熱風(fēng)循環(huán)干燥設(shè)備安全節(jié)能改進(jìn)技術(shù)①

田 震 戴 卓 宋博達(dá)

(華南理工大學(xué)化工機(jī)械與安全工程研究所)

符號(hào)說(shuō)明

c——t時(shí)刻設(shè)備內(nèi)可燃?xì)怏w濃度，%；

D——t時(shí)刻設(shè)備內(nèi)可燃?xì)怏w體積，D=c·V0，m3；

k——蒸發(fā)速率研究中的經(jīng)驗(yàn)常量，k= 9300 s/℃；

L——通風(fēng)速率，m3/s；

n——工件表面附著涂料總量，mol；

T——設(shè)備運(yùn)行時(shí)間，s；

t——設(shè)備運(yùn)行溫度，℃；

V0——設(shè)備內(nèi)氣體總體積，m3；

v1——溫度為T時(shí)的氣體摩爾體積，v1= 0.0224×(1+T/273)，m3。

熱風(fēng)循環(huán)干燥工藝被廣泛應(yīng)用于化工、制藥及涂裝等行業(yè)。當(dāng)干燥物料含有易燃有機(jī)成分時(shí)，干燥過(guò)程中可燃?xì)怏w不斷積聚，如果其濃度達(dá)到爆炸濃度下限，遇點(diǎn)火源(如設(shè)備內(nèi)高溫及設(shè)備接地不良引起靜電火花等)時(shí)就可能產(chǎn)生爆炸[1]。為預(yù)防熱風(fēng)循環(huán)干燥事故發(fā)生，GB 14443-2007等標(biāo)準(zhǔn)要求烘干室工作時(shí)應(yīng)不斷排出廢氣并補(bǔ)充新鮮空氣，以滿足室內(nèi)可燃?xì)怏w不發(fā)生積聚的要求。這種方法雖能有效降低干燥過(guò)程中設(shè)備火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)，但存在干燥效率低及能耗高等問(wèn)題[2]。

本質(zhì)安全(Inherent Safety)從過(guò)程設(shè)計(jì)和流程開(kāi)發(fā)源頭上消除或降低過(guò)程的危害，能更有效防止事故發(fā)生[3]。本質(zhì)安全設(shè)計(jì)理論與方法在近些年得到較大的發(fā)展，如通過(guò)采用新的工藝路線以替換危險(xiǎn)原料、改善過(guò)程條件苛刻度、增加設(shè)備可靠性或減少危險(xiǎn)介質(zhì)量等。Goraya A等通過(guò)案例研究證明了強(qiáng)化本質(zhì)安全的設(shè)計(jì)思路有利于事故預(yù)防[4]；Hendershot D C等將本質(zhì)安全設(shè)計(jì)技術(shù)推廣至現(xiàn)有裝置改造研究[5]；Carvalho A等從本質(zhì)安全角度研究間歇生產(chǎn)過(guò)程工藝變更的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防[6]。梁瑞等基于風(fēng)險(xiǎn)與壽命的設(shè)計(jì)(RBD)理念，在設(shè)計(jì)階段分析承壓設(shè)備在建造和使用過(guò)程中可能出現(xiàn)的失效模式并實(shí)現(xiàn)設(shè)備本質(zhì)安全[7]；余文翟等通過(guò)提高反應(yīng)溫度、改變反應(yīng)混合性以及強(qiáng)化反應(yīng)器加料模式3種設(shè)計(jì)方案來(lái)降低硝酸氧化醇反應(yīng)工藝危險(xiǎn)性[8]。上述研究雖然都遵循本質(zhì)安全化設(shè)計(jì)原則探討化工設(shè)備和過(guò)程工藝本質(zhì)安全改進(jìn)，但未全面考慮化工過(guò)程特征及事故風(fēng)險(xiǎn)因素。

熱風(fēng)循環(huán)干燥設(shè)備具有干燥速率快、產(chǎn)量高及加熱均勻等優(yōu)點(diǎn)，但這種設(shè)備目前仍存在節(jié)能減排能力低的問(wèn)題。目前干燥設(shè)備節(jié)能改造主要是通過(guò)優(yōu)化干燥工藝參數(shù)[9，10]、改進(jìn)工藝流程[11]或設(shè)備結(jié)構(gòu)[12]等傳統(tǒng)手段，然而從本質(zhì)安全化設(shè)計(jì)角度出發(fā)的節(jié)能改造研究尚不多見(jiàn)。筆者以某公司發(fā)生爆炸的熱風(fēng)循環(huán)干燥設(shè)備為研究對(duì)象，通過(guò)應(yīng)用強(qiáng)化、替代、緩和及簡(jiǎn)化等本質(zhì)安全化設(shè)計(jì)技術(shù)[13，14]，從源頭上消除或減弱爆炸事故風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能改造，對(duì)提升干燥設(shè)備安全性和節(jié)能水平具有重要的理論和工程應(yīng)用價(jià)值。

