員文權(quán)

(上海翊員科技有限公司，上海 201600)

1 可燃?xì)怏w探頭相關(guān)事故案例

1.1 事故描述

國(guó)外一家原料藥工廠的工藝尾氣與局部引風(fēng)系統(tǒng)尾氣混合后經(jīng)過(guò)一級(jí)酸洗滌塔與兩級(jí)堿洗滌塔進(jìn)入蓄熱式焚燒爐(RTO)處理后排放，其尾氣處理工藝示意圖如圖1所示。

圖1 尾氣處理工藝示意圖

2006年，在工廠的尾氣處理系統(tǒng)RTO上游聚丙烯管道(防靜電型)發(fā)生爆炸。事故導(dǎo)致上游一級(jí)酸洗塔及二級(jí)堿洗塔嚴(yán)重受損，而且車間局部引風(fēng)系統(tǒng)與尾氣總管連接處局部受損。

1.2 事故原因分析

工廠通過(guò)事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)以下三個(gè)關(guān)鍵原因：

1）尾氣管道上的可燃?xì)怏w探頭(氫火焰離子化檢測(cè)器-FID)未檢測(cè)到異常工況，也并未報(bào)警。

2）通過(guò)調(diào)查生產(chǎn)計(jì)劃發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)進(jìn)行合成反應(yīng)的副產(chǎn)物為氫氣。反應(yīng)物累積導(dǎo)致產(chǎn)生的氫氣濃度比正常生產(chǎn)過(guò)程高。局部引風(fēng)系統(tǒng)中引入尾氣系統(tǒng)中的空氣無(wú)法滿足稀釋氫氣濃度至安全濃度以下。

3）氫火焰離子化檢測(cè)器-FID無(wú)法檢測(cè)氫氣（檢測(cè)工作原理）。

1.3 事故案例的啟發(fā)

可燃?xì)怏w探頭設(shè)定合理報(bào)警值的前提是選擇合適的可燃?xì)怏w探頭，如果氣體探頭類型選擇錯(cuò)誤，即使報(bào)警設(shè)定值正確也無(wú)法檢測(cè)到被檢測(cè)物質(zhì)，例如紅外式可燃?xì)怏w探頭并不適用于氫氣和乙炔。

2020年，美國(guó)海岸防衛(wèi)隊(duì)(USCG)在其安全警示2020-02期中也指出：港口監(jiān)管部門在波士頓3個(gè)不同的液化天然氣(LNG)運(yùn)輸公司檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)多個(gè)固定式可燃?xì)怏w探測(cè)系統(tǒng)問(wèn)題，包括未按照廠家要求的校準(zhǔn)氣體進(jìn)行校準(zhǔn)，從而導(dǎo)致超出探頭允許的檢測(cè)范圍[1]。

可燃?xì)怏w探頭報(bào)警值到底該如何設(shè)置才能讓其發(fā)揮應(yīng)有作用？本文通過(guò)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求、可燃?xì)怏w探頭種類、常用校準(zhǔn)氣體、校準(zhǔn)因子等方面進(jìn)行闡述。

2 可燃?xì)怏w探頭報(bào)警值設(shè)定與爆炸下限（LEL）的關(guān)系

2.1 報(bào)警值設(shè)定值參考依據(jù)

我國(guó)可燃?xì)怏w探頭設(shè)置主要參考GB/T 50493—2019《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，其中規(guī)定如下[2]：

1）可燃?xì)怏w和有毒氣體的檢測(cè)報(bào)警應(yīng)采用兩級(jí)報(bào)警(第3.0.2條)

