化工企業(yè)的廢氣成分比較復(fù)雜,一般為多組份混合氣體,通常具有易燃易爆性、毒害性且伴有臭味,易對周邊環(huán)境造成污染,嚴(yán)重時會引發(fā)社會群體事件。各級環(huán)保部門在多年前就提出了“零排放”的概念,要求企業(yè)對化工廢氣進(jìn)行收集、治理。
有機(jī)廢氣治理常見方法有:冷凝回收法、吸收、吸附法(直接吸附法、吸附-回收法、新型吸附-催化燃燒法)、直接燃燒法、催化燃燒法等。
目前化工企業(yè) 常見的有機(jī)廢氣治理設(shè)施為蓄熱式熱氧化爐(RTO)。與傳統(tǒng)的催化燃燒、直燃式熱氧化爐(TO)相比,具有熱效率高(≥95%)、運行成本低、能處理大風(fēng)量低濃度等優(yōu)點。其原理是把有機(jī)廢氣加熱到760℃以上,使廢氣中的 VOC 氧化分解成二氧化碳和水。氧化產(chǎn)生的高溫氣體流經(jīng)特制的陶瓷蓄熱體,使陶瓷體升溫而“蓄熱”,此“蓄熱”用于預(yù)熱后續(xù)進(jìn)入的有機(jī)廢氣,從而節(jié)省廢氣升溫的燃料消耗。陶瓷蓄熱體分成兩個(含兩個)以上的區(qū)或室,每個蓄熱室依次經(jīng)歷蓄熱-放熱-清掃等程序,周而復(fù)始,連續(xù)工作。蓄熱室“放熱”后應(yīng)立即引入部分已處理合格的潔凈排氣對該蓄熱室進(jìn)行清掃(以保證VOC去除率在 95%以上),只有待清掃完成后才能進(jìn)入“蓄熱” 程序。RTO 技術(shù)適用于大風(fēng)量、低濃度的廢氣治理,是目前國內(nèi)治理有機(jī)廢氣較成熟、實用的方法。
近五六年來各級環(huán)保部門都在推廣 RTO技術(shù),但由于發(fā)生過數(shù)起廢氣處理系統(tǒng)爆炸事故,且沒有發(fā)布正式的事故調(diào)查報告,事故原因不明,使不少企業(yè)對廢氣處理系統(tǒng)心有余悸,不敢使用RTO 技術(shù)。
本文結(jié)合一起有機(jī)廢氣管道系統(tǒng)爆炸事故來分析廢氣處理系統(tǒng)的爆炸原因,并提出了安全對策措施,以供化工企業(yè)廢氣處理系統(tǒng)的防爆設(shè)計或安全隱患排查治理。
二、一起有機(jī)廢氣管道系統(tǒng)爆炸事故原因分析
2011 年 7 月中旬某精細(xì)化工企業(yè)發(fā)生一起有機(jī)廢氣管道爆炸事故。該企業(yè)在查找事故原因時,意見比較分散。為進(jìn)一步搞清事故原因,2011 年 8 月 2 日該企業(yè)安環(huán)部經(jīng)理帶領(lǐng)工藝、設(shè)備、車間主任、車間安全員等相關(guān)人員到寧波寰球安全科技有限公司進(jìn)行事故原因分析研討。寧波寰球安全科技有限公司曾多次做過該企業(yè)的安全評價,對該企業(yè)的工藝、設(shè)備、原輔材料等比較了解。通過研討,使我們雙方對廢氣處理系統(tǒng)的爆炸事原因有了深入的認(rèn)識。
2.1事故簡介
2011 年 7 月中旬上午 10 點 50 分左右,6 車間主任助理和班組長在 6、7 車間之間西面的主道路橋架(廢氣管)下,突然聽到一聲沉悶的聲響,緊接著又聽到一聲響聲。此時發(fā)現(xiàn)廢氣管有點煙霧,響聲大致在 7、8 車間之間的這段廢氣管道上。兩聲響聲后又連著一聲響聲,發(fā)現(xiàn)8 車間甲苯回收裝置上的廢氣管道一頭堵板(泄爆板)沖開并有火焰冒出。
