引言

蓄熱式熱氧化(RTO)裝置因處理廢氣范圍廣、處理效率高達99%且不會產生二次污染的特點,受到了環(huán)保市場的廣泛認可。但采用RTO裝置處理VoCs廢氣具有一定的危險性,原因在于VoCs廢氣有毒、易燃、易爆。為了保證進入RTO裝置的廢氣的安全性,必須選取合適的儀表進行檢測,例如檢測進入RTO爐廢氣的爆炸下限濃度,以確認RTO裝置不會爆炸:檢測RTO爐內溫度或壓力值,以確認RTO爐內部沒有出現(xiàn)閃爆。因此,RTO裝置的儀表選型和控制十分重要。

1工藝流程

RTO爐主要用來處理濃度2~8g/m3的有機廢氣[1]。三室RTO爐主要是由一個燃燒室、三個蓄熱室與提升閥等組成。圖1為RTO裝置流程圖,首先采用燃燒器將RTO爐預熱到指定溫度,然后混合廢氣通過RTO爐氧化燃燒后獲得Co2和H2o,達到達標排放的目的。RTO爐內部的廢氣處理流程為:廢氣進入RTO爐1#蓄熱室進行預熱,再進入燃燒室進行有機物的氧化反應,最后通過2#蓄熱室離開RTO爐排出凈煙氣:廢氣從2#蓄熱室進入燃燒室,通過3#蓄熱室排出凈煙氣:廢氣從3#蓄熱室進入燃燒室,通過1#蓄熱室排出凈煙氣。通過三輪處理過程不停地循環(huán)往復,保持RTO爐的熱量恒定,同時保障RTO爐的廢氣凈化效果。燃燒室內部隨著有機物氧化反應的放熱,溫度逐漸升高,當溫度達到高設置值時,必須打開高溫熱旁通閥門,以降低燃燒室的溫度。為保證RTO爐正常運行,需要監(jiān)控RTO爐的溫度、壓力以及進入RTO爐前的混合廢氣的爆炸下限。

2儀表選型控制

可燃氣體只有在爆炸下限和爆炸上限這兩個濃度之間,才可能發(fā)生爆炸。為保障安全,工藝設計時必須保證進入RTO爐前的VoCs有機廢氣濃度在爆炸下限的25%以下,同時應時刻監(jiān)控RTO爐內的壓力、溫度,防止意外的發(fā)生。

實際運行過程中,因為前端工藝復雜程度不同,混合廢氣的組分含量未知的較多,不同化學組分的爆炸下限值是不同的,而工藝環(huán)境中廢氣組分的含量又一直變化,這就導致采用夏特爾定律計算組分混合爆炸下限的方法誤差會比較大。因而選擇LEL分析儀時,要考慮到測量介質、前端工藝以及儀表的適用情況。

2.1爆炸下限儀表設計選型

目前,用于檢測VoCs廢氣的LEL儀表主要有火焰溫度型(FTA)分析儀、氫火焰型LEL氣體分析儀、催化燃燒型LEL檢測儀、紅外LEL氣體分析儀等4種類型。

2.1.1火焰溫度型(FTA)分析儀

火焰溫度型(FTA)分析儀從原有混合廢氣管道中采樣得到廢氣源,廢氣源通過火焰溫度型(FTA)分析儀內置的文丘里取樣裝置將廢氣源吸入分析儀內部的火焰室。廢氣源中的可燃氣體在感應火焰中燃燒,并逐漸產生溫升,該溫升又與可燃氣體的0~100%LEL濃度成正比。無論是有機物還是無機物,只要可以燃燒,就可以產生溫升,因而該原理的儀表可以檢測大多數(shù)有機物和無機物的爆炸下限。