2）報(bào)警值設(shè)定應(yīng)符合下列規(guī)定(第5.5.2條)：

a.可燃?xì)怏w的一級(jí)報(bào)警設(shè)定值應(yīng)小于或等于25%LEL（Lower Explosion Limited，爆炸下限）。

b.可燃?xì)怏w的二級(jí)報(bào)警設(shè)定值應(yīng)小于或等于50% LEL。

英 國(guó)HSE（ Health and Safety Executive） 發(fā)布的易燃?xì)怏w探頭的選擇和使用指南中建議如下：如果可燃?xì)怏w探頭用于泄漏檢測(cè)目的(非工藝監(jiān)測(cè)目的)，一級(jí)報(bào)警值宜盡可能低，建議設(shè)置為被檢測(cè)物質(zhì)LEL的10%，二級(jí)報(bào)警不宜超過(guò)檢測(cè)物質(zhì)LEL的25%[3]。

可燃?xì)怏w探頭廠家可能會(huì)建議不同的報(bào)警設(shè)定值，例如：

1）IGD（ International Gas Detectors）建 議氣體檢測(cè)系統(tǒng)通常一級(jí)報(bào)警值設(shè)定為10%～20%的LEL，二級(jí)報(bào)警值設(shè)定為20%～40%的LEL[4]。

2)Blackline Safety建議氣體檢測(cè)系統(tǒng)通常一級(jí)報(bào)警值設(shè)定為10%的LEL，二級(jí)報(bào)警值設(shè)定為20%的LEL[5]。

2.2 報(bào)警值設(shè)定的影響因素

那么可燃?xì)怏w探頭報(bào)警值應(yīng)該如何設(shè)定LEL呢？首先，可燃?xì)怏w探頭能夠在易燃物質(zhì)濃度盡可能低的情況下報(bào)警，以及時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)從而確保人員健康和安全，但是又不能太低以防止誤報(bào)警。報(bào)警值的設(shè)定需要考慮以下關(guān)鍵因素：

1)易燃物質(zhì)的爆炸下限LEL；

2)易燃液體的閃點(diǎn)；

3)泄漏速率及達(dá)到危險(xiǎn)濃度所需要的時(shí)間(或者需要控制到的濃度，如25%)；

4)報(bào)警后所需要的人員響應(yīng)時(shí)間。

舉例來(lái)說(shuō)：

1)氫氣的爆炸下限為4%,如果一級(jí)報(bào)警值設(shè)定為25% LEL，則為1%。如果某加氫車間的氫氣管道泄漏很快達(dá)到1%的濃度，則意味著人員可能沒(méi)有足夠的時(shí)間響應(yīng)。

2)正丁醇的閃點(diǎn)為34% ℃，其爆炸下限為1.4%。假設(shè)一個(gè)幾百平方米的常溫原料倉(cāng)庫(kù)的一桶正丁醇發(fā)生泄漏，如果一級(jí)報(bào)警設(shè)定值為25% LEL(0.35%)，由于其閃點(diǎn)較高揮發(fā)產(chǎn)生的氣體可能不會(huì)達(dá)到25%LEL，可燃?xì)怏w探頭不會(huì)產(chǎn)生報(bào)警。

因此，需要綜合以上4個(gè)關(guān)鍵因素并結(jié)合所檢測(cè)物質(zhì)的不同特性、人員響應(yīng)時(shí)間等進(jìn)行報(bào)警值的設(shè)定以確保人員有足夠的時(shí)間進(jìn)行響應(yīng)。

3 可燃?xì)怏w探頭報(bào)警值設(shè)定與校準(zhǔn)氣和校準(zhǔn)因子的關(guān)系

由于可燃?xì)怏w探頭本身并不能判斷檢測(cè)的是哪種物質(zhì)，假設(shè)使用甲烷氣進(jìn)行校準(zhǔn)，則可燃?xì)怏w探頭認(rèn)為檢測(cè)的是甲烷氣體并顯示相應(yīng)的LEL數(shù)值。如果檢測(cè)的是其他物質(zhì)，則需要采用校準(zhǔn)因子將校準(zhǔn)氣體的濃度轉(zhuǎn)換為所要檢測(cè)物質(zhì)的濃度。

