王 萌,馮建東

(北京航天動力研究所,北京 100176)

2013年發(fā)布的《大氣污染防治行動計劃》(簡稱“大氣十條”)的第一階段目標(biāo)中提出的揮發(fā)性有機污染物(VOCs)減排與控制工作取得了重要的進展和突破。各地VOCs 的污染防治工作得到了全面加強，并已經(jīng)成為國內(nèi)大氣污染防治的重點工作之一。以改善環(huán)境空氣質(zhì)量為核心，以重點行業(yè)和重點污染物為主要控制對象，推進VOCs與NOx協(xié)同減排，明確提出到2020 年，建立VOCs污染防治管理體系，實施重點地區(qū)、重點行業(yè)VOCs污染減排，排放總量減少10%以上。

在化工生產(chǎn)、儲存和運輸?shù)倪^程中，VOCs無組織排放約占企業(yè)總排放量的1/3。2014年12月，國家發(fā)布實施《石化行業(yè)揮發(fā)性有機物綜合整治方案》，明確要求全國石化行業(yè)應(yīng)將VOCs的治理與監(jiān)控納入日常生產(chǎn)管理體系，隨之而來便是以“三桶油”(中石化、中石油、中海油)為代表的全國各石化行業(yè)的VOCs治理的改造項目全面啟動。由于其在處理過程中伴有氣體焚燒，或由于VOCs中可燃?xì)怏w的大量傳輸和儲存，勢必會給安全生產(chǎn)帶來隱患。阻火器作為一個可以有效阻止火焰?zhèn)鞑ヂ拥陌踩b置，已經(jīng)成為了VOCs廢氣治理過程中至關(guān)重要的安全和環(huán)保設(shè)備。隨著國家安全和環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格，阻火器已經(jīng)成為了儲罐區(qū)改造的必不可少的裝置。如何選擇性能安全可靠且適合改造項目的阻火器，已經(jīng)成為各石化廠、設(shè)計院及國家安全環(huán)保監(jiān)督部門越來越重視的一環(huán)。

1 阻火器的介紹

1.1 阻火器的結(jié)構(gòu)

阻火器是一種適用于封閉空間開口處或管道中的設(shè)備，其在允許流體通過的同時又能阻止火焰的傳播(ISO 16852)。阻火器結(jié)構(gòu)簡單，能有效阻止火焰在管道中蔓延，消除儲罐或裝置由于回火等情況帶來的安全隱患。阻火器的主要組成部分為殼體和阻火元件兩部分，其結(jié)構(gòu)見圖1。

1.2 阻火器的工作原理

阻火器的工作原理可以從宏觀和微觀兩個方面來解釋。從宏觀上來講，阻火器的阻火過程是一個熱傳導(dǎo)的過程，通過阻火元件來的火焰與阻火元件的接觸過程即為一個熱傳導(dǎo)的過程，當(dāng)火焰的溫度降低到一定程度時便被熄滅，便完成了阻火的功能；從微觀上來解釋，阻火器阻火的過程是一個器壁效應(yīng)，從微觀上看,燃燒和爆炸是外來能源的激發(fā)下使分子分裂為十分活躍的自由基后產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)。阻火器通過減小通道的尺寸，增加自由基與器壁碰撞，減少火焰自由基相互反應(yīng)的過程，當(dāng)通道尺寸減小到某一數(shù)值時，火焰即被阻止反應(yīng)，從而熄滅。

1.3 最大試驗安全間隙

通過對器壁效應(yīng)的理解，可以設(shè)計出滿足各種工況和介質(zhì)的阻火器，滿足工業(yè)上的需要。為了針對不同介質(zhì)設(shè)計不同的阻火元件，國際上對不同介質(zhì)引入了最大試驗安全間隙MESG(Maximum Experimental Safe Gap)的測試試驗。根據(jù)IEC60079-20-1-2010中的試驗方法見圖2。

通過火花塞對內(nèi)腔可燃?xì)怏w介質(zhì)進行點火，調(diào)節(jié)微調(diào)旋鈕來改變可調(diào)間隙，并觀察介質(zhì)的點燃情況，來找到可燃?xì)怏w介質(zhì)的最大試驗安全間隙，從而將介質(zhì)劃分組別進行分類管理，常見介質(zhì)組別分類見表1。