為了使得分析儀火焰室的壓力恒定,廢氣源的壓力和溫度都應該盡可能穩(wěn)定均勻,避免因廢氣源不穩(wěn)定導致火焰室的火焰熄滅,影響測量結果。當廢氣源中的含氧量低于8%時,火焰室很可能出現(xiàn)燃燒不充分的現(xiàn)象,從而影響測量結果。因而當廢氣源含氧量低于8%時,進入FTA分析儀的廢氣需要額外補充空氣,以保證含氧量充足。這就需要FTA分析儀加裝預處理裝置,使得進入火焰室的氣體具有足夠的含氧量。FTA分析儀響應時間在2~4s,增加預處理裝置后,響應時間為4s。FTA分析儀主要用于燃燒工藝前端或煤礦瓦斯檢測等場合。

2.1.2氫火焰型LEL氣體分析儀

廢氣源通過氫火焰型LEL氣體分析儀內置的文丘里取樣裝置將廢氣源吸入分析儀內部的燃燒室。有機物在高溫氫火焰中燃燒發(fā)生化學電離,在高壓電場的作用下,帶正電的碳離子向負極移動,形成離子流。該離子流的信號量與有機物濃度成正比,最后根據(jù)標定物的爆炸下限得出被測有機物的%LEL值。因而,氫火焰型LEL氣體分析儀僅能檢測C-H化合物,對于Co、H2之類的無機物不能產生化學電離,就無法檢測出它們的含量。氫火焰型LEL氣體分析儀優(yōu)點在于有機物LEL檢測精度高,其響應時間為2s。

2.1.3催化燃燒型LEL氣體檢測儀

催化燃燒型LEL氣體檢測儀是利用催化載體型氣敏元件作為探測器,當可燃物質在惠斯頓電橋上發(fā)生催化燃燒反應時,測量橋的電阻值就會升高,引起電橋輸出電壓的變化,輸出電壓同催化可燃物的濃度成正比。該檢測方法優(yōu)點在于無須助燃氣體,可以用來測量環(huán)境中可燃物的泄漏,檢測方便:缺點在于催化劑會失效,使用壽命短,響應時間長,準確度不高。催化燃燒型LEL氣體檢測儀一般用于環(huán)境中可燃氣體泄漏的檢測,其響應時間為60s。

2.1.4紅外LEL氣體分析儀

紅外LEL氣體分析儀利用了不同氣體內特征官能團的紅外波長位置及特征峰面積與有機物含量成正比的關系。該檢測方法優(yōu)點在于不破壞被測物質,無須助燃氣體:缺點在于受紅外吸收特性影響,對測試環(huán)境和被測物質的均勻性要求很高,尤其不能有水分,此外,紅外波段對可燃的無機物無檢測效果。因而紅外LEL氣體分析儀和氫火焰型LEL氣體分析儀均只能檢測有機物,且紅外型不能檢測含水分的介質。

為了將爆炸的風險降到最低,控制方式中采用的聯(lián)鎖停RTO爐的條件之一是LEL分析儀表檢測到混合廢氣的LEL達到25%LEL。聯(lián)鎖停爐的動作如下:檢測到LEL值達到25%LEL后,停運燃燒器系統(tǒng),同時關閉RTO爐管道入口閥V1,打開緊急旁通管道閥V0,同時稀釋風機調頻至最大風量。LEL分析儀表的響應時間至少在2~60s,緊急旁通管道閥的響應時間是3~10s,閥門的響應時間受管道大小及氣缸選型影響。為保證廢氣安全進入蓄熱式燃燒爐,按照廢氣速度為12m/s計算,建議LEL分析儀表至少應安裝在RTO爐前60m的管道上。

如上所述,在RT0裝置前合適位置設置LEL分析儀,應按照廢氣組分、含水率以及價格等因素選擇火焰溫度型、氫火焰型或紅外型LEL分析儀表。LEL分析儀表除顯示報警數(shù)值以外,還參與稀釋風機的變頻調節(jié)回路。稀釋風機變頻頻率按照RT0爐入口管道前的%LEL值和設定值進行PID調節(jié)。

RT0爐本身作為一個明火設備,按照《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規(guī)范》(GB50493一2009),須設置可燃氣體報警儀。按照LEL的適用環(huán)境,一般采用催化燃燒型可燃氣體泄漏檢測儀。