目前最常用的可燃?xì)怏w探頭類型為催化燃燒式和紅外式探頭。下面分別討論兩種氣體探頭報(bào)警值設(shè)定與校準(zhǔn)氣和校準(zhǔn)因子的關(guān)系。

3.1 催化燃燒式可燃?xì)怏w探頭

3.1.1 使用甲烷進(jìn)行校準(zhǔn)

根據(jù)Industrial Scientific 公司提供的催化燃燒式可燃?xì)怏w探頭校準(zhǔn)因子，選取表1中所示五種物質(zhì)進(jìn)行討論[6]。

表1 催化燃燒式可燃?xì)怏w探頭使用甲烷校準(zhǔn)時(shí)的校準(zhǔn)因子舉例

舉例來(lái)說(shuō)：

1）如果可燃?xì)怏w探頭檢測(cè)的是正己烷，若顯示讀數(shù)及報(bào)警為25% LEL，則環(huán)境中正己烷的實(shí)際濃度為25%LEL×2.86=71.5% LEL。雖然環(huán)境中正己烷的濃度未達(dá)到爆炸下限，但可能導(dǎo)致人員響應(yīng)時(shí)間不足，導(dǎo)致潛在安全后果。

2）如果可燃?xì)怏w探頭檢測(cè)的是氫氣，若顯示讀數(shù)及報(bào)警為25% LEL，則環(huán)境中氫氣的實(shí)際濃度為25% LEL×0.94=23.5%LEL，氫氣仍未達(dá)到其爆炸下限的25%。

因此可以采用如下公式將探頭顯示的讀數(shù)轉(zhuǎn)換為被檢測(cè)物質(zhì)的實(shí)際濃度。

被檢測(cè)物質(zhì)實(shí)際濃度(%LEL)=探頭讀數(shù)%LEL×校準(zhǔn)因子

需要注意的是，不同氣體探頭廠家給出的校準(zhǔn)因子會(huì)稍有差異，因此建議和氣體探頭廠家確認(rèn)所需要的校準(zhǔn)因子。

3.1.2 使用其他校準(zhǔn)氣體進(jìn)行校準(zhǔn)

除了使用常用的甲烷進(jìn)行校準(zhǔn)外，一些廠家也會(huì)使用丙烷、丁烷、戊烷等其他氣體進(jìn)行校準(zhǔn)。

根據(jù)Industrial Scientific 公司提供的催化燃燒式可燃?xì)怏w探頭校準(zhǔn)因子，同樣地選取表2中所示5種物質(zhì)進(jìn)行討論[6]。

表2 催化燃燒式可燃?xì)怏w探頭使用其他校準(zhǔn)氣體時(shí)的校準(zhǔn)因子舉例

同樣的，如果可燃?xì)怏w探頭檢測(cè)的分別是正己烷和氫氣，假設(shè)采用戊烷進(jìn)行校準(zhǔn)，若顯示讀數(shù)及報(bào)警為25% LEL，則環(huán)境中的正己烷和氫氣濃度分別為35.5% LEL（25% LEL×1.42）和11.8% LEL（25%LEL×0.47）。

3.2 紅外式可燃?xì)怏w探頭

根據(jù)Status Scientific Controls公司提供的FGD10A-M類型可燃?xì)怏w探頭使用丙烷校準(zhǔn)時(shí)的校準(zhǔn)因子，同樣地選取表3中所示5種物質(zhì)進(jìn)行探討[7]。

表3 紅外式可燃?xì)怏w探頭使用丙烷校準(zhǔn)時(shí)的校準(zhǔn)因子舉例

由于紅外式可燃?xì)怏w探頭不適用于氫氣和乙炔檢測(cè)，因此其校準(zhǔn)因子為零。

以正已烷為例，如果可燃?xì)怏w探頭顯示讀數(shù)為25% LEL，如果使用丙烷進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)于催化燃燒式可燃?xì)怏w探頭和紅外式可燃?xì)怏w探頭正已烷在環(huán)境中的實(shí)際濃度分別為：

