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化工廢氣爆炸原因及預防措施

時間:2018-07-25 18:27 發布者: admin 浏覽次數:
       通過對一起有機廢氣管道系統爆炸事故的原因分析,提出了預防廢氣處理系統爆炸的安全對策措施,并得出了相關結論:蓄熱式熱力焚燒爐(RTO)等廢氣處理設備本身一般不會産生爆炸事故;廢氣處理系統産生爆炸的本質原因是有機廢氣濃度高于爆炸下限,并存在點火源;企業應重視廢氣處理系統有機廢氣濃度的檢測和預處理,并考慮事故狀态下的緊急排放和處理,确保有機廢氣處于安全濃度以下,消除爆炸的根源。
 
1.前言
 
    化工企業的廢氣成分比較複雜,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,易對周邊環境造成污染,嚴重時會引發社會群體事件。各級環保部門在多年前就提出了“零排放”的概念,要求企業對化工廢氣進行收集、治理。
 
    有機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。
 
    目前化工企業常見的有機廢氣治理設施為蓄熱式熱氧化爐(RTO)。與傳統的催化燃燒、直燃式熱氧化爐(TO)相比,具有熱效率高(≥95%)、運行成本低、能處理大風量低濃度等優點。其原理是把有機廢氣加熱到760℃以上,使廢氣中的VOC氧化分解成二氧化碳和水。氧化産生的高溫氣體流經特制的陶瓷蓄熱體,使陶瓷體升溫而“蓄熱”,此“蓄熱”用于預熱後續進入的有機廢氣,從而節省廢氣升溫的燃料消耗。陶瓷蓄熱體分成兩個(含兩個)以上的區或室,每個蓄熱室依次經曆蓄熱-放熱-清掃等程序,周而複始,連續工作。蓄熱室“放熱”後應立即引入部分已處理合格的潔淨排氣對該蓄熱室進行清掃(以保證VOC去除率在95%以上),隻有待清掃完成後才能進入“蓄熱”程序。RTO技術适用于大風量、低濃度的廢氣治理,是目前國内治理有機廢氣較成熟、實用的方法。
 
    近五六年來各級環保部門都在推廣RTO技術,但由于發生過數起廢氣處理系統爆炸事故,且沒有發布正式的事故調查報告,事故原因不明,使不少企業對廢氣處理系統心有餘悸,不敢使用RTO技術。
 
    本文結合一起有機廢氣管道系統爆炸事故來分析廢氣處理系統的爆炸原因,并提出了安全對策措施,以供化工企業廢氣處理系統的防爆設計或安全隐患排查治理。
 
2.一起有機廢氣管道系統爆炸事故分析
 
    2011年7月中旬某精細化工企業發生一起有機廢氣管道爆炸事故。該企業在查找事故原因時,意見比較分散。為進一步搞清事故原因,2011年8月2日該企業安環部經理帶領工藝、設備、車間主任、車間安全員等相關人員到甯波寰球安全科技有限公司進行事故原因分析研讨。甯波寰球安全科技有限公司曾多次做過該企業的安全評價,對該企業的工藝、設備、原輔材料等比較了解。通過研讨,使我們雙方對廢氣處理系統的爆炸事原因有了深入的認識。
 
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,緊接着又聽到一聲響聲。此時發現廢氣管有點煙霧,響聲大緻在7、8車間之間的這段廢氣管道上。兩聲響聲後又連着一聲響聲,發現8車間甲苯回收裝置上的廢氣管道一頭堵闆(洩爆闆)沖開并有火焰冒出。事故發生後,企業有關部門人員馬上到現場查看和處置,爆炸導緻廢氣管上與車間對接塑料管道焊接處沖開。到現場約2分鐘後發現5車間西南角處廢氣管道發生燃燒,經近20分鐘努力将明火撲滅,無人員受傷,但造成多處管道破損。事故發生時,三廢操作人員正在甲苯回收裝置的廢氣管道堵闆沖開處下面塗設備螺絲黃油,事故過程描述與6車間主任助理、班組長的描述基本一緻。
 
