吳仁杰 李雅君 林滔 謝智煌 林翔

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司 福建龍巖 364000）

0 引言

揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）是熔點(diǎn)低于25 ℃且沸點(diǎn)在50 ℃～260 ℃的有機(jī)化合物的總稱［1］。隨著國(guó)內(nèi)各類工業(yè)的不斷發(fā)展，所排放出的VOCs 日益增加，特別是在化工、噴涂、印刷等行業(yè)。近些年治理VOCs 得到國(guó)家和地方重視，相繼出臺(tái)各種治理VOCs 的政策和標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)治理手段快速發(fā)展。

目前以熱焚燒爐和催化燃燒爐為主要設(shè)備的燃燒法是市面上主流的VOCs 治理方法［2］。而蓄熱式熱力燃燒爐（RTO）是熱力燃燒銷毀VOCs 氣體的核心設(shè)備。

在RTO 凈化VOCs 廢氣的過程中，若入口廢氣濃度過高或蓄熱體堵塞，在RTO 內(nèi)局部積累了高濃度廢氣，遇到明火或高溫?zé)嵩磿?huì)發(fā)生爆燃。為防止爆燃對(duì)RTO 設(shè)備及上下游管道造成危險(xiǎn)，需要設(shè)置爆破片等安全泄放裝置。然而對(duì)于RTO 設(shè)備上的爆破片選型，現(xiàn)有資料在計(jì)算方法上仍是一片空白，因此本文給出了一種針對(duì)RTO 設(shè)備爆破片的選型計(jì)算方法，為RTO 設(shè)計(jì)選型提供參考。

1 RTO 安全簡(jiǎn)析

RTO 的工作原理為在高溫下將廢氣中的有機(jī)物氧化成CO2和H2O，并回收廢氣分解時(shí)所釋放出來的絕大部分熱量。RTO 因其較高的凈化效率和熱效率以及低運(yùn)行成本得到廣泛應(yīng)用，但在其使用過程中由于高溫、明火等原因時(shí)常發(fā)生火災(zāi)、爆炸等安全問題。

由于RTO 本身是一個(gè)點(diǎn)火裝置，當(dāng)進(jìn)入RTO 的廢氣濃度過高或蓄熱體堵塞等原因造成RTO 內(nèi)局部VOCs 濃度達(dá)到一定限度，一旦遇到燃燒機(jī)、高溫蓄熱體等熱源，廢氣將在RTO中發(fā)生爆燃，進(jìn)而可能導(dǎo)致RTO 爆炸、管道回火等重大安全事故。本文摘錄了部分安全事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，詳見表1。

工程上為降低廢氣濃度波動(dòng)對(duì)RTO 的影響，一般會(huì)在廢氣源設(shè)置在線濃度檢測(cè)儀、旁路閥等措施避免濃度失常的廢氣進(jìn)入RTO。此外，許多廠家為防止蓄熱體堵塞增設(shè)了在線除焦、高溫反吹等措施，一定程度緩解了蓄熱體的堵塞情況。

以上措施可以大幅降低燃燒室出現(xiàn)高濃度廢氣的頻率，但這些方法難免會(huì)失效，無法保證該情況不再發(fā)生。為了減輕高濃度廢氣在燃燒室內(nèi)爆燃產(chǎn)生的破壞，需要為RTO 設(shè)置最后一道防線——安全泄放裝置。由表1 中的事故整改方案可以看出，安裝爆破片等泄放裝置是應(yīng)對(duì)RTO 爆炸的優(yōu)良解決方案。近期出臺(tái)的許多VOCs 相關(guān)治理規(guī)程中也出于安全性的考慮，將“RTO 等燃燒設(shè)備必須安裝爆破片等安全泄放裝置”寫入技術(shù)規(guī)范中［3］。所以，在RTO 上安裝安全泄放裝置既是保安全的手段，也是合法合規(guī)的要求。

