陳晶妮，倪亮(江蘇國恒安全評價咨詢服務有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

隨著環(huán)保要求的提高，各地方對化工行業(yè)領域污染物排放加強了管控。高架火炬應當用于應急處置，不得作為日常大氣污染處理設施。利用高架火炬處理的廢氣，僅限于工藝裝置開停工、火災事故、公用工程事故及其他事故等緊急狀態(tài)下，無法進行有效回收的可燃性氣體?；て髽I(yè)為了達到環(huán)保的要求，增設尾氣處置環(huán)保設施。

從目前化工企業(yè)尾氣處理設施引發(fā)的安全事故案例可以看到，尾氣處理設施運行過程中重點關注在環(huán)保達標問題而缺少必要的安全風險管控和安全措施，從而引發(fā)了各種安全事故。如江蘇某化工企業(yè)蓄熱式燃燒爐(RTO)裝置于2015年3月8日發(fā)生爆炸，事故直接原因是氣體冷凝溫度較高，冷凝后氣相中的有機化合物含量增高，廢氣收集管道上稀釋的配風空氣不足，導致進入RTO廢氣的濃度達到爆炸極限。間接原因是廢氣收集管道上未設置在線廢氣濃度檢測儀及防爆泄壓設施。2019年6月16日安徽某制藥廠RTO裝置因廢氣中甲醇濃度突然升高導致爆炸，可能的原因：(1)該裝置未安裝實時廢氣濃度檢測儀，不能及時檢測并切斷高濃度廢氣，造成高濃度廢氣在爐內蓄熱材料中升溫過程發(fā)生爆炸；(2)該裝置未安裝阻火器，不能阻斷爆燃的廢氣回火至廢氣收集部分。

因此，在增設尾氣處理設施同時采取針對性的安全措施，對提升尾氣處理設施的本質安全十分重要。

1 焚燒爐的種類

廢氣焚燒爐一般分為直燃式廢氣焚燒爐和蓄熱式廢氣焚燒爐。

(1)直燃式廢氣焚燒爐(TO)。采用絕熱高溫焚燒方式，主要功能是將廢氣中的有機廢物分解，生成CO2和H2O。如由霍尼韋爾UOP凱勒特燃燒技術與設備(上海)有限公司研發(fā)的直燃式廢氣焚燒爐，在運行溫度950 ℃，在良好的煙氣湍流設計的條件下，焚毀去除率可以大于99.99%(最差工況可保證不低于97%)。上海石化2015年安裝使用直燃式廢氣焚燒爐，處理烴類廢氣，廢氣處理量2 000 Nm3/h；路博潤添加劑(珠海)有限公司2012年安裝使用立式焚燒爐，處理醇類廢氣，廢氣處理量1 926 Nm3/h，均運行良好。

(2)蓄熱式廢氣焚燒爐(RTO)。采用蓄熱式氧化焚燒技術，將揮發(fā)性有機廢氣經蓄熱室吸熱升溫后，進入燃燒室高溫焚燒，使廢氣氧化轉化為CO2和H2O，再經過另外一個蓄熱室蓄存熱量后排放，蓄存的熱量用于預熱新進入的廢氣，經過周期性的改變氣流方向從而保持爐膛溫度穩(wěn)定，相較于傳統(tǒng)的直燃式氧化爐相比，具有熱回收率高和有機廢氣去除率高的特點。目前精細化工企業(yè)在處理廢氣中已廣泛運用該項技術。利民化工股份有限公司二期2018年安裝使用廢氣蓄熱焚燒爐，處理甲硫醇、污水站廢氣、廢鹽烘干等廢氣，廢氣處理量40 000 Nm3/h；百川化工(如皋)有限公司2017年安裝使用廢氣蓄熱焚燒爐，處理偏酐車間廢氣、偏酐三辛酯車間廢氣、醋酸酯車間廢氣，廢氣處理量50 000 Nm3/h，均運行良好。