催化燃燒式可燃?xì)怏w探頭：25% LEL×1.77=44.3% LEL。

紅外式可燃?xì)怏w探頭：25% LEL×0.8=20%LEL。

由此可以看出，即使用同一種校準(zhǔn)氣體進(jìn)行校準(zhǔn)，不同類型的可燃?xì)怏w探頭會(huì)有不同的校準(zhǔn)因子，不同生產(chǎn)廠家提供的校準(zhǔn)因子也稍有差異，而且催化燃燒式可燃?xì)怏w探頭與紅外式可燃?xì)怏w探頭的校準(zhǔn)因子通常差異比較大。此外，通常情況下催化燃燒式可燃?xì)怏w探頭使用戊烷的校準(zhǔn)因子小于2并且接近于1，因此一些廠家會(huì)推薦使用戊烷進(jìn)行可燃?xì)怏w探頭的校準(zhǔn)。

4 多種氣體或者混合氣體的情形下的報(bào)警值設(shè)定

4.1 多種氣體情形下的報(bào)警值設(shè)定

很多工廠在生產(chǎn)過(guò)程中基本都會(huì)涉及易燃液體，如易燃液體儲(chǔ)罐區(qū)、甲類倉(cāng)庫(kù)的桶裝易燃液體、生產(chǎn)車間易燃液體的暫存、使用等。通常情況下在儲(chǔ)罐區(qū)、倉(cāng)庫(kù)及車間等區(qū)域安裝的是催化燃燒式可燃?xì)怏w探頭，因此需要服務(wù)于多種物質(zhì)的泄漏識(shí)別及報(bào)警。大部分企業(yè)可能按照GB/T 50493—2019《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定設(shè)置了兩級(jí)報(bào)警（25% LEL和50% LEL），但并未合理考慮多種物質(zhì)的情形。

舉例來(lái)說(shuō)，假設(shè)甲類倉(cāng)庫(kù)存放甲苯和甲醇兩種桶裝物料，且安裝有催化燃燒式可燃?xì)怏w探頭，探頭使用甲烷進(jìn)行校準(zhǔn)。Industrial Scientific公司提供的校準(zhǔn)因子如下表4所示[6]：

表4 使用甲烷校準(zhǔn)時(shí)時(shí)甲苯及甲醇的校準(zhǔn)因子

案例1：

如果希望可燃?xì)怏w探頭報(bào)警值設(shè)定為甲苯爆炸下限的25%，則可燃?xì)怏w探頭的讀數(shù)顯示為25%LEL/2.55=9.8% LEL。

這種情況下當(dāng)可燃?xì)怏w探頭探測(cè)到甲醇并報(bào)警時(shí)，其實(shí)際濃度則為：9.8% LEL×1.1=10.8% LEL。環(huán)境中甲醇的濃度仍未達(dá)到其爆炸下限的25%。

案例2：

如果希望可燃?xì)怏w探頭報(bào)警值設(shè)定為甲醇爆炸下限的25%，則可燃?xì)怏w探頭的讀數(shù)顯示為25%LEL/1.1=22.7% LEL。

這種情況下當(dāng)可燃?xì)怏w探頭探測(cè)到甲苯并報(bào)警時(shí)，其實(shí)際濃度則為：22.7% LEL×2.55=57.9%LEL?？臻g中甲苯的濃度已經(jīng)遠(yuǎn)大于其爆炸下限的25%，意味著可燃?xì)怏w探頭檢測(cè)到甲苯比較延遲，可能帶來(lái)潛在的安全后果。

從以上兩個(gè)例子中可以看出，如果工廠涉及多種易燃物質(zhì)，建議可燃?xì)怏w探頭的校準(zhǔn)基于最不敏感的氣體(例子中的甲苯)，或者說(shuō)基于校準(zhǔn)因子最大的物質(zhì)，即這種情況下會(huì)使其他氣體的顯示讀數(shù)偏高，但從安全角度可以控制易燃物質(zhì)的實(shí)際濃度低為25%。