表1 部分RTO 事故統(tǒng)計(jì)表

2 安全泄放裝置的選擇

RTO 上所安裝的泄放裝置既需要適應(yīng)RTO 的工作環(huán)境，又要很好地完成泄爆工作。RTO 燃燒室內(nèi)充滿了高溫氣體，在正常運(yùn)行時(shí)需要泄放裝置有較好的密封性，減少高溫氣體的泄漏。當(dāng)燃燒室出現(xiàn)爆燃情況時(shí)，燃燒室內(nèi)壓力上升的速度很快，所以泄放裝置需要快速反應(yīng)開啟，通過泄壓的方式降低爆燃的危險(xiǎn)性。由于RTO 并非密閉容器，在燃燒室內(nèi)部的壓力較低，因此，低設(shè)計(jì)壓力同時(shí)具有密封性好、反應(yīng)迅速兩個(gè)特點(diǎn)的泄放裝置，方可在RTO 設(shè)備上應(yīng)用。

工程上使用較多的泄放裝置主要是安全閥和爆破片。安全閥是一種利用介質(zhì)本身的力來排出額定數(shù)量的流體以防止壓力超過安全值的閥門［4］，當(dāng)壓力下降到安全范圍內(nèi)將自動(dòng)關(guān)閉。雖然安全閥可多次使用，但靈敏度不高，即使依靠壓力檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，動(dòng)作時(shí)間也需要0.01 s。而爆破片是依靠介質(zhì)出入口靜壓差驅(qū)動(dòng)膜片發(fā)生破裂或脫落以排放高壓介質(zhì)的一次性泄壓裝置，動(dòng)作時(shí)間僅需0.001 s［5］，雖然使用一次后需要停機(jī)更換，但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用法蘭固定的爆破片安裝較為方便。

不難發(fā)現(xiàn)，爆破片的特性非常契合RTO 對(duì)泄放裝置的要求，在RTO 相關(guān)工程上使用較多。爆破片的設(shè)計(jì)壓力與面積密切相關(guān)，RTO 設(shè)備所需爆破片的設(shè)計(jì)壓力較低，其面積就需要比一般的爆破片更大。目前常用的正拱形、反拱形爆破片由于其低設(shè)計(jì)壓力制造困難，因而低設(shè)計(jì)壓力、大面積的爆破片其一般形式為平板型。

3 RTO 爆破片的選型計(jì)算

生產(chǎn)廠家進(jìn)行爆破片生產(chǎn)主要需要2 個(gè)參數(shù)：設(shè)計(jì)壓力和最小泄壓面積，其他如材質(zhì)等依工況要求選取即可。

3.1 爆破片設(shè)計(jì)壓力

爆破壓力是指在規(guī)定的爆破溫度下，爆破片破裂時(shí)兩側(cè)的壓力差值［6］。在數(shù)值上等同于設(shè)計(jì)壓力。

目前設(shè)計(jì)爆破壓力的確定有2 種方法：①根據(jù)介質(zhì)的性質(zhì)來確定，即通過已有文獻(xiàn)資料或計(jì)算方法將一定溫度下介質(zhì)的爆炸極限與爆炸壓力聯(lián)系起來，得到工況下介質(zhì)的最大爆炸壓力，再根據(jù)文獻(xiàn)［6］中的制造范圍和壓力允差將該值進(jìn)行轉(zhuǎn)化后，得出爆破片的設(shè)計(jì)壓力。②經(jīng)驗(yàn)法，目前RTO 爐膛內(nèi)的工作壓力不高，因此所使用爆破片的設(shè)計(jì)壓力也相對(duì)較低，并有著一定的經(jīng)驗(yàn)取值趨向。一般情況下RTO 設(shè)備爆破片設(shè)計(jì)壓力取0.01 MPa～0.02 MPa，常用的值有0.015 MPa、0.020 MPa等，取值同樣需要根據(jù)具體情況進(jìn)行分析判斷。

3.2 爆破片最小泄壓面積

最小泄壓面積是指用于排放流體的最小橫截面積的流通面積。一般在計(jì)算廠房等大空間環(huán)境，則依靠泄壓面積與泄壓比的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算［7］，而對(duì)于密閉壓力容器，其最小泄壓面積可通過計(jì)算安全泄放量得到最小泄壓面積［8］。