2 焚燒爐運行過程的危險因素

焚燒爐運行過程與上游尾氣密切相關，從尾氣自身危險性、尾氣收集系統(tǒng)以及焚燒爐運行過程進行整體安全風險分析，能夠全面辨識危險因素。

2.1 尾氣帶來的風險

化工企業(yè)的尾氣通常含有多種組份氣體，各組份氣體決定固有危險特性，常見尾氣含有甲醇、二氯苯、一氧化氮等。甲醇屬于易燃液體，爆炸極限范圍5.5%～44%，閃點12 ℃；二氯苯，屬于急性毒性吸入，類別3，職業(yè)接觸限制(PC-TWA)50 mg/m3；一氧化氮，氧化性氣體，類別1加壓氣體，急性毒性-吸入，類別3，職業(yè)接觸限制(PC-TWA)15 mg/m3。由此說明尾氣具有易燃、有毒、腐蝕等危險。

2.2 尾氣收集系統(tǒng)運行風險

一般情況下，上游裝置廢氣利用其自身壓力排至焚燒爐，或者經氣-液分離罐分液再經風機增壓引進焚燒爐處置。在廢氣收集運輸過程中產生如下風險：(1)對各廢氣收集的過程中，若未對廢氣進行適當?shù)念A處理措施，可能導致廢氣管線腐蝕破損、堵塞憋壓等情況，導致廢氣管線故障，進而引發(fā)廢氣泄漏，可能引起火災、中毒等事故；(2)各廢氣產生點的廢氣管線與廢氣總管之間、廢氣總管與廢氣緩沖罐之間若未加裝阻火器等安全設施或阻火設施失效，在部分廢氣管線發(fā)生火災事故的情況下，可能引燃整個廢氣系統(tǒng)，導致嚴重的事故；(3)各股廢氣中的污染物成分若存在互為禁忌的成分，在匯入總管后可能引發(fā)反應，導致管道內溫度、壓力上升，引起管道憋壓，容易造成廢氣泄漏；(4)新增廢氣管線若不進行合理布置，不采取一定的防腐措施，可能導致管線腐蝕破損；(5)廢氣管線防靜電、防火措施未安裝完善，廢氣管線存在焊接安裝缺陷等，可能導致廢氣泄漏引起火災，甚至引起整個廢氣管線系統(tǒng)火災。

2.3 焚燒爐運行風險

當達到爆炸極限值高濃度廢氣進入爐內蓄熱材料，升溫過程中可能發(fā)生爆炸，以下運行情況會導致廢氣濃度升高：(1)上游裝置排放的廢氣要經過洗滌塔進行水洗降低廢氣濃度和溫度，如果在水洗系統(tǒng)發(fā)生故障停車或是檢修停工的情況下，仍然將廢氣排入焚燒爐裝置，此時廢氣的有機物濃度和廢氣溫度將嚴重超標；(2)上游裝置發(fā)生激烈的工況波動導致排放大量廢氣，或是上游裝置的事故緊急泄放氣亦被送入焚燒爐裝置處理，因為此時的廢氣中的有機物濃度、廢氣溫度嚴重超標；(3)如果對廢氣管線的吸入點不進行有效的有機物濃度檢測和報警，且當廢氣的有機物濃度超標時沒有采取有效的濃度稀釋、氣體惰性化以及事故氣緩沖和高空排放等措施。

焚燒爐裝置采用天然氣作為燃料，助燃廢氣的氧化過程。天然氣屬于易燃氣體，如果通入焚燒爐裝置的天然氣壓力過小，可能引起回火爆炸；通入的天然氣如果控制不當導致過量，可能會引起裝置燃燒室內形成爆炸危險環(huán)境；天然氣一旦從管道內發(fā)生外漏，也可能引起燃爆事故。焚燒爐裝置在點火失敗進行二次點火的過程中，爐膛內可能已經形成了爆炸危險性氣體環(huán)境，若不進行氣體組分、氧含量的檢測，直接點火可能引起爆炸。焚燒爐裝置燃燒室內的燃燒器設計不合理造成燃燒效率低下，燃燒器未安裝長明火裝置或裝置失靈，都可能造成燃燒室內出現(xiàn)爆炸危險環(huán)境，可能造成燃爆事故。焚燒爐裝置的焚燒室內因進氣量過大，燃燒器發(fā)生故障，蓄熱體超溫，尾氣排放系統(tǒng)不暢通等原因一旦出現(xiàn)正壓狀態(tài)，可能導致高溫氣體回流廢氣管網，甚至發(fā)生回火，引起廢氣管道燃爆事故，嚴重時波及到上游裝置和設施。焚燒爐裝置的引風機如果出現(xiàn)故障，會導致燃燒室內出現(xiàn)正壓引起氣體溫度升高和回流，高溫氣體竄回管網可能導致回火燃爆，甚至嚴重波及上游裝置、設施。