2.2事故發生時企業生産狀況
 
    8車間某産品反應釜用到的原料有: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,反應是在常壓情況下進行的。反應過程中,反應釜不密閉,而是采用料袋将投料口堵塞的方式。8車間廢氣本來是由甲苯回收裝置吸附後,再排入廢氣總管的。事故發生的當天,恰好甲苯回收裝置檢修停用,廢氣未經過甲苯吸附回收系統而直接排入廢氣總管内。
 
    圖1爆炸管道現場照片
 
    5車間用到的原料有:丙酮、三氯氧磷、甲苯、異丙醇等。
 
6、7車間停産檢修,車間廢氣管與總廢氣管已斷開,并有盲闆密封。當天當時無任何接近廢氣管道的動火作業。
 
2.3事故原因分析研讨
 
    在事故分析時,我們首先要搞清是什麼物質産生爆炸?該物質從哪裡來?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,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産生靜電(點火源)。
 
3)可燃物為甲苯
 
    通過排除法确認可燃物為來自8車間某産品反應釜原料甲苯蒸汽。
 
4)可燃物的濃度
 
    在我們懷疑管道中甲苯廢氣濃度是否超标的時候,剛好一同前來參加研讨的車間工藝員曾于2010年4月對該反應釜甲苯廢氣排放濃度進行過測試,筆記中測試數據記錄表明:8車間反應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)爆炸發生時間分析
 
    正常情況下8車間反應釜廢氣是先經冷凝器冷凝和活性碳吸附回收後,再排入廢氣總管。甲苯吸附回收裝置設備和管道均為金屬材質,電氣防爆,設備、管道進行防靜電接地。由于沒有點火源,故甲苯吸附回收裝置設備和管道沒有發生過爆炸事故。
 
    經過甲苯吸附回收裝置後的甲苯廢氣濃度很低,故廢氣總管也沒有發生過爆炸事故。
 
    事故發生的當天,恰好8間廢氣甲苯吸附回收裝置檢修停用,廢氣未經過甲苯吸附回收系統直接排入廢氣總管内。此段管道為塑料管道,與總管連接為直角三通,8車間反應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範圍内;廢氣管道内氣體流速較快,廢氣管道材質為易産生靜電的塑料,而且有直角三通等處易産生靜電,具備了氣體爆炸發生的四個要素,因此發生了廢氣爆炸。
 
3預防廢氣處理系統爆炸的安全對策
 
    直接燃燒法、催化燃燒法、蓄熱式熱氧化爐(RTO)設備本身,隻有在點火時,如果違反操作規程,先送氣後點火才會産生爆炸。
 
    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施本身一般不會産生爆炸。
 
    廢氣處理系統爆炸的根本原因是廢氣中可燃氣體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爆炸的主要措施,是要控制各廢氣吸入點吸入的各有機氣體濃度小于爆炸下限,建議以爆炸下限30%(v/v)為設防值(我們在此稱之為安全濃度)。
 
    如果某點吸入的有機氣體濃度過高,則應采取冷卻或冷凍的方法,采用金屬換熱器械(如闆式冷凝器)和金屬管道(要防靜電接地),使其中的有機氣體安全地冷卻成液體回流或收集到某容器,使進入廢氣收集系統的廢氣濃度降低到安全濃度。
 
    以蓄熱式熱氧化爐(RTO)為例,仔細閱讀其使用說明中,RTO設備生産廠家均提到隻适用于低濃度(低于30%LFL)、大風量。
 
    化工企業不僅要關注正常狀況下,各廢氣吸入點吸入的廢氣濃度;更要關注非正常狀态下,各廢氣吸入點吸入的廢氣濃度,例如要考慮反應器沖料、安全洩放等高濃度有機氣體,大大高于爆炸下限,切不可排入隻适用于低濃度有機廢氣處理系統,以防産生廢氣管道系統和處理設施發生爆炸事故。由于廢氣管道連接許多設備和車間,廢氣處理系統的爆炸事故,嚴重時會引起其他設備或車間的連鎖反應。
 
