化工废气处理系统爆炸原因分析及预防措施

化工废气处理系统爆炸原因分析及预防措施？摘 要通过对一起有机废气管道系统爆炸事故的原因分析，提出了预防废气处理系统爆炸的安全对策措施，并得出了相关结论：蓄热式热力焚烧炉（RTO）等废气处理设备本身一般不会产生爆炸事故；废气处理系统产生爆炸的本质原因是有机废气浓度高于爆炸下限，并存在点火源；企业应重视废气处理系统有机废气浓度的检测和预处理，并考虑事故状态下的紧急排放和处理，确保有机废气处于安全浓度以下，消除爆炸的根源。1. 前 言化工企业的废气成分比较复杂，一般为多组份混合气体，通常具有易燃易爆性、毒害性且伴有臭味，易对周边环境造成污染，严重时会引发社会群体事件。各级环保部门在多年前就提出了“零排放”的概念，要求企业对化工废气进行收集、治理。有机废气治理常见方法有：冷凝回收法、吸收、吸附法（直接吸附法、吸附-回收法、新型吸附-催化燃烧法）、直接燃烧法、催化燃烧法等。目前化工企业常见的有机废气治理设施为蓄热式热氧化炉（RTO）。与传统的催化燃烧、直燃式热氧化炉（TO）相比，具有热效率高（95%）、运行成本低、能处理大风量低浓度等优点。其原理是把有机废气加热到760以上，使废气中的 VOC 氧化分解成二氧化碳和水。氧化产生的高温气体流经特制的陶瓷蓄热体，使陶瓷体升温而“蓄热”，此“蓄热”用于预热后续进入的有机废气，从而节省废气升温的燃料消耗。陶瓷蓄热体分成两个（含两个）以上的区或室，每个蓄热室依次经历蓄热-放热-清扫等程序，周而复始，连续工作。蓄热室“放热”后应立即引入部分已处理合格的洁净排气对该蓄热室进行清扫（以保证VOC 去除率在 95%以上），只有待清扫完成后才能进入“蓄热” 程序。RTO 技术适用于大风量、低浓度的废气治理，是目前国内治理有机废气较成熟、实用的方法。近五六年来各级环保部门都在推广 RTO技术，但由于发生过数起废气处理系统爆炸事故，且没有发布正式的事故调查报告，事故原因不明，使不少企业对废气处理系统心有余悸，不敢使用RTO 技术。本文结合一起有机废气管道系统爆炸事故来分析废气处理系统的爆炸原因，并提出了安全对策措施，以供化工企业废气处理系统的防爆设计或安全隐患排查治理。2. 一起有机废气管道系统爆炸事故原因分析2011年7月中旬某精细化工企业发生一起有机废气管道爆炸事故。该企业在查找事故原因时，意见比较分散。为进一步搞清事故原因，2011年8月2日该企业安环部经理带领工艺、设备、车间主任、车间安全员等相关人员到宁波寰球安全科技有限公司进行事故原因分析研讨。宁波寰球安全科技有限公司曾多次做过该企业的安全评价，对该企业的工艺、设备、原辅材料等比较了解。通过研讨，使我们双方对废气处理系统的爆炸事原因有了深入的认识。2. 1 事故简介2011年7月中旬上午 10点50分左右，6车间主任助理和班组长在 6、7 车间之间西面的主道路桥架（废气管）下，突然听到一声沉闷的声响，紧接着又听到一声响声。此时发现废气管有点烟雾，响声大致在7、8车间之间的这段废气管道上。两声响声后又连着一声响声，发现8车间甲苯回收装置上的废气管道一头堵板（泄爆板）冲开并有火焰冒出。事故发生后，企业有关部门人员马上到现场查看和处置，爆炸导致废气管上与车间对接塑料管道焊接处冲开。到现场约 2 分钟后发现 5 车间西南角处废气管道发生燃烧，经近 20 分钟努力将明火扑灭，无人员受伤，但造成多处管道破损。