事故發(fā)生后,企業(yè)有關(guān)部門人員馬上到現(xiàn)場查看和處置,爆炸導(dǎo)致廢氣管上與車間對接塑料管道焊接處沖開。到現(xiàn)場約 2 分鐘后發(fā)現(xiàn) 5 車間西南角處廢氣管道發(fā)生燃燒,經(jīng)近 20 分鐘努力將明火撲滅,無人員受傷,但造成多處管道破損。
事故發(fā)生時,三廢操作人員正在甲苯回收裝置的廢氣管道堵板沖開處下面涂設(shè)備螺絲黃油,事故過程描述與 6 車間主任助理、班組長的描述基本一致。
2.2事故發(fā)生時企業(yè)生產(chǎn)狀況
8 車間某產(chǎn)品反應(yīng)釜用到的原料有:甲苯、硫酸、三氯化鋁等。三氯化鋁投料方式采用敞開式的人工投料,反應(yīng)是在常壓情況下進(jìn)行的。反應(yīng)過程中,反應(yīng)釜不密閉,而是采用料袋將投料口堵塞的方式。8 車間廢氣本來是由甲苯回收裝置吸附后,再排入廢氣總管的。事故發(fā)生的當(dāng)天,恰好甲苯回收裝置檢修停用,廢氣未經(jīng)過甲苯吸附回收系統(tǒng)而直接排入廢氣總管內(nèi)。
5車間用到的原料有:丙酮、三氯氧磷、甲苯、異丙醇等。
6、7 車間停產(chǎn)檢修,車間廢氣管與總廢氣管已斷開,并有盲板密封。當(dāng)天當(dāng)時無任何接近廢氣管道的動火作業(yè)。
2.3事故原因分析研討
在事故分析時,我們首先要搞清是什么物質(zhì)產(chǎn)生爆炸?該物質(zhì)從哪里來?爆炸的要素是否具備?
我們按照爆炸“四要素”(氧化劑、點火源、可燃物及濃度)的思路查找事故原因。
1)氧化劑為空氣
各廢氣吸入口在吸入廢氣的同時也吸入了空氣,廢氣管道中有大量空氣,氧氣(氧化劑)一直存在。
2)點火源為靜電
因為廢氣管道為塑料材質(zhì),廢氣支管與總管連通為插入式三通,廢氣管道中氣體流速較大,在直角三通等處因為尖角易產(chǎn)生靜電(點火源)。
3)可燃物為甲苯
通過排除法確認(rèn)可燃物為來自 8 車間某產(chǎn)品反應(yīng)釜原料甲苯蒸汽。
4)可燃物的濃度
在我們懷疑管道中甲苯廢氣濃度是否超標(biāo)的時候,剛好一同前來參加研討的車間工藝員曾于 2010年 4 月對該反應(yīng)釜甲苯廢氣排放濃度進(jìn)行過測試,筆記中測試數(shù)據(jù)記錄表明:8 車間反應(yīng)釜廢氣出口管道中甲苯的含量在 5%~6%(v/v)左右。甲苯的爆炸下限為 1.2%(v/v),爆炸上限為7.0%(v/v),8 車間反應(yīng)釜廢氣出口管道中甲苯廢氣的含量處于爆炸極限之中。
5)爆炸發(fā)生時間分析
正常情況下 8 車間反應(yīng)釜廢氣是先經(jīng)冷凝器冷凝和活性碳吸附回收后,再排入廢氣總管。甲苯吸附回收裝置設(shè)備和管道均為金屬材質(zhì),電氣防爆,設(shè)備、管道進(jìn)行防靜電接地。由于沒有點火源,故甲苯吸附回收裝置設(shè)備和管道沒有發(fā)生過爆炸事故。
經(jīng)過甲苯吸附回收裝置后的甲苯廢氣濃度很低,故廢氣總管也沒有發(fā)生過爆炸事故。
事故發(fā)生的當(dāng)天,恰好 8 車間廢氣甲苯吸附回收裝置檢修停用,廢氣未經(jīng)過甲苯吸附回收系統(tǒng)直接排入廢氣總管內(nèi)。此段管道為塑料管道,與總管連接為直角三通,8 車間反應(yīng)釜廢氣出口管道中甲苯的含量在 5%~6%(v/v)左右。由于廢氣管道中甲苯氣體濃度處于爆炸極限范圍內(nèi);廢氣管道內(nèi)氣體流速較快,廢氣管道材質(zhì)為易產(chǎn)生靜電的塑料,而且有直角三通等處易產(chǎn)生靜電,具備了氣體爆炸發(fā)生的四個要素,因此發(fā)生了廢氣爆炸。