    對有可能産生沖料和反應失控的反應器,企業應預先研究采取安全排放的措施,首先應采取溫度和壓力的檢測報警或連鎖等安全自動化手段,防止沖料和反應失控制現象的發生;其次應設計安全洩料設施,以滿足萬一發生沖料事故或反應失控制安全洩放系統動作,大量有機體氣體的安全洩放和處理,例如設計事故緩沖罐,甚至高空排放設施。
 
    為防止有機廢氣處理系統爆炸事故,我們建議企業應從以下幾個方面采取具體的安全對策措施:
 
 1)要對高濃度廢氣進行預處理,降低排入廢氣處理系統的可燃物濃度,如對反應釜廢氣排放口設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氣體排入廢氣管道系統。
 
 2)在廢氣系統設計前,要對各廢氣吸入點的可燃物濃度進行檢測分析,控制各廢氣吸入點的易燃物質的濃度低于爆炸下限,并要進行正常工作狀态或非正常工作狀态下的可燃氣體濃度檢測。當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,要改變工藝或設備,如補充新風或進行惰性化處理。對可能會産生廢氣濃度接近爆炸下限的廢氣支管道設置在線可燃氣體濃度檢測報警器和新風補充設施,在線可燃氣體濃度檢測報警器應和新風補充設施聯鎖。
 
 3)反應釜應盡可能采用密閉式,避免有空氣(氧氣)進入反應釜和廢氣管道,降低高濃度廢氣中氧氣含量,當然能惰性化(如充氮)更好。
 
4)對各車間内産生的廢氣進行分析,存在禁忌物質的廢氣應分開處理。
 
5)當廢氣管道内可能沉積危險物質時(如活性碳、疊氮化合物等)時應考慮對廢氣管道進行定期清洗。
 
6)在廢氣管道設計、安裝時須應考慮有一定的斜度,方便積液的排除,避免積液積聚過多而導緻廢氣管變形和殘留的混合物過多,引起二次爆炸;并對廢氣總管内的積液進行定時排液。
 
7)廢氣管道在各危險點(如支管接入總管處)設洩爆闆,以減少爆炸氣體大量回沖反應釜,産生連鎖反應。
 
8)在各車間廢氣支管與總管連接處采用軟連接,方便事故狀态下的緊急切斷,或在各車間廢氣支管上加裝阻火器,也可以在各車間設置水噴淋預處理塔(注:此水噴淋預處理塔同時還能起到阻火作用;此噴淋水應定期檢測,超過規定濃度時應及時更換),預處理後排到廢氣總管,以防故狀态下的火災蔓延。如經濟實力許可,廢氣管道應優先采用不鏽鋼材料,以便更好地消除廢氣管道的靜電。
 
    當企業不能承接全部廢氣管道采用不鏽鋼材料時,建議廢氣管道上的三通、四通(含流動方向20倍管徑長度範圍内)應盡可能采用不鏽鋼材料,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。
 
4結論
 
1)RTO蓄熱式熱力焚燒爐是明火設備,和催化氧化等廢氣處理設備一樣,本身一般不會産生爆炸事故。
 
2)廢氣處理系統産生爆炸(廢氣管道爆炸、RTO蓄熱式熱力焚燒爐或催化氧化裝置爆炸),其本質原因是其中的有機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)企業在重視RTO蓄熱式熱力焚燒爐等廢氣處理設備安全自動化功能(有機廢氣的濃度檢測和連鎖)的同時,更應重視各廢氣吸入點有機廢氣濃度的檢測和預處理,并考慮事故狀态下的緊急排放和處理,确保整個廢氣處理系統所有廢氣吸入點吸入的有機廢氣濃度處于安全濃度以下,從源頭上消除廢氣處理系統發生爆炸。
 
    環保部門在推廣RTO等廢氣處理技術時,應要求企業對廢氣收集系統進行安全性分析,确保廢氣收集管道系統不會産生爆炸事故,才能把好事辦好。
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