事故发生时，三废操作人员正在甲苯回收装置的废气管道堵板冲开处下面涂设备螺丝黄油，事故过程描述与 6 车间主任助理、班组长的描述基本一致。2. 2 事故发生时企业生产状况8 车间某产品反应釜用到的原料有：甲苯、硫酸、三氯化铝等。三氯化铝投料方式采用敞开式的人工投料，反应是在常压情况下进行的。反应过程中，反应釜不密闭，而是采用料袋将投料口堵塞的方式。8 车间废气本来是由甲苯回收装置吸附后，再排入废气总管的。事故发生的当天，恰好甲苯回收装置检修停用，废气未经过甲苯吸附回收系统而直接排入废气总管内。图1 爆炸管道现场照片5车间用到的原料有：丙酮、三氯氧磷、甲苯、异丙醇等。6、7 车间停产检修，车间废气管与总废气管已断开，并有盲板密封。当天当时无任何接近废气管道的动火作业。2. 3 事故原因分析研讨在事故分析时，我们首先要搞清是什么物质产生爆炸？该物质从哪里来？爆炸的要素是否具备？我们按照爆炸“四要素”（氧化剂、点火源、可燃物及浓度）的思路查找事故原因。1）氧化剂为空气各废气吸入口在吸入废气的同时也吸入了空气，废气管道中有大量空气，氧气（氧化剂）一直存在。2）点火源为静电因为废气管道为塑料材质，废气支管与总管连通为插入式三通，废气管道中气体流速较大，在直角三通等处因为尖角易产生静电（点火源）。3）可燃物为甲苯通过排除法确认可燃物为来自 8 车间某产品反应釜原料甲苯蒸汽。 4）可燃物的浓度在我们怀疑管道中甲苯废气浓度是否超标的时候，刚好一同前来参加研讨的车间工艺员曾于2010年4月对该反应釜甲苯废气排放浓度进行过测试，笔记中测试数据记录表明：8 车间反应釜废气出口管道中甲苯的含量在 5%6%(v/v)左右。甲苯的爆炸下限为 1.2%(v/v)，爆炸上限为7.0%(v/v)，8 车间反应釜废气出口管道中甲苯废气的含量处于爆炸极限之中。5）爆炸发生时间分析正常情况下 8 车间反应釜废气是先经冷凝器冷凝和活性碳吸附回收后，再排入废气总管。甲苯吸附回收装置设备和管道均为金属材质，电气防爆，设备、管道进行防静电接地。由于没有点火源，故甲苯吸附回收装置设备和管道没有发生过爆炸事故。经过甲苯吸附回收装置后的甲苯废气浓度很低，故废气总管也没有发生过爆炸事故。事故发生的当天，恰好 8 车间废气甲苯吸附回收装置检修停用，废气未经过甲苯吸附回收系统直接排入废气总管内。此段管道为塑料管道，与总管连接为直角三通，8 车间反应釜废气出口管道中甲苯的含量在 5%6%(v/v)左右。由于废气管道中甲苯气体浓度处于爆炸极限范围内；废气管道内气体流速较快，废气管道材质为易产生静电的塑料，而且有直角三通等处易产生静电，具备了气体爆炸发生的四个要素，因此发生了废气爆炸。3 预防废气处理系统爆炸的安全对策措施直接燃烧法、催化燃烧法、蓄热式热氧化炉（RTO）设备本身，只有在点火时，如果违反操作规程，先送气后点火才会产生爆炸。冷凝回收法、吸收、吸附法（直接吸附法、吸附-回收法、新型吸附-催化燃烧法）、直接燃烧法、催化燃烧法等废气处理设施本身一般不会产生爆炸。废气处理系统爆炸的根本原因是废气中可燃气体的浓度处于爆炸极限同时存在点火源。因此防止废气处理系统爆炸的主要措施，是要控制各废气吸入点吸入的各有机气体浓度小于爆炸下限，建议以爆炸下限30%(v/v)为设防值（我们在此称之为安全浓度）。如果某点吸入的有机气体浓度过高，则应采取冷却或冷冻的方法，采用金属换热器械（如板式冷凝器）和金属管道（要防静电接地），使其中的有机气体安全地冷却成液体回流或收集到某容器，使进入废气收集系统的废气浓度降低到安全浓度。