尾氣排放溫度過高，如果不能及時切斷焚燒爐裝置的廢氣進氣，或是高濃度廢氣緊急泄放口進入了尾氣排放管線，可能導致超標濃度的尾氣在高溫下發(fā)生爆炸。廢氣管線、焚燒爐裝置的燃燒室等部位如果未安裝泄壓防爆裝置，一旦發(fā)生超壓、爆炸，可能會造成嚴重的事故。廢氣中含有有機化合物，一旦發(fā)生泄漏可能導致周邊人員發(fā)生中毒、窒息事故。

2.4 廢熱鍋爐系統(tǒng)運行風險

通常情況，焚燒后的高溫煙氣進入余熱鍋爐進行熱量回收，煙氣溫度降至符合要求，同時副產一定溫度的飽和蒸汽用于廠內回收利用，節(jié)約成本。經處理的煙氣進入煙囪進行排放，在煙囪上部設置煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)，對煙氣中的有害物質進行在線監(jiān)測。廢熱鍋爐系統(tǒng)運行過程中，由于作業(yè)人員操作失誤以及安全保護裝置失靈等原因，可造成鍋爐缺水、滿水、超壓、汽水共沸、水擊等后果，如不及時處理或處理不當，有可能引起鍋爐物理爆炸事故[1]。余熱鍋爐及蒸汽系統(tǒng)由于安全附件失靈(主要是安全閥、壓力表等)，或超壓運行，或未定期檢測，或未效驗、年檢，或過熱，或嚴重腐蝕，有裂紋，保護裝置失效等因素，均有可能發(fā)生爆裂甚至爆炸事故。

3 焚燒爐應采取的安全措施

3.1 安全設施的配備

(1)每股尾氣進焚燒爐爐膛前均在管道上設有防轟爆型阻火器或者防火閥，防止氣體倒竄、回火影響上游管網和設備。(2)廢氣管道及連接配件宜采用金屬材質，可導除靜電。廢氣管道和設備殼體都需要接地，并且在法蘭處要做好接地跨接，防止靜電產生和積聚。(3)排氣管道截面積宜比進氣管面積大，減少氣體流動阻力，防止爐體內憋壓。(4)嚴格控制焚燒爐進口有機物的濃度是預防爆炸的一個最根本的措施。特別是蓄熱式焚燒爐，本身就是一個點火源，如果爐膛內進口濃度已經超過爆炸下限，即使前面用了防爆風機、管道采用了防靜電都無濟于事。由于有機物的爆炸下限隨著氣體溫度的提高會大幅降低，同時由于化工企業(yè)有機廢氣的突發(fā)性排放，入口濃度必須遠低于爆炸下限。廢氣入口及必要的廢氣支路入口處安裝在線廢氣濃度檢測儀，對廢氣濃度進行實時監(jiān)測，并在焚燒爐入口處加稀釋風閥和緩沖罐，濃度監(jiān)測儀、稀釋風閥、風機等儀器設備之間的連鎖控制，確保進入焚燒爐裝置的廢氣濃度低于爆炸極限下限的25%。(5)各股廢氣在匯入總管后，進入焚燒爐，應進行氧含量在線檢測?？刂瓶扇細怏w中含氧量不超過2%，若超標立即連鎖切斷連通的焚燒爐，并緊急放空。(6)為防止爆炸事故，在爐膛頂部設防爆門，廢氣輸送管、緩沖罐內加泄爆片。配備這些泄爆裝置，發(fā)生爆炸時，可把爆炸的損失降到最低。爐膛頂部設防爆門要求朝向為無人員、設備存在的方向。當爐內壓力急劇升高時，防爆門會自動打開泄壓；當爐內過熱時，通過溫度連鎖，應急排放閥可以及時將爐內熱量排放。(7)焚燒爐裝置采用天然氣作為燃料，在天然氣管道容易發(fā)生泄漏的部位和焚燒爐爐膛進口處應設置可燃氣體報警器。(8)防止廢氣燃燒不完全產生一氧化碳導致中毒事故，焚燒爐爐膛進口處設置了一氧化碳有毒氣體報警器。(9)管道氣體溫度超過60 ℃時，應做隔熱保護和相關警示標識，防止現(xiàn)場巡檢人員意外觸碰導致燙傷。

