廢氣焚燒爐運行過程中的危險因素及安全措施

陳晶妮，倪亮(江蘇國恒安全評價咨詢服務(wù)有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

隨著環(huán)保要求的提高，各地方對化工行業(yè)領(lǐng)域污染物排放加強了管控。高架火炬應(yīng)當(dāng)用于應(yīng)急處置，不得作為日常大氣污染處理設(shè)施。利用高架火炬處理的廢氣，僅限于工藝裝置開停工、火災(zāi)事故、公用工程事故及其他事故等緊急狀態(tài)下，無法進(jìn)行有效回收的可燃性氣體?；て髽I(yè)為了達(dá)到環(huán)保的要求，增設(shè)尾氣處置環(huán)保設(shè)施。

從目前化工企業(yè)尾氣處理設(shè)施引發(fā)的安全事故案例可以看到，尾氣處理設(shè)施運行過程中重點關(guān)注在環(huán)保達(dá)標(biāo)問題而缺少必要的安全風(fēng)險管控和安全措施，從而引發(fā)了各種安全事故。如江蘇某化工企業(yè)蓄熱式燃燒爐(RTO)裝置于2015年3月8日發(fā)生爆炸，事故直接原因是氣體冷凝溫度較高，冷凝后氣相中的有機化合物含量增高，廢氣收集管道上稀釋的配風(fēng)空氣不足，導(dǎo)致進(jìn)入RTO廢氣的濃度達(dá)到爆炸極限。間接原因是廢氣收集管道上未設(shè)置在線廢氣濃度檢測儀及防爆泄壓設(shè)施。2019年6月16日安徽某制藥廠RTO裝置因廢氣中甲醇濃度突然升高導(dǎo)致爆炸，可能的原因：(1)該裝置未安裝實時廢氣濃度檢測儀，不能及時檢測并切斷高濃度廢氣，造成高濃度廢氣在爐內(nèi)蓄熱材料中升溫過程發(fā)生爆炸；(2)該裝置未安裝阻火器，不能阻斷爆燃的廢氣回火至廢氣收集部分。

因此，在增設(shè)尾氣處理設(shè)施同時采取針對性的安全措施，對提升尾氣處理設(shè)施的本質(zhì)安全十分重要。

1 焚燒爐的種類

廢氣焚燒爐一般分為直燃式廢氣焚燒爐和蓄熱式廢氣焚燒爐。

(1)直燃式廢氣焚燒爐(TO)。采用絕熱高溫焚燒方式，主要功能是將廢氣中的有機廢物分解，生成CO2和H2O。如由霍尼韋爾UOP凱勒特燃燒技術(shù)與設(shè)備(上海)有限公司研發(fā)的直燃式廢氣焚燒爐，在運行溫度950 ℃，在良好的煙氣湍流設(shè)計的條件下，焚毀去除率可以大于99.99%(最差工況可保證不低于97%)。上海石化2015年安裝使用直燃式廢氣焚燒爐，處理烴類廢氣，廢氣處理量2 000 Nm3/h；路博潤添加劑(珠海)有限公司2012年安裝使用立式焚燒爐，處理醇類廢氣，廢氣處理量1 926 Nm3/h，均運行良好。

(2)蓄熱式廢氣焚燒爐(RTO)。采用蓄熱式氧化焚燒技術(shù)，將揮發(fā)性有機廢氣經(jīng)蓄熱室吸熱升溫后，進(jìn)入燃燒室高溫焚燒，使廢氣氧化轉(zhuǎn)化為CO2和H2O，再經(jīng)過另外一個蓄熱室蓄存熱量后排放，蓄存的熱量用于預(yù)熱新進(jìn)入的廢氣，經(jīng)過周期性的改變氣流方向從而保持爐膛溫度穩(wěn)定，相較于傳統(tǒng)的直燃式氧化爐相比，具有熱回收率高和有機廢氣去除率高的特點。目前精細(xì)化工企業(yè)在處理廢氣中已廣泛運用該項技術(shù)。利民化工股份有限公司二期2018年安裝使用廢氣蓄熱焚燒爐，處理甲硫醇、污水站廢氣、廢鹽烘干等廢氣，廢氣處理量40 000 Nm3/h；百川化工(如皋)有限公司2017年安裝使用廢氣蓄熱焚燒爐，處理偏酐車間廢氣、偏酐三辛酯車間廢氣、醋酸酯車間廢氣，廢氣處理量50 000 Nm3/h，均運行良好。