表1 常見介質(zhì)組別劃分及特征氣體試驗比例

確定可燃介質(zhì)的組別后，針對每一組別的介質(zhì)，均可以設(shè)計相對應(yīng)的阻火器可供項目使用選擇。

1.4 阻火器的分類

阻火器的分類可以按照阻火元件的種類和阻止火焰燃燒的類型兩種情況來進行區(qū)分。

(1)按照阻火元件分類。阻火器按照阻火元件的類型主要分為兩大類：濕式和干式。濕式阻火器常用的為液封或者水封，通過使用不同液體的介質(zhì)來阻止火焰的傳播；干式多采用波紋板、多孔板、金屬絲網(wǎng)、砂石填充等阻火元件來進行阻火，幾種常見干式的阻火元件見圖3。

圖3 幾種常見干式的阻火元件

圖3中的波紋板式阻火元件在化工行業(yè)最為常用，其使用工況范圍廣，在滿足阻火需求的情況下可以提供更暢通的通氣量。

(2)按照阻火類型分類?；鹧嬖谌紵倪^程中,由于在受限空間中傳播的加速和壓力的積聚，會出現(xiàn)爆燃和爆轟兩種火焰狀態(tài)。爆燃是化學(xué)反應(yīng)已燃?xì)怏w通過熱傳導(dǎo)、擴散和輻射的方式，使未反應(yīng)的可燃?xì)怏w達(dá)到燃點;爆轟是在受限空間的沖擊波的作用下，可燃?xì)怏w被強烈地沖擊壓縮，在波陣面上，溫度迅速提高，從而引發(fā)化學(xué)反應(yīng),其放出的能量支持波陣面運動。兩種狀態(tài)下的火焰速度、燃燒壓力等特性會有所不同(見表2)。

表2 火焰的傳播特性對比

根據(jù)兩種火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘牟煌杌鹌骺煞譃樽璞夹突鹧孀杌鹌骱妥璞Z型火焰阻火器。同時，由于阻火器在實際安裝過程中的位置不同，安裝于管道端部或儲罐頂端的阻火器僅需阻止因大氣中閃電點燃的外部可燃?xì)怏w或阻止火焰回火的情況，火焰不會經(jīng)過受限的空間進行傳播和壓力積聚，所以管端的阻火器僅需阻止爆燃型火焰。按照阻火類型的分類見圖4。

圖4 阻火器的分類

實際應(yīng)用中，可以根據(jù)阻火器安裝位置的不同,設(shè)計使用最為合適的阻火器。

2 阻火器在VOCs治理上的工藝設(shè)計

2.1 火焰在管道中的傳播

在VOCs治理上，阻火器的應(yīng)用常會設(shè)計在氣體火炬系統(tǒng)或焚燒系統(tǒng)等管道中,用于阻止火焰的蔓延，保護整個系統(tǒng)的安全。根據(jù)火焰在受限空間中的傳播特性，當(dāng)可燃?xì)怏w被點燃后，火焰在系統(tǒng)管道中傳播的過程見圖5。

圖5 火焰在管道中傳播的過程

2.2 阻火器在VOCs治理上的工藝設(shè)計

雖然阻爆轟阻火器既可以阻止爆轟火焰，也可以阻止爆燃火焰，但其勢必會給整個系統(tǒng)帶來很大的阻力降，造成大量的壓力損失。根據(jù)火焰在管道中傳播的特性，在設(shè)計阻火器的安裝位置時，應(yīng)該優(yōu)先考慮將阻火器設(shè)置在火焰發(fā)生爆燃的位置。由于火焰爆燃和爆轟的特性不同，需在火焰發(fā)展成為爆轟之前將其熄滅,才可確保整個系統(tǒng)具有更高的安全性和更小的壓力損失。若由于系統(tǒng)設(shè)計無法在火焰的爆燃階段設(shè)計阻火器將其熄滅，應(yīng)考慮將阻火器設(shè)計在盡量遠(yuǎn)離點燃位置，讓火焰形成穩(wěn)定爆轟后將其熄滅，也可以避免給整個系統(tǒng)帶來更大壓力損失。

3 阻火器在VOCs治理上的選型

3.1 阻火器的介質(zhì)組別

VOCs處理程中的揮發(fā)性有機物，比較常見的有苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、三氯乙烯、三氯甲烷、三氯乙烷、二異氰酸酯(TDI)、二異氰甲苯酯等。介質(zhì)包含多種可燃?xì)怏w的混合氣，通過計算得到混合氣體的MESG計算值后,確定混合氣體的介質(zhì)組別。根據(jù)NFPA497—2008中混合氣體MESG經(jīng)驗公式計算：