以蓄热式热氧化炉（RTO）为例，仔细阅读其使用说明中，RTO 设备生产厂家均提到只适用于低浓度(低于30%LFL)、大风量。化工企业不仅要关注正常状况下，各废气吸入点吸入的废气浓度；更要关注非正常状态下，各废气吸入点吸入的废气浓度，例如要考虑反应器冲料、安全泄放等高浓度有机气体，大大高于爆炸下限，切不可排入只适用于低浓度有机废气处理系统，以防产生废气管道系统和处理设施发生爆炸事故。由于废气管道连接许多设备和车间，废气处理系统的爆炸事故，严重时会引起其他设备或车间的连锁反应。对有可能产生冲料和反应失控的反应器，企业应预先研究采取安全排放的措施，首先应采取温度和压力的检测报警或连锁等安全自动化手段，防止冲料和反应失控制现象的发生；其次应设计安全泄料设施，以满足万一发生冲料事故或反应失控制安全泄放系统动作，大量有机体气体的安全泄放和处理，例如设计事故缓冲罐，甚至高空排放设施。为防止有机废气处理系统爆炸事故，我们建议企业应从以下几个方面采取具体的安全对策措施：1）要对高浓度废气进行预处理，降低排入废气处理系统的可燃物浓度，如对反应釜废气排放口设冷却或冷冻回收装置，或活性碳纤维吸附回收装置；禁止高于爆炸下限的可燃蒸汽和可燃气体排入废气管道系统。2）在废气系统设计前，要对各废气吸入点的可燃物浓度进行检测分析，控制各废气吸入点的易燃物质的浓度低于爆炸下限，并要进行正常工作状态或非正常工作状态下的可燃气体浓度检测。当某废气吸入点各种工况可能吸入的可燃物浓度超过安全浓度时，要改变工艺或设备，如补充新风或进行惰性化处理。对可能会产生废气浓度接近爆炸下限的废气支管道设置在线可燃气体浓度检测报警器和新风补充设施，在线可燃气体浓度检测报警器应和新风补充设施联锁。3）反应釜应尽可能采用密闭式，避免有空气（氧气）进入反应釜和废气管道，降低高浓度废气中氧气含量，当然能惰性化（如充氮）更好。4）对各车间内产生的废气进行分析，存在禁忌物质的废气应分开处理。5）当废气管道内可能沉积危险物质时（如活性碳、叠氮化合物等）时应考虑对废气管道进行定期清洗。6）在废气管道设计、安装时须应考虑有一定的斜度，方便积液的排除，避免积液积聚过多而导致废气管变形和残留的混合物过多，引起二次爆炸；并对废气总管内的积液进行定时排液。7）废气管道在各危险点（如支管接入总管处）设泄爆板，以减少爆炸气体大量回冲反应釜，产生连锁反应。8）在各车间废气支管与总管连接处采用软连接，方便事故状态下的紧急切断，或在各车间废气支管上加装阻火器，也可以在各车间设置水喷淋预处理塔（注：此水喷淋预处理塔同时还能起到阻火作用；此喷淋水应定期检测，超过规定浓度时应及时更换），预处理后排到废气总管，以防故状态下的火灾蔓延。如经济实力许可，废气管道应优先采用不锈钢材料，以便更好地消除废气管道的静电。当企业不能承接全部废气管道采用不锈钢材料时，建议废气管道上的三通、四通（含流动方向20 倍管径长度范围内）应尽可能采用不锈钢材料，并要做好防静电接地工作。支管接入总管等三通入口，应倾斜一定角度，以使气流平缓和减少气体流动阻力，既能减小静电，也能降低消耗。4 结论1）RTO 蓄热式热力焚烧炉是明火设备，和催化氧化等废气处理设备一样，本身一般不会产生爆炸事故。2）废气处理系统产生爆炸（废气管道爆炸、RTO 蓄热式热力焚烧炉或催化氧化装置爆炸），其本质原因是其中的有机废气浓度高于爆炸下限，并