1 爆炸危險(xiǎn)因素及本質(zhì)安全化改進(jìn)必要性分析

某公司熱風(fēng)循環(huán)干燥工藝流程如圖1所示。

圖1 熱風(fēng)循環(huán)干燥工藝流程

干燥罐采用半埋地立式設(shè)計(jì)。將罐底進(jìn)入的空氣加熱至預(yù)定工作溫度后，通過(guò)風(fēng)機(jī)輸送至干燥罐內(nèi)對(duì)工件表面涂料進(jìn)行干燥，然后在風(fēng)機(jī)帶動(dòng)下從罐頂抽出，一部分通過(guò)排氣管路排出，另一部分通過(guò)循環(huán)管路再次回到罐底進(jìn)行加熱后循環(huán)利用。干燥設(shè)備和烘干涂料參數(shù)如下：

干燥罐規(guī)格φ2000mm×2000mm

干燥罐材料 16MnR

設(shè)備總?cè)莘e 7.80m3(干燥罐 6.28m3, 管路及其他1.52m3)

通風(fēng)換氣速率 1 200m3/h

工作壓力 不高于0.10MPa

工作溫度 150℃

繞組體積 0.342 m3

涂料質(zhì)量 23.262kg

涂料密度 1.72g/cm3

涂料成分 苯乙烯65.0%, 環(huán)氧樹(shù)脂28.0%, 桐油酸酐7.0%

該公司干燥車間的熱風(fēng)循環(huán)干燥設(shè)備爆炸現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。事故發(fā)生時(shí)干燥車間內(nèi)電梯繞組線圈表面涂料固化工序正在進(jìn)行中，造成兩名工人重傷，直接經(jīng)濟(jì)損失360余萬(wàn)元人民幣。事故主要原因是干燥罐內(nèi)積聚的高濃度苯乙烯-空氣爆炸性混合氣體遇點(diǎn)火源發(fā)生爆炸[15]。

a. 罐內(nèi)被炸毀的繞組線圈

b. 爆炸時(shí)掀開(kāi)的罐蓋

為分析干燥罐內(nèi)可燃性氣體濃度變化規(guī)律，利用Stolpe F和F?rster H提出的KLF模型模擬干燥過(guò)程中苯乙烯氣體濃度的變化[16]，KLF模型的具體表達(dá)式為：

V0dc=dD-cLdt

(1)

(2)

一次放入12組繞組、干燥溫度150℃條件下通風(fēng)速率對(duì)苯乙烯氣體濃度的影響模擬結(jié)果如圖3所示，通風(fēng)速率1 200m3/h、干燥溫度150℃條件下繞組表面涂料總質(zhì)量對(duì)苯乙烯氣體濃度的影響模擬結(jié)果如圖4所示。當(dāng)通風(fēng)速率遠(yuǎn)大于1 200m3/h時(shí)能避免干燥過(guò)程中最大苯乙烯濃度出現(xiàn)在爆炸范圍，但會(huì)造成極高的能耗。減少一次干燥的繞組數(shù)(即表面涂料量)可有效降低苯乙烯濃度，但會(huì)大大降低生產(chǎn)效率。

圖3 通風(fēng)換氣速率對(duì)苯乙烯氣體濃度的影響

為控制設(shè)備內(nèi)可燃物爆炸危險(xiǎn)性，需對(duì)物料、工藝和設(shè)備3方面進(jìn)行本質(zhì)安全化改進(jìn)。

2 安全節(jié)能改進(jìn)研究

2.1 本質(zhì)安全節(jié)能改進(jìn)思路

熱風(fēng)循環(huán)干燥設(shè)備本質(zhì)安全節(jié)能改進(jìn)思路為

圖4 繞組表面涂料總質(zhì)量對(duì)苯乙烯

通過(guò)加入惰性氣體降低干燥過(guò)程中可燃性混合氣體爆炸危險(xiǎn)性[17]；通過(guò)設(shè)置氮?dú)怆p進(jìn)氣回路和雙排氣回路，維持干燥系統(tǒng)微正壓，防止空氣進(jìn)入罐內(nèi)；同時(shí)簡(jiǎn)化工藝過(guò)程，去除原來(lái)的間歇通風(fēng)換氣工序，將干燥系統(tǒng)改造為密閉全循環(huán)形式，從而綜合改善干燥工藝的安全和節(jié)能水平。本質(zhì)安全節(jié)能改進(jìn)思路涉及的具體事項(xiàng)列于表1。