3.2 自動化控制

焚燒爐的工藝過程應采用自動化控制系統(tǒng)進行控制，對關鍵設備(設施)的重要控制參數(shù)，如：廢氣組分濃度、廢氣溫度、廢氣壓力、廢氣流量、燃燒室溫度、燃燒室壓力、尾氣溫度、尾氣流量、尾氣組分濃度、尾氣氧含量、分液罐液位等，應設置就地、遠傳儀表、控制閥等進行有效監(jiān)測和控制。重點設備對溫度、壓力、流量、液位等主要參數(shù)設置指示、調節(jié)以及超限報警，關鍵的工藝控制點設置安全聯(lián)鎖[2]。

對于直燃式焚燒爐，采用DCS控制系統(tǒng)和SIS安全儀表系統(tǒng)進行安全聯(lián)鎖相結合控制。DCS和SIS選用完全獨立的兩套系統(tǒng)，重要部件冗余設計，提高系統(tǒng)的可靠性。

DCS控制系統(tǒng)主要控制回路如下：(1)焚燒爐爐膛溫度控制：焚燒爐溫度控制為分程控制，當溫度低于設定最低值時，增加燃料氣流量；當溫度高于設定最高值時，降低燃料氣流量同時增加爐膛冷卻風流量。(2)燃燒器助燃空氣控制：燃燒器助燃空氣，通過所有廢氣流量對應助燃空氣比例和燃料氣流量對應助燃空氣流量總和調節(jié)助燃空氣流量。(3)鍋爐液位控制：鍋爐液位通過調節(jié)鍋爐給水泵進口流量進行調節(jié)。(4)氣液分離穩(wěn)壓均使用分程控制，氣液分離罐低于設定值時，控制氮氣補氣，當氣液分離罐壓力高于設計值時，變頻控制風機排氣。

SIS安全聯(lián)鎖邏輯控制點主要是燃料氣壓力、儀表風壓力、焚燒爐溫度、助燃風流量分別與停車系統(tǒng)、切斷燃料氣和廢氣雙切斷閥聯(lián)鎖控制。

3.3 焚燒爐點火作業(yè)過程注意事項

焚燒爐爐膛內可能已經形成了爆炸危險性氣體環(huán)境，焚燒爐點火作業(yè)過程容易發(fā)生閃爆事故，可按以下3點進行操作：(1)對點火操作開展安全風險評估，使參加點火操作的職工對點火過程的風險有較深刻的認識。(2)爐子點火過程中的每一個步驟都要嚴格按照操作規(guī)程進行，并且經過崗位、班長及車間三級確認后才能進行下一步驟，要求有確認簽名表。(3)點火過程由當班班長統(tǒng)一指揮，裝置主管及工藝員監(jiān)督落實，吹掃時間按原來的5 min不變，內漏的調節(jié)閥要及時處理好，確保儀表完好，符合工藝要求方可進行點火操作。焚燒爐裝置燃燒室進行二次點火的過程，必須嚴格按照安全規(guī)程進行，應進行必要的氣體組分、氧含量檢測，確保爐膛內未形成爆炸危險環(huán)境。

4 結語

隨著目前化工行業(yè)環(huán)保要求的提升，新建的高效率環(huán)保處理設施基本普及，若對環(huán)保治理設施缺乏整體性的安全風險分析、未采取恰當?shù)陌踩胧?，則可能存在安全隱患。本文具體分析了化工廢氣焚燒爐現(xiàn)存的危險有害因素，提出了針對性的防止安全事故措施、增加監(jiān)測監(jiān)控設施、自動聯(lián)鎖保護等具體措施，防止事故發(fā)生，使環(huán)保治理設施達到環(huán)保要求的同時安全運行。