處的高高限濃度（10Vol%）相比低了很多。在線檢測儀一般需1oo2 或2oo3 配置。當進入CO 爐的VOCs 濃度超過25%LEL 時，聯鎖動作，確保安全。

在線可燃氣體檢測儀選用紅外型可燃氣體檢測儀[11]，與總烴分析儀的原理和安裝要求基本一致，不同的是測量范圍。這里測量的是可燃物在空氣中的爆炸下限LEL，總烴分析儀測量的是在無氧或少氧下的烴濃度，其量程相差很大。可燃氣體檢測儀同樣選用某進口品牌的紅外型可燃氣體檢測儀，其產品最大的特點是具有0 Vol%～100Vol%量程，而其他品牌的產品只有0%LEL ～100%LEL，這一點很容易被忽視。

3.6 安全總體時間的要求

儀表的安裝位置應考慮采樣管線長度，分析儀測量響應時間、切斷閥關閉時間、VOCs 流速等參數，確保有充足的安全總體時間，防止VOCs 濃度超限發生閃爆事故。

氧分析儀采用在線原位安裝。總烴分析儀和可燃氣體檢測儀就近安裝在現場儀表箱內，并配備取樣泵和樣品處理系統，具備在線標定功能。

氧分析儀的測量響應時間應小于等于2s，總烴分析儀和可燃氣體檢測儀響應時間應小于等于3s。

3.7 風機壓力控制

罐組排放的VOCs 壓力只有微壓，收集系統需要通過輸送風機抽吸才能進入后續系統，風機一用一備，采用變頻調速來控制抽吸壓力。風機抽力過大會導致罐被抽癟，VOCs 量又是非常不穩定的，采用變頻調速控制正常情況下沒有問題。但是，在較低風量下變頻器無法穩定運行，變頻器的最佳調頻范圍在20Hz ～50Hz 頻率，如果將最低頻率設置在20Hz，當VOCs 量較小時，可能會將罐抽癟。

本項目采用風機變頻+回流閥相結合的超馳控制方案，能夠始終維持風機入口處的壓力穩定，避免頻繁聯鎖啟停風機的問題[12]。風機入口操作壓力設定為－3.0 kPa，如果VOCs 氣量較小，當變頻器頻率低于20Hz 時，調節器變手動模式，輸出保持變頻器20Hz 的頻率不變，將回流閥設置成自動模式，打開回流閥進行PID 控制，穩定入口壓力不變；如果VOCs 氣量增加，當入口壓力高于－2.5kPa 時，將回流閥設置成手動模式，輸出0%開度關閉回流閥門，將變頻器恢復自動模式，進行PID 控制，保持壓力穩定；如果入口壓力低于－4.7kPa，則聯鎖停風機。

3.8 爐子安全控制

目前，VOCs 治理的“最終解決方案”都是進爐子，無論何種類型的爐子，安全都是其最重要的問題。工程項目中爐子一般都是有專業的爐子公司成套供貨，本項目CO爐也是如此。CO 爐的安全控制由成套廠根據相關標準規范負責設計，但項目設計單位和業主需要根據相關標準和規范的要求審查爐子的設計是否符合。

4 VOCs治理中的安全管控

針對VOCs 治理項目中的風險認識不足，缺乏有效的安全管控的問題，《煉化企業VOCs 協同治理安全管控指導意見（試行）》中石化煉安（2021）525 號文，對相關問題做了明確的規定，可以作為設計依據，本項目中的一些參數值也來源于此。

設計階段，項目需要委托第三方專業公司做HAZOP分析和SIL 定級。依據SIL 報告，確定是否采用SIS 系統。

5 結束語

儀表設計對整個VOCs 治理裝置的安全生產至關重要。本文從防爆原理出發，分析了相關儀表設置的原因及報警聯鎖設定值的由來，并結合標準規范介紹了儀表及控制方案的選型，對工程設計人員有一定參考價值。