2 焚燒爐運行過程的危險因素

焚燒爐運行過程與上游尾氣密切相關(guān)，從尾氣自身危險性、尾氣收集系統(tǒng)以及焚燒爐運行過程進(jìn)行整體安全風(fēng)險分析，能夠全面辨識危險因素。

2.1 尾氣帶來的風(fēng)險

化工企業(yè)的尾氣通常含有多種組份氣體，各組份氣體決定固有危險特性，常見尾氣含有甲醇、二氯苯、一氧化氮等。甲醇屬于易燃液體，爆炸極限范圍5.5%～44%，閃點12 ℃；二氯苯，屬于急性毒性吸入，類別3，職業(yè)接觸限制(PC-TWA)50 mg/m3；一氧化氮，氧化性氣體，類別1加壓氣體，急性毒性-吸入，類別3，職業(yè)接觸限制(PC-TWA)15 mg/m3。由此說明尾氣具有易燃、有毒、腐蝕等危險。

2.2 尾氣收集系統(tǒng)運行風(fēng)險

一般情況下，上游裝置廢氣利用其自身壓力排至焚燒爐，或者經(jīng)氣-液分離罐分液再經(jīng)風(fēng)機增壓引進(jìn)焚燒爐處置。在廢氣收集運輸過程中產(chǎn)生如下風(fēng)險：(1)對各廢氣收集的過程中，若未對廢氣進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理措施，可能導(dǎo)致廢氣管線腐蝕破損、堵塞憋壓等情況，導(dǎo)致廢氣管線故障，進(jìn)而引發(fā)廢氣泄漏，可能引起火災(zāi)、中毒等事故；(2)各廢氣產(chǎn)生點的廢氣管線與廢氣總管之間、廢氣總管與廢氣緩沖罐之間若未加裝阻火器等安全設(shè)施或阻火設(shè)施失效，在部分廢氣管線發(fā)生火災(zāi)事故的情況下，可能引燃整個廢氣系統(tǒng)，導(dǎo)致嚴(yán)重的事故；(3)各股廢氣中的污染物成分若存在互為禁忌的成分，在匯入總管后可能引發(fā)反應(yīng)，導(dǎo)致管道內(nèi)溫度、壓力上升，引起管道憋壓，容易造成廢氣泄漏；(4)新增廢氣管線若不進(jìn)行合理布置，不采取一定的防腐措施，可能導(dǎo)致管線腐蝕破損；(5)廢氣管線防靜電、防火措施未安裝完善，廢氣管線存在焊接安裝缺陷等，可能導(dǎo)致廢氣泄漏引起火災(zāi)，甚至引起整個廢氣管線系統(tǒng)火災(zāi)。

2.3 焚燒爐運行風(fēng)險

當(dāng)達(dá)到爆炸極限值高濃度廢氣進(jìn)入爐內(nèi)蓄熱材料，升溫過程中可能發(fā)生爆炸，以下運行情況會導(dǎo)致廢氣濃度升高：(1)上游裝置排放的廢氣要經(jīng)過洗滌塔進(jìn)行水洗降低廢氣濃度和溫度，如果在水洗系統(tǒng)發(fā)生故障停車或是檢修停工的情況下，仍然將廢氣排入焚燒爐裝置，此時廢氣的有機物濃度和廢氣溫度將嚴(yán)重超標(biāo)；(2)上游裝置發(fā)生激烈的工況波動導(dǎo)致排放大量廢氣，或是上游裝置的事故緊急泄放氣亦被送入焚燒爐裝置處理，因為此時的廢氣中的有機物濃度、廢氣溫度嚴(yán)重超標(biāo)；(3)如果對廢氣管線的吸入點不進(jìn)行有效的有機物濃度檢測和報警，且當(dāng)廢氣的有機物濃度超標(biāo)時沒有采取有效的濃度稀釋、氣體惰性化以及事故氣緩沖和高空排放等措施。