2.2溫度儀表設計選型

正常運行情況下,燃燒室溫度一般為850~950℃,蓄熱室溫度一般為400~500℃。廢氣通過入口提升閥一蓄熱室一燃燒室一蓄熱室一出口提升閥等部件直排煙囪。蓄熱室的溫度可以用來表征提升閥的泄漏率,當提升閥出現(xiàn)泄漏時,蓄熱室的熱煙氣不斷下溢,導致蓄熱室下方的溫度過高,甚至出現(xiàn)溫度倒掛(蓄熱室溫度高于燃燒室)。燃燒室正常升溫過程中,遇到提升閥泄漏率較高的情況,蓄熱室的溫度極容易達到500℃。這種現(xiàn)象危害極大,不僅會使得V0Cs氧化反應不充分,也不利于廢氣達標排放,因而蓄熱室溫度檢測十分重要。蓄熱室由下至上分別由格柵網(wǎng)、馬鞍環(huán)、多層陶瓷蓄熱體、馬鞍環(huán)組成,溫度儀表一般位于蓄熱體中間,插入深度一般為RT0爐深度的1/2~2/3。蓄熱室溫度計量程范圍一般選擇0~1000℃,檢測元件選擇鎳鉻一鎳硅熱電偶(K型分度號)。保護管材質選擇耐磨合金鋼,外保護管材質選擇310s,其中外保護管應和蓄熱體一起預制在RT0爐內部。為使得蓄熱室內氣流均勻,陶瓷蓄熱體之間都是緊密布置,因而蓄熱室內溫度儀表的外保護管采用預先埋孔鉆管型。若不預制,溫度計插深會破壞蓄熱體結構,影響蓄熱能力。

燃燒室主要由燃燒器組成,燃燒室溫度主要由燃燒器、高溫熱旁通調節(jié)閥控制。燃燒器負責將燃燒室升溫,高溫熱旁通調節(jié)閥負責將燃燒室降溫。在點火升溫階段,通過PID調節(jié)可以將RT0爐從低溫升至750℃以上,但當燃燒室溫度達到高報警值(900℃)時,燃燒器基本關停,選擇高溫熱旁通調節(jié)閥作為調節(jié)手段。通過開大高溫熱旁通調節(jié)閥的開度,高溫熱煙氣將直接進入煙囪,從而降低燃燒室溫度。當全開高溫熱旁通調節(jié)閥和關閉燃燒器都不能使燃燒室溫度降低時,RT0爐存在較大的安全風險。因而,RT0爐聯(lián)鎖停爐的條件之一為燃燒室溫度超過950℃。溫度計量程范圍一般選擇0~1300℃,檢測元件選擇鉑佬10一鉑熱電偶(s型分度號),保護管和外保護管材質選用GH3030。

2.3壓力儀表設計選型

當需要檢測RT0爐內的壓力時,考慮到RT0爐內燃燒室的溫度范圍在850~950℃,介質與壓力變送器采用冷凝圈連接,燃燒室內的熱煙氣經過冷凝圈冷凝之后進入壓力變送器,溫度在100℃以下。壓力變送器采用進口智能式變送器。當燃燒室的瞬間壓力超過5kPa時,表示RT0爐內可能存在局部閃爆的情況。因而,聯(lián)鎖停爐的條件之一為燃燒室的瞬間壓力超過5kPa。

3結論與建議

本文從蓄熱式熱氧化裝置的工藝系統(tǒng)和儀表控制兩個角度出發(fā),闡述了蓄熱式熱氧化裝置的儀表設置安全問題。通過分析蓄熱式熱氧化裝置的運行模式和控制模式,對重要儀表提出以下三點建議:(1)LEL儀表應按照介質類型、響應時間,選擇儀表原理,并按照安全規(guī)范要求設置在合適位置:(2)選擇蓄熱室溫度計和燃燒室溫度計時,應按照儀表位置和介質溫度做區(qū)分設計:(3)燃燒室壓力變送器安裝時,應增加冷凝圈做儀表保護。