式中,MESGmix為混合氣體MESG計算值;Xi為某一組分含量;MESGi為Xi組分對應(yīng)的MESG值。

根據(jù)MESG的測試試驗確定介質(zhì)組別劃分通過確定不同可燃介質(zhì)所屬組別后，針對每一組別的介質(zhì)，均有相對應(yīng)的阻火器阻火元件可供選擇使用，從而滿足阻火需求并最優(yōu)化阻火器的通氣量，減小阻火器帶來的阻力降，盡量不要越級選擇，避免給系統(tǒng)帶來更大的壓力損失，降低工藝系統(tǒng)的氣體流通能力。

3.2 阻火器的阻火型式確定

確定了阻火器的介質(zhì)組別后，根據(jù)阻火器安裝位置的不同，選擇管端型阻火器或者管道型阻火器。在選擇管端型阻火器時，由于管端阻火器一般安裝于儲罐或者管道的最頂端部，建議盡量安裝帶防雨罩的阻火器，以避免由于雨雪天氣中雨水的倒灌對儲存介質(zhì)或者設(shè)備造成污染等情況，建議安裝圖6所示的管端阻火器。

圖6 管端阻火器產(chǎn)品

另外，在選擇儲罐頂部或管道頂端的阻火器時，盡量避免在阻火器的頂端增加排放管道或者短節(jié)等情況，防止火焰在管道或短節(jié)等受限空間中的傳播帶來的火焰性質(zhì)的變化等隱患。若阻火器安裝于火炬、風(fēng)機、焚燒系統(tǒng)或活性炭吸附系統(tǒng)等有潛在點火源的管道中，根據(jù)火焰燃燒的類型不同來選擇阻止不同類型火焰的阻火器。根據(jù)ISO16852—2016對阻爆燃試驗阻火器安裝位置的要求及前文分析的火焰在管道中傳播時的特性，阻火器阻止火焰類型的選擇可以量化成火焰的點燃位置距離阻火器的距離L與阻火器口徑D的比值L/D的關(guān)系。對于 IIA1、IIA、IIB1、IIB2 和 IIB3 類介質(zhì)的阻火器，當(dāng)L/D≤50時，可以選擇阻止爆燃型火焰的阻火器(見圖7)，對于IIB和IIC類介質(zhì)的阻火器;當(dāng)L/D≤30時，可以選擇阻止爆燃型火焰的阻火器。選擇阻止爆轟型火焰的阻火器(見圖8)時，為了盡量避開火焰產(chǎn)生不穩(wěn)定爆轟的狀態(tài)，將阻火器安裝于盡量遠(yuǎn)離點火源的位置，業(yè)內(nèi)認(rèn)為盡量將阻火器安裝于L/D>120的位置可以有效避開火焰的不穩(wěn)定爆轟狀態(tài)，在火焰變成穩(wěn)定爆轟的平穩(wěn)狀態(tài)后將其熄滅。

圖7 管道爆燃型阻火器

圖8 管道爆轟型阻火器

3.3 阻火器的資質(zhì)認(rèn)證

阻火器是VOCs治理系統(tǒng)中最為有效消除火焰隱患、阻止火焰蔓延風(fēng)險的安全保護裝置，在選用阻火器時，務(wù)必要選用安全可靠、性能優(yōu)異的阻火器。為了確保阻火器的有效性，應(yīng)選用通過阻火性能試驗的產(chǎn)品，其應(yīng)具備以下資質(zhì)文件：①須通過由第三方機構(gòu)出具的依據(jù)現(xiàn)行的ISO16852和GB/T 13347中相關(guān)試驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的阻火器性能測試報告；②須具備權(quán)威機構(gòu)出具的阻火器產(chǎn)品生產(chǎn)過程體系的質(zhì)量保證證書;③阻火器產(chǎn)品一致性聲明。

4 結(jié)語

本文介紹了阻火器作為安全保護裝置在VOCs治理過程中的作為最后一道熄滅火焰、阻止火災(zāi)蔓延的屏障的重要性。在國家相關(guān)政策的嚴(yán)格要求和監(jiān)督下，VOCs治理過程中安全保護裝置的設(shè)計和選型成為了眾多設(shè)計院和石化單位越來越重視的環(huán)節(jié)。本文旨在結(jié)合多個項目實際應(yīng)用經(jīng)驗的前提下，介紹如何合理有效地設(shè)計阻火器的安裝位置和選擇安全、可靠、兼具經(jīng)濟節(jié)能的優(yōu)異性能的阻火器的常用方法,供設(shè)計院和石化單位參考。