三、預(yù)防廢氣處理系統(tǒng)爆炸的安全對策措施
直接燃燒法、催化燃燒法、蓄熱式熱氧化爐(RTO)設(shè)備本身,只有在點火時,如果違反操作規(guī)程,先送氣后點火才會產(chǎn)生爆炸。
冷凝回收法、吸收、吸附法(直接吸附法、吸附-回收法、新型吸附-催化燃燒法)、直接燃燒法、催化燃燒法等廢氣處理設(shè)施本身一般不會產(chǎn)生爆炸。
廢氣處理系統(tǒng)爆炸的根本原因是廢氣中可燃?xì)怏w的濃度處于爆炸極限同時存在點火源。
因此防止廢氣處理系統(tǒng)爆炸的主要措施,是要控制各廢氣吸入點吸入的各有機(jī)氣體濃度小于爆炸下限,建議以爆炸下限30%(v/v)為設(shè)防值(我們在此稱之為安全濃度)。
如果某點吸入的有機(jī)氣體濃度過高,則應(yīng)采取冷卻或冷凍的方法,采用金屬換熱器械(如板式冷凝器)和金屬管道(要防靜電接地),使其中的有機(jī)氣體安全地冷卻成液體回流或收集到某容器,使進(jìn)入廢氣收集系統(tǒng)的廢氣濃度降低到安全濃度。
以蓄熱式熱氧化爐(RTO)為例,仔細(xì)閱讀其使用說明中,RTO 設(shè)備生產(chǎn)廠家均提到只適用于低濃度(低于30%LFL)、大風(fēng)量。
化工企業(yè)不僅要關(guān)注正常狀況下,各廢氣吸入點吸入的廢氣濃度;更要關(guān)注非正常狀態(tài)下,各廢氣吸入點吸入的廢氣濃度,例如要考慮反應(yīng)器沖料、安全泄放等高濃度有機(jī)氣體,大大高于爆炸下限,切不可排入只適用于低濃度有機(jī)廢氣處理系統(tǒng),以防產(chǎn)生廢氣管道系統(tǒng)和處理設(shè)施發(fā)生爆炸事故。由于廢氣管道連接許多設(shè)備和車間,廢氣處理系統(tǒng)的爆炸事故,嚴(yán)重時會引起其他設(shè)備或車間的連鎖反應(yīng)。
對有可能產(chǎn)生沖料和反應(yīng)失控的反應(yīng)器,企業(yè)應(yīng)預(yù)先研究采取安全排放的措施,首先應(yīng)采取溫度和壓力的檢測報警或連鎖等安全自動化手段,防止沖料和反應(yīng)失控制現(xiàn)象的發(fā)生;其次應(yīng)設(shè)計安全泄料設(shè)施,以滿足萬一發(fā)生沖料事故或反應(yīng)失控制安全泄放系統(tǒng)動作,大量有機(jī)體氣體的安全泄放和處理,例如設(shè)計事故緩沖罐,甚至高空排放設(shè)施。
為防止有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)爆炸事故,我們建議企業(yè)應(yīng)從以下幾個方面采取具體的安全對策措施:
1)要對高濃度廢氣進(jìn)行預(yù)處理,降低排入廢氣處理系統(tǒng)的可燃物濃度,如對反應(yīng)釜廢氣排放口設(shè)冷卻或冷凍回收裝置,或活性碳纖維吸附回收裝置;禁止高于爆炸下限的可燃蒸汽和可燃?xì)怏w排入廢氣管道系統(tǒng)。
2)在廢氣系統(tǒng)設(shè)計前,要對各廢氣吸入點的可燃物濃度進(jìn)行檢測分析,控制各廢氣吸入點的易燃物質(zhì)的濃度低于爆炸下限,并要進(jìn)行正常工作狀態(tài)或非正常工作狀態(tài)下的可燃?xì)怏w濃度檢測。