焚燒爐裝置采用天然氣作為燃料，助燃廢氣的氧化過程。天然氣屬于易燃?xì)怏w，如果通入焚燒爐裝置的天然氣壓力過小，可能引起回火爆炸；通入的天然氣如果控制不當(dāng)導(dǎo)致過量，可能會引起裝置燃燒室內(nèi)形成爆炸危險環(huán)境；天然氣一旦從管道內(nèi)發(fā)生外漏，也可能引起燃爆事故。焚燒爐裝置在點火失敗進(jìn)行二次點火的過程中，爐膛內(nèi)可能已經(jīng)形成了爆炸危險性氣體環(huán)境，若不進(jìn)行氣體組分、氧含量的檢測，直接點火可能引起爆炸。焚燒爐裝置燃燒室內(nèi)的燃燒器設(shè)計不合理造成燃燒效率低下，燃燒器未安裝長明火裝置或裝置失靈，都可能造成燃燒室內(nèi)出現(xiàn)爆炸危險環(huán)境，可能造成燃爆事故。焚燒爐裝置的焚燒室內(nèi)因進(jìn)氣量過大，燃燒器發(fā)生故障，蓄熱體超溫，尾氣排放系統(tǒng)不暢通等原因一旦出現(xiàn)正壓狀態(tài)，可能導(dǎo)致高溫氣體回流廢氣管網(wǎng)，甚至發(fā)生回火，引起廢氣管道燃爆事故，嚴(yán)重時波及到上游裝置和設(shè)施。焚燒爐裝置的引風(fēng)機如果出現(xiàn)故障，會導(dǎo)致燃燒室內(nèi)出現(xiàn)正壓引起氣體溫度升高和回流，高溫氣體竄回管網(wǎng)可能導(dǎo)致回火燃爆，甚至嚴(yán)重波及上游裝置、設(shè)施。

尾氣排放溫度過高，如果不能及時切斷焚燒爐裝置的廢氣進(jìn)氣，或是高濃度廢氣緊急泄放口進(jìn)入了尾氣排放管線，可能導(dǎo)致超標(biāo)濃度的尾氣在高溫下發(fā)生爆炸。廢氣管線、焚燒爐裝置的燃燒室等部位如果未安裝泄壓防爆裝置，一旦發(fā)生超壓、爆炸，可能會造成嚴(yán)重的事故。廢氣中含有有機化合物，一旦發(fā)生泄漏可能導(dǎo)致周邊人員發(fā)生中毒、窒息事故。

2.4 廢熱鍋爐系統(tǒng)運行風(fēng)險

通常情況，焚燒后的高溫?zé)煔膺M(jìn)入余熱鍋爐進(jìn)行熱量回收，煙氣溫度降至符合要求，同時副產(chǎn)一定溫度的飽和蒸汽用于廠內(nèi)回收利用，節(jié)約成本。經(jīng)處理的煙氣進(jìn)入煙囪進(jìn)行排放，在煙囪上部設(shè)置煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)，對煙氣中的有害物質(zhì)進(jìn)行在線監(jiān)測。廢熱鍋爐系統(tǒng)運行過程中，由于作業(yè)人員操作失誤以及安全保護裝置失靈等原因，可造成鍋爐缺水、滿水、超壓、汽水共沸、水擊等后果，如不及時處理或處理不當(dāng)，有可能引起鍋爐物理爆炸事故[1]。余熱鍋爐及蒸汽系統(tǒng)由于安全附件失靈(主要是安全閥、壓力表等)，或超壓運行，或未定期檢測，或未效驗、年檢，或過熱，或嚴(yán)重腐蝕，有裂紋，保護裝置失效等因素，均有可能發(fā)生爆裂甚至爆炸事故。