安全泄放量的計(jì)算式如式（1）。

式中：WS為安全泄放量，kg/h；ρ 為介質(zhì)密度，kg/m3；v 為壓力容器入口氣體流速，m/s ；d 為壓力容器入口管直徑，mm。

在使用式（1）計(jì)算得到安全泄放量之后，即可利用式（2）計(jì)算容器的最小泄壓面積。

式中：A 為最小泄壓面積，mm2；K 為泄放裝置的泄放系數(shù)［8］；pf為泄放裝置的泄放壓力（絕壓），MPa；k 為氣體絕熱系數(shù)，可以通過k=CP/CV計(jì)算得到；p0為泄放裝置出口側(cè)壓力（絕壓），MPa；Z 為氣體壓縮系數(shù)，確定溫度和壓力后可運(yùn)用三參數(shù)對(duì)比態(tài)法計(jì)算；Tf為氣體泄放溫度，K；M 為介質(zhì)摩爾質(zhì)量，g/mol。

通過式（2）計(jì)算得到爆破片最小泄壓面積后，一般根據(jù)工況將A 放大圓整為常用的爆破片規(guī)格，得到爆破片的實(shí)際泄壓面積。

選定爆破片類型，確定好爆破片的設(shè)計(jì)壓力和面積后，向爆破片生產(chǎn)廠家提供相關(guān)數(shù)據(jù)，即可生產(chǎn)出目標(biāo)爆破片。

3.3 計(jì)算實(shí)例

現(xiàn)以某制藥廠VOCs 項(xiàng)目作為實(shí)例，演示爆破片設(shè)計(jì)選型思路。

RTO 入口廢氣為5 g/m3的VOCs 廢氣，主要成分為苯、甲苯、乙酸乙酯等，處理風(fēng)量為30 000 m3/h，切換閥直徑850 mm，爆破片排放側(cè)為大氣。

沒有特殊要求，爆破片類型選用平板開縫型即可。

首先為爆破片設(shè)定工作溫度，RTO 燃燒室最高可達(dá)到1 000 ℃，則設(shè)定爆破片的泄放溫度Tf為1 100 ℃，即1 373 K。

接下來通過上述2 種方法分別確定爆破片的設(shè)計(jì)壓力。

（1）通過介質(zhì)性質(zhì)確定設(shè)計(jì)壓力。由于難以得到各個(gè)溫度壓力下對(duì)應(yīng)的各類有機(jī)物爆炸極限與最大爆炸壓力的函數(shù)關(guān)系，因此以苯為主體，簡(jiǎn)化廢氣情況進(jìn)行計(jì)算。通過文獻(xiàn)［9］得到苯的最大爆炸壓力與體積濃度比的關(guān)系如式（3）。

式中：PMAX為最大爆炸壓力，MPa；η 為苯體積濃度百分比。

首先使用化工熱力學(xué)中三參數(shù)對(duì)比法，得到密度ρ 和體積百分比η。再將η 代入式（3）得到PMAX。

結(jié)合文獻(xiàn)［6］中的爆破片制造范圍和壓力允差，得出爆破片的設(shè)計(jì)壓力為0.3 MPa，再得到爆破片的絕對(duì)泄放壓力pf。

由RTO 風(fēng)量Q 和切換閥直徑d，得到切換閥處的氣速v，利用式（1）計(jì)算得到安全泄放量Ws。

根據(jù)文獻(xiàn)確定K、k 和Z 的值后代入式（2），得到爆破片的最小泄放面積A。再對(duì)A 進(jìn)行適當(dāng)放大和圓整，得到實(shí)際正方形爆破片的邊長(zhǎng)為200 mm。以上所有計(jì)算數(shù)值見表2。

（2）通過經(jīng)驗(yàn)值確定設(shè)計(jì)壓力。RTO 所用爆破片的設(shè)計(jì)壓力經(jīng)驗(yàn)值一般有0.010 MPa、0.015 MPa 或0.020 MPa 等。在本示例中，將以0.020 MPa 作為爆破片設(shè)計(jì)壓力經(jīng)驗(yàn)取值。