當(dāng)某廢氣吸入點各種工況可能吸入的可燃物濃度超過安全濃度時,要改變工藝或設(shè)備,如補充新風(fēng)或進(jìn)行惰性化處理。
對可能會產(chǎn)生廢氣濃度接近爆炸下限的廢氣支管道設(shè)置在線可燃?xì)怏w濃度檢測報警器和新風(fēng)補充設(shè)施,在線可燃?xì)怏w濃度檢測報警器應(yīng)和新風(fēng)補充設(shè)施聯(lián)鎖。
3)反應(yīng)釜應(yīng)盡可能采用密閉式,避免有空氣(氧氣)進(jìn)入反應(yīng)釜和廢氣管道,降低高濃度廢氣中氧氣含量,當(dāng)然能惰性化(如充氮)更好。
4)對各車間內(nèi)產(chǎn)生的廢氣進(jìn)行分析,存在禁忌物質(zhì)的廢氣應(yīng)分開處理。
5)當(dāng)廢氣管道內(nèi)可能沉積危險物質(zhì)時(如活性碳、疊氮化合物等)時應(yīng)考慮對廢氣管道進(jìn)行定期清洗。
6)在廢氣管道設(shè)計、安裝時須應(yīng)考慮有一定的斜度,方便積液的排除,避免積液積聚過多而導(dǎo)致廢氣管變形和殘留的混合物過多,引起二次爆炸;并對廢氣總管內(nèi)的積液進(jìn)行定時排液。
7)廢氣管道在各危險點(如支管接入總管處)設(shè)泄爆板,以減少爆炸氣體大量回沖反應(yīng)釜,產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。
8)在各車間廢氣支管與總管連接處采用軟連接,方便事故狀態(tài)下的緊急切斷,或在各車間廢氣支管上加裝阻火器,也可以在各車間設(shè)置水噴淋預(yù)處理塔(注:此水噴淋預(yù)處理塔同時還能起到阻火作用;此噴淋水應(yīng)定期檢測,超過規(guī)定濃度時應(yīng)及時更換),預(yù)處理后排到廢氣總管,以防故狀態(tài)下的火災(zāi)蔓延。如經(jīng)濟(jì)實力許可,廢氣管道應(yīng)優(yōu)先采用不銹鋼材料,以便更好地消除廢氣管道的靜電。
當(dāng)企業(yè)不能承接全部廢氣管道采用不銹鋼材料時,建議廢氣管道上的三通、四通(含流動方向20 倍管徑長度范圍內(nèi))應(yīng)盡可能采用不銹鋼材料,并要做好防靜電接地工作。
支管接入總管等三通入口,應(yīng)傾斜一定角度,以使氣流平緩和減少氣體流動阻力,既能減小靜電,也能降低消耗。
四、結(jié)論
1)RTO 蓄熱式熱力焚燒爐是明火設(shè)備,和催化氧化等廢氣處理設(shè)備一樣,本身一般不會產(chǎn)生爆炸事故。
2)廢氣處理系統(tǒng)產(chǎn)生爆炸(廢氣管道爆炸、RTO 蓄熱式熱力焚燒爐或催化氧化裝置爆炸),其本質(zhì)原因是其中的有機(jī)廢氣濃度高于爆炸下限,并存在靜電、高熱或明火等點火源。
3)企業(yè)在重視RTO 蓄熱式熱力焚燒爐等廢氣處理設(shè)備安全自動化功能(有機(jī)廢氣的濃度檢測和連鎖)的同時,更應(yīng)重視各廢氣吸入點有機(jī)廢氣濃度的檢測和預(yù)處理,并考慮事故狀態(tài)下的緊急排放和處理,確保整個廢氣處理系統(tǒng)所有廢氣吸入點吸入的有機(jī)廢氣濃度處于安全濃度以下,從源頭上消除廢氣處理系統(tǒng)發(fā)生爆炸。
環(huán)保部門在推廣 RTO 等廢氣處理技術(shù)時,應(yīng)要求企業(yè)對廢氣收集系統(tǒng)進(jìn)行安全性分析,確保廢氣收集管道系統(tǒng)不會產(chǎn)生爆炸事故,才能把好事辦好。
來源:環(huán)保之家論壇 作者:王新民