表1 設(shè)備本質(zhì)安全節(jié)能改進(jìn)事項(xiàng)

2.2 干燥過(guò)程充氮控氧工藝設(shè)計(jì)

改進(jìn)后干燥設(shè)備以氮?dú)獯婵諝庾鳛檠h(huán)介質(zhì)進(jìn)行干燥。抑制干燥過(guò)程爆炸危險(xiǎn)性。充入的氮?dú)饬啃枰３衷O(shè)備內(nèi)氧氣濃度低于苯乙烯氣體爆炸的最大允許氧含量[18]。現(xiàn)將干燥罐內(nèi)最大允許氧含量控制為7%[19]。維持罐內(nèi)惰化環(huán)境和氧濃度則需不斷向罐內(nèi)充入氮?dú)獠⒈３窒到y(tǒng)微正壓。為適應(yīng)充氮控氧工序，對(duì)設(shè)備進(jìn)、出氣管路進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。

進(jìn)氣回路：如圖5所示，在干燥罐罐底設(shè)置雙氮?dú)饣芈愤M(jìn)氣，充氮管路在氮?dú)庵脫Q空氣和應(yīng)急充氮時(shí)使用；微充氮管路保證系統(tǒng)處于微正壓狀態(tài)并維持干燥罐內(nèi)始終處于惰化環(huán)境。

圖5 氮?dú)膺M(jìn)氣回路簡(jiǎn)圖

排氣回路：在干燥罐罐頂設(shè)置雙排氣回路，一個(gè)排氣管路裝設(shè)重力閥，保證設(shè)備內(nèi)壓力超標(biāo)時(shí)能自動(dòng)泄壓；另一排氣管路上裝設(shè)排氣閥，在罐內(nèi)氧濃度超標(biāo)時(shí)能及時(shí)排出一部分氣體，并在總排氣管路安裝防止氣體回流的止回閥。

2.3 干燥作業(yè)前后抽真空排氣

為解決原干燥系統(tǒng)干燥周期較長(zhǎng)和尾氣處理措施缺陷問(wèn)題，干燥作業(yè)前增加抽真空排氣工序，其目的是可加速罐內(nèi)空氣抽離，減少充氮置換過(guò)程中氮?dú)獾氖褂昧浚?jié)約干燥全過(guò)程消耗的時(shí)間和成本，提高干燥效率；干燥完成后增加抽真空排氣工序，其目的是可迅速將干燥過(guò)程中產(chǎn)生的可燃性混合物排出罐內(nèi)，保證開(kāi)罐時(shí)可燃性氣體和氮?dú)鉂舛确习踩?。另外，還對(duì)設(shè)備氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)及其他安全輔助裝置進(jìn)行改良，得出改進(jìn)后干燥工藝流程如圖6所示。

圖6 改進(jìn)后的充氮控氧熱風(fēng)循環(huán)干燥工藝流程

3 改進(jìn)前后設(shè)備本質(zhì)安全度及節(jié)能對(duì)比分析

3.1 本質(zhì)安全化改進(jìn)效果對(duì)比研究

本質(zhì)安全指數(shù)ISI(Inherent Safety Index)評(píng)價(jià)法在國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用于設(shè)備和工藝的物質(zhì)、反應(yīng)、過(guò)程和結(jié)構(gòu)危害評(píng)價(jià)[20]。改進(jìn)前后干燥設(shè)備與工藝各本質(zhì)安全指數(shù)取值和總體本質(zhì)安全度見(jiàn)表2。改進(jìn)后設(shè)備總體本質(zhì)安全程度較改進(jìn)前有明顯提高，I值(I=ICI+IPI)由26降至17。干燥工藝由于采用充氮控氧保持氧氣濃度低于安全限值，ICI從14降至7；在過(guò)程類指標(biāo)方面，由于干燥罐內(nèi)無(wú)法形成爆炸性氣體混合物，工藝過(guò)程安全性也得以提升，IPI從12降至10。

表2 改進(jìn)前后設(shè)備本質(zhì)安全指數(shù)對(duì)比

3.2 節(jié)能情況對(duì)比研究

改進(jìn)前后干燥系統(tǒng)的一次干燥用時(shí)和能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。改進(jìn)后能耗大大降低，繞組線圈(型號(hào): PMEⅡ-11.7kW)干燥節(