通過設(shè)計(jì)壓力可確定爆破片的絕對(duì)泄放壓力pf。爆破片最小泄放面積的計(jì)算方法與上文相同，計(jì)算過程不再贅述，對(duì)A進(jìn)行放大圓整，得到實(shí)際正方形爆破片的邊長(zhǎng)為300 mm，具體計(jì)算數(shù)值見表2。

表2 計(jì)算數(shù)值一覽表

4 爆破片選型結(jié)果分析

通過介質(zhì)性質(zhì)計(jì)算爆破片設(shè)計(jì)壓力0.30 MPa，面積200 mm×200 mm；通過經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算得到的爆破片設(shè)計(jì)壓力0.02 MPa，面積300 mm×300 mm。二者的計(jì)算結(jié)果在設(shè)計(jì)壓力上相差非常大，而爆破片面積的結(jié)果相對(duì)比較接近。造成如此大差異的原因主要有①RTO 并非壓力容器；②介質(zhì)性質(zhì)無法準(zhǔn)確得到，只能以參考值計(jì)算。

由于RTO 是非密閉容器，因此以密閉條件計(jì)算出的設(shè)計(jì)壓力會(huì)偏大許多，從而導(dǎo)致爆破片的面積偏小。另外，在最小泄壓面積的計(jì)算上同樣需要注意，此法得到的是密閉容器的最小泄壓面積，因此在RTO 爆破片選型時(shí)需要將其進(jìn)行放大，留出余量。

工程上廢氣的成分較為復(fù)雜，難以進(jìn)行準(zhǔn)確的鑒定，同時(shí)廢氣的產(chǎn)生又受前端流程的影響，不僅是廢氣的組成就連廢氣的濃度都難以維持在穩(wěn)定的范圍內(nèi)，因此無法準(zhǔn)確計(jì)算出實(shí)際廢氣的爆炸極限和最大爆炸壓力。另外，目前涉及VOCs類氣體爆炸極限與最大爆炸壓力關(guān)系的相關(guān)文獻(xiàn)較少，而對(duì)800 ℃的高溫下相關(guān)參數(shù)的研究更是寥寥無幾，這導(dǎo)致介質(zhì)性質(zhì)計(jì)算無法使用準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，因而最后的結(jié)果會(huì)與經(jīng)驗(yàn)值法相差甚遠(yuǎn)。

在計(jì)算思路上介質(zhì)性質(zhì)法的計(jì)算會(huì)更嚴(yán)謹(jǐn)一些，但受限于目前文獻(xiàn)資料的缺少，很多需要用準(zhǔn)確值計(jì)算的數(shù)據(jù)都只能使用相近的參考值代替，這可能導(dǎo)致最終結(jié)果與真實(shí)情況相差較大，導(dǎo)致其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值大幅下降，但其計(jì)算思路完全可以作為工程選型的參考。而經(jīng)驗(yàn)值法是目前較多設(shè)計(jì)者在工程項(xiàng)目中使用的方法，雖然在計(jì)算方法上未經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)驗(yàn)證，但其計(jì)算結(jié)果可以滿足工程需要，在尚未出現(xiàn)更準(zhǔn)確的計(jì)算方法前仍可沿用此法。

5 結(jié)語

由于廢氣濃度激增的情況時(shí)常發(fā)生，電氣系統(tǒng)有時(shí)無法及時(shí)攔截失常濃度的廢氣進(jìn)入RTO，或是由于蓄熱體堵塞導(dǎo)致高濃度的廢氣在RTO 內(nèi)局部積累，可能在RTO 內(nèi)發(fā)生爆燃導(dǎo)致設(shè)備損壞或更大的事故，為防止該情況的發(fā)生，需要在RTO 上安裝爆破片。

在演示爆破片選型時(shí)也發(fā)現(xiàn)了一些問題，希望相關(guān)科研人員能夠在VOCs 氣體的爆炸極限與最大爆炸壓力的相關(guān)關(guān)系上做更深入的研究，完善VOCs 各種氣體的爆炸參數(shù)，為爆破片的設(shè)計(jì)選型提供更方便、更準(zhǔn)確的計(jì)算方法，以保證RTO和其他壓力容器能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行。