VOCs治理安全防爆：VOCs的閃點(diǎn)及爆炸極限

燃燒技術(shù)是當(dāng)下處理VOCs的主流技術(shù)，其中包含催化燃燒、熱力燃燒、蓄熱催化燃燒、蓄熱熱力燃燒、濃縮催化燃燒等。燃燒技術(shù)的基理是VOCs在高溫下發(fā)生氧化反應(yīng)，氧化反應(yīng)的本質(zhì)就是燃燒反應(yīng)，是一種放熱反應(yīng)，VOCs在燃燒過程的放熱量與VOCs的種類和濃度有關(guān)。

因而，從安全方面考慮，VOCs燃燒的安全使用濃度顯得尤為重要。了解VOCs燃燒過程的溫升和可燃?xì)怏w爆炸下限，有利于提高RTO、RCO設(shè)備技術(shù)的安全性能。
一、VOCs的爆炸下限是什么？
可燃?xì)怏w在空氣中遇明火火種爆炸的最低濃度，稱之為爆炸下限，亦稱燃燒下限，英文名稱Lower Explosion Limited，即%LEL?？諝庵锌扇?xì)怏w濃度達(dá)到其爆炸下限值時(shí)，這個(gè)場所可燃?xì)猸h(huán)境爆炸危險(xiǎn)度就達(dá)到了百分之百，即100％LEL；如果可燃?xì)怏w含量只達(dá)到其爆炸下限的百分之十，那這個(gè)場所此時(shí)的可燃?xì)猸h(huán)境爆炸危險(xiǎn)度為10％LEL。

下表是常見VOCs在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下爆炸下限值。為了確保VOCs處理設(shè)備的安全運(yùn)行，VOCs廢氣的濃度必須控制在對應(yīng)有機(jī)物爆炸極限的25%以下。

為什么要控制在25%LEL以下呢？首先，可燃?xì)怏w的爆炸下限濃度與可燃?xì)怏w的初始溫度有關(guān)：以正己烷為例，下圖是溫度對于正己烷爆炸下限濃度的影響（姚潔等，工業(yè)安全與環(huán)保，2012，38（2）：48），可見當(dāng)可燃?xì)怏w初始溫度提高，相應(yīng)爆炸下限濃度下降。

當(dāng)氣體溫度達(dá)到600K（327°C）時(shí)，爆炸下限濃度達(dá)到室溫的75%，所以提高溫度會(huì)導(dǎo)致爆炸下限濃度明顯下降。而且實(shí)際工況中大多數(shù)是混合VOCs，混合VOCs的爆炸下限濃度具有不確定性。所以，實(shí)際操作中要控制在LEL濃度的25%內(nèi)。

二、VOCs燃燒過程中的絕熱溫升

什么是絕熱溫升？絕熱溫升指放熱反應(yīng)物完全轉(zhuǎn)化時(shí)所放出的熱量可以使物料升高的溫度。其表達(dá)式為：

式中分子為反應(yīng)熱（J/mol）與物料摩爾濃度(mol/L)的乘積；分母為物料平均密度(kg/L)與物料平均比熱容(J/kg*K)的乘積。

VOCs的燃燒過程是強(qiáng)放熱反應(yīng)，因放熱使得氣體溫度的升高。下表是幾種常見VOCs濃度1000mg/m3時(shí)完全燃燒的絕熱溫升。

如果采用催化燃燒技術(shù)處理VOCs，在設(shè)備和催化正常的情況下，催化反應(yīng)前后氣體溫度的變化（溫升）則反映了VOCs的濃度變化。如1000mg/m3甲苯完全燃燒的絕熱溫升為31.95°C，如在實(shí)際使用過程中，溫升達(dá)到320°C，那就說明甲苯濃度大約達(dá)到了10000mg/m3，此時(shí)已經(jīng)非常接近甲苯的25%LEL值，已經(jīng)是非常不安全了，必須及時(shí)降低甲苯濃度。

在活性炭濃縮-催化燃燒系統(tǒng)中，在活性炭脫附過程，可以通過VOCs催化劑床層的溫升，來檢測VOCs濃度的變化，很多可燃?xì)怏w濃度報(bào)警器就是利用這一原理。

三、VOCs設(shè)備的防爆注意點(diǎn)

1、處理裝置設(shè)計(jì)和采用的電器元件必須按照規(guī)范要求符合防爆等級
2、設(shè)備布置要滿足安全距離的要求
3、與氣體接觸的自動(dòng)控制閥必須使用氣動(dòng)閥
4、必須選用防爆風(fēng)機(jī)
5、在所有處理系統(tǒng)中必須在適當(dāng)位置安裝符合國家標(biāo)準(zhǔn)的阻火器
6、在處理裝置中的敏感部位（超溫、超壓等）要按照規(guī)范設(shè)置報(bào)警裝置及應(yīng)急處理措施
7、為確保運(yùn)行安全，必要時(shí)可采用連鎖設(shè)計(jì)
8、要考慮現(xiàn)場整體的安全、環(huán)境應(yīng)急預(yù)案

四、VOCs的爆炸下限基本概念及求解案例

有機(jī)廢氣大多為易燃易爆物質(zhì)，被處理的VOCs混合氣的爆炸性問題更是方案設(shè)計(jì)不可或缺的部分。

首先，分享幾個(gè)基本概念。①閃點(diǎn)是指可燃?xì)怏w揮發(fā)出的蒸氣和空氣的混合物與火源接觸能夠閃燃的最低溫度。閃點(diǎn)越低，引發(fā)火災(zāi)事故的危險(xiǎn)性越大。如常見的VOCs類汽油、苯、酒精等閃點(diǎn)在28℃以下，容易引發(fā)火災(zāi)事故。②爆炸極限也稱爆炸濃度極限，是指可燃物質(zhì)（可燃?xì)怏w、蒸氣和粉塵）與空氣（或氧氣）必須在一定的濃度范圍內(nèi)均勻混合，形成預(yù)混氣，遇著火源才會(huì)發(fā)生爆炸，這個(gè)濃度范圍。

例如常見的VOC：苯，其與空氣混合的爆炸極限為1.5%～9.5%，前后兩個(gè)數(shù)字分別稱為爆炸下限和爆炸上限，這兩者有時(shí)亦稱為著火下限和著火上限。在低于爆炸下限時(shí)不爆炸也不著火；在高于爆炸上限時(shí)不會(huì)爆炸，但能燃燒。這是由于前者的可燃物濃度不夠，過量空氣的冷卻作用，阻止了火焰的蔓延；而后者則是空氣不足，導(dǎo)致火焰不能蔓延的緣故。常見物質(zhì)的爆炸極限如下，僅供參考：
附：混合氣體的爆炸極限計(jì)算（僅供參考）

公式為：Lm=1/（Y1/L1+Y2/L2+Y3/L3），式中：
Lm——混合VOCs爆炸極限（%）；
Y1、Y2、Y3——混合物中組成（%）；
L1、L2、L3——混合氣體各組份相應(yīng)的爆炸極限（%）。
例如：一天然氣組成如下：甲烷80%（L下=5.0%）、乙烷15%（L下=3.22%）、丙烷4%（L下=2.37%）、丁烷1%（L下=1.86%）
求該天然氣的爆炸下限。解：Lm=1/（80/5+15/3.22+4/2.37+1/1.86）= 4.369%
來源：環(huán)保