4.2 氣體混合物情形下的報(bào)警值設(shè)定

4.2.1 氣體混合物各物質(zhì)的組分相對(duì)固定

一些工廠可能會(huì)涉及組分相對(duì)固定的氣體混合物，氣體混合物的爆炸下限(LEL)可以采用公式進(jìn)行估算，之后以估算的LEL進(jìn)行報(bào)警值的設(shè)定。但是可燃?xì)怏w探頭的校準(zhǔn)氣體沒(méi)有混合氣，此外也沒(méi)有混合氣體的校準(zhǔn)因子，因此這種報(bào)警值設(shè)定方式可能由于混合物質(zhì)泄漏后可燃?xì)怏w探頭未能及時(shí)檢測(cè)到泄漏物質(zhì)從而導(dǎo)致空間中的實(shí)際濃度大于報(bào)警值。

例如汽油，其主要成分為C5～C12脂肪烴和環(huán)烷烴，此種情況下可以考慮基于含碳原子數(shù)較大的烷烴進(jìn)行報(bào)警值的設(shè)定，如庚烷或者辛烷。

4.2.2 氣體混合物各物質(zhì)的組分變化

目前很多工廠使用蓄熱式焚燒爐(RTO)進(jìn)行揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)的處理，精細(xì)化工行業(yè)通常使用大量的易燃溶劑，而且由于產(chǎn)品多變可能導(dǎo)致RTO總管內(nèi)的易燃?xì)怏w組分發(fā)生變化。企業(yè)可能會(huì)采用估算的氣體混合物的LEL進(jìn)行報(bào)警值設(shè)定，除了上述第4.2.1節(jié)中所描述的問(wèn)題外，由于氣體混合物組分的變化，很難估算出一個(gè)相對(duì)合理的LEL。因此可燃?xì)怏w探頭報(bào)警值的設(shè)定可以基于最不敏感的氣體，或者說(shuō)基于校準(zhǔn)因子最大的物質(zhì)進(jìn)行設(shè)定。

5 結(jié)論與建議

大部分流程工廠都會(huì)涉及易燃物質(zhì)的儲(chǔ)存、使用、處置等操作，并相應(yīng)安裝了可燃?xì)怏w探頭，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)易燃物質(zhì)泄漏或者檢測(cè)工藝系統(tǒng)中易燃?xì)怏w濃度。文中尾氣處理系統(tǒng)發(fā)生的事故案例表明，可燃?xì)怏w探頭報(bào)警值設(shè)定的前提是選擇合適的探頭類型。在此前提條件下，本文通過(guò)氫氣及正丁醇的案例闡述了易燃物質(zhì)的爆炸下限LEL、液體的閃點(diǎn)、泄漏速率及達(dá)到危險(xiǎn)濃度所需要的時(shí)間、報(bào)警后所需的響應(yīng)時(shí)間等因素對(duì)于可燃?xì)怏w探頭報(bào)警值設(shè)定的影響。此外，本文針對(duì)常用的催化燃燒式及紅外式可燃?xì)怏w探頭，通過(guò)不同的案例闡述了可燃?xì)怏w探頭報(bào)警值的設(shè)定需要考慮校準(zhǔn)氣體及校準(zhǔn)因子對(duì)其影響。由于企業(yè)通常涉及多種易燃物質(zhì)，本文針對(duì)多種氣體及氣體混合物情形下闡述了可燃?xì)怏w探頭混合校準(zhǔn)氣體的可獲得性及應(yīng)用混合氣體LEL的局限性，針對(duì)這種情形氣體探頭報(bào)警值的設(shè)定可以基于最不敏感的氣體，或者說(shuō)基于校準(zhǔn)因子最大的物質(zhì)進(jìn)行設(shè)定。