化工廢氣處理設(shè)備爆炸原因分析及預(yù)防措施

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(yùn)行成本低、能處理大風(fēng)量低濃度等優(yōu)點(diǎn)。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(shí)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(bào)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(jì)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(diǎn) 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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)火源為靜電
因?yàn)閺U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?yàn)榧饨且桩a(chǎn)生靜電（點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)火時，如果違反操作規(guī)程，先送氣后點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(bào)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(jì)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(jì)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(jì)前，要對各廢氣吸入點(diǎn)的可燃物濃度進(jìn)行檢測分析，控制各廢氣吸入點(diǎn)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(diǎn)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(bǔ)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(bào)警器和新風(fēng)補(bǔ)充設(shè)施，在線可燃?xì)怏w濃度檢測報(bào)警器應(yīng)和新風(fēng)補(bǔ)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(jì)、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(diǎn)（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(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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