3 焚燒爐應(yīng)采取的安全措施

3.1 安全設(shè)施的配備

(1)每股尾氣進(jìn)焚燒爐爐膛前均在管道上設(shè)有防轟爆型阻火器或者防火閥，防止氣體倒竄、回火影響上游管網(wǎng)和設(shè)備。(2)廢氣管道及連接配件宜采用金屬材質(zhì)，可導(dǎo)除靜電。廢氣管道和設(shè)備殼體都需要接地，并且在法蘭處要做好接地跨接，防止靜電產(chǎn)生和積聚。(3)排氣管道截面積宜比進(jìn)氣管面積大，減少氣體流動阻力，防止?fàn)t體內(nèi)憋壓。(4)嚴(yán)格控制焚燒爐進(jìn)口有機物的濃度是預(yù)防爆炸的一個最根本的措施。特別是蓄熱式焚燒爐，本身就是一個點火源，如果爐膛內(nèi)進(jìn)口濃度已經(jīng)超過爆炸下限，即使前面用了防爆風(fēng)機、管道采用了防靜電都無濟于事。由于有機物的爆炸下限隨著氣體溫度的提高會大幅降低，同時由于化工企業(yè)有機廢氣的突發(fā)性排放，入口濃度必須遠(yuǎn)低于爆炸下限。廢氣入口及必要的廢氣支路入口處安裝在線廢氣濃度檢測儀，對廢氣濃度進(jìn)行實時監(jiān)測，并在焚燒爐入口處加稀釋風(fēng)閥和緩沖罐，濃度監(jiān)測儀、稀釋風(fēng)閥、風(fēng)機等儀器設(shè)備之間的連鎖控制，確保進(jìn)入焚燒爐裝置的廢氣濃度低于爆炸極限下限的25%。(5)各股廢氣在匯入總管后，進(jìn)入焚燒爐，應(yīng)進(jìn)行氧含量在線檢測?？刂瓶扇?xì)怏w中含氧量不超過2%，若超標(biāo)立即連鎖切斷連通的焚燒爐，并緊急放空。(6)為防止爆炸事故，在爐膛頂部設(shè)防爆門，廢氣輸送管、緩沖罐內(nèi)加泄爆片。配備這些泄爆裝置，發(fā)生爆炸時，可把爆炸的損失降到最低。爐膛頂部設(shè)防爆門要求朝向為無人員、設(shè)備存在的方向。當(dāng)爐內(nèi)壓力急劇升高時，防爆門會自動打開泄壓；當(dāng)爐內(nèi)過熱時，通過溫度連鎖，應(yīng)急排放閥可以及時將爐內(nèi)熱量排放。(7)焚燒爐裝置采用天然氣作為燃料，在天然氣管道容易發(fā)生泄漏的部位和焚燒爐爐膛進(jìn)口處應(yīng)設(shè)置可燃?xì)怏w報警器。(8)防止廢氣燃燒不完全產(chǎn)生一氧化碳導(dǎo)致中毒事故，焚燒爐爐膛進(jìn)口處設(shè)置了一氧化碳有毒氣體報警器。(9)管道氣體溫度超過60 ℃時，應(yīng)做隔熱保護和相關(guān)警示標(biāo)識，防止現(xiàn)場巡檢人員意外觸碰導(dǎo)致燙傷。

3.2 自動化控制

焚燒爐的工藝過程應(yīng)采用自動化控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，對關(guān)鍵設(shè)備(設(shè)施)的重要控制參數(shù)，如：廢氣組分濃度、廢氣溫度、廢氣壓力、廢氣流量、燃燒室溫度、燃燒室壓力、尾氣溫度、尾氣流量、尾氣組分濃度、尾氣氧含量、分液罐液位等，應(yīng)設(shè)置就地、遠(yuǎn)傳儀表、控制閥等進(jìn)行有效監(jiān)測和控制。重點設(shè)備對溫度、壓力、流量、液位等主要參數(shù)設(shè)置指示、調(diào)節(jié)以及超限報警，關(guān)鍵的工藝控制點設(shè)置安全聯(lián)鎖[2]。

對于直燃式焚燒爐，采用DCS控制系統(tǒng)和SIS安全儀表系統(tǒng)進(jìn)行安全聯(lián)鎖相結(jié)合控制。DCS和SIS選用完全獨立的兩套系統(tǒng)，重要部件冗余設(shè)計，提高系統(tǒng)的可靠性。

DCS控制系統(tǒng)主要控制回路如下：(1)焚燒爐爐膛溫度控制：焚燒爐溫度控制為分程控制，當(dāng)溫度低于設(shè)定最低值時，增加燃料氣流量；當(dāng)溫度高于設(shè)定最高值時，降低燃料氣流量同時增加爐膛冷卻風(fēng)流量。(2)燃燒器助燃空氣控制：燃燒器助燃空氣，通過所有廢氣流量對應(yīng)助燃空氣比例和燃料氣流量對應(yīng)助燃空氣流量總和調(diào)節(jié)助燃空氣流量。(3)鍋爐液位控制：鍋爐液位通過調(diào)節(jié)鍋爐給水泵進(jìn)口流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。(4)氣液分離穩(wěn)壓均使用分程控制，氣液分離罐低于設(shè)定值時，控制氮氣補氣，當(dāng)氣液分離罐壓力高于設(shè)計值時，變頻控制風(fēng)機排氣。

SIS安全聯(lián)鎖邏輯控制點主要是燃料氣壓力、儀表風(fēng)壓力、焚燒爐溫度、助燃風(fēng)流量分別與停車系統(tǒng)、切斷燃料氣和廢氣雙切斷閥聯(lián)鎖控制。

3.3 焚燒爐點火作業(yè)過程注意事項

焚燒爐爐膛內(nèi)可能已經(jīng)形成了爆炸危險性氣體環(huán)境，焚燒爐點火作業(yè)過程容易發(fā)生閃爆事故，可按以下3點進(jìn)行操作：(1)對點火操作開展安全風(fēng)險評估，使參加點火操作的職工對點火過程的風(fēng)險有較深刻的認(rèn)識。(2)爐子點火過程中的每一個步驟都要嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行，并且經(jīng)過崗位、班長及車間三級確認(rèn)后才能進(jìn)行下一步驟，要求有確認(rèn)簽名表。(3)點火過程由當(dāng)班班長統(tǒng)一指揮，裝置主管及工藝員監(jiān)督落實，吹掃時間按原來的5 min不變，內(nèi)漏的調(diào)節(jié)閥要及時處理好，確保儀表完好，符合工藝要求方可進(jìn)行點火操作。焚燒爐裝置燃燒室進(jìn)行二次點火的過程，必須嚴(yán)格按照安全規(guī)程進(jìn)行，應(yīng)進(jìn)行必要的氣體組分、氧含量檢測，確保爐膛內(nèi)未形成爆炸危險環(huán)境。

4 結(jié)語

隨著目前化工行業(yè)環(huán)保要求的提升，新建的高效率環(huán)保處理設(shè)施基本普及，若對環(huán)保治理設(shè)施缺乏整體性的安全風(fēng)險分析、未采取恰當(dāng)?shù)陌踩胧瑒t可能存在安全隱患。本文具體分析了化工廢氣焚燒爐現(xiàn)存的危險有害因素，提出了針對性的防止安全事故措施、增加監(jiān)測監(jiān)控設(shè)施、自動聯(lián)鎖保護等具體措施，防止事故發(fā)生，使環(huán)保治理設(shè)施達(dá)到環(huán)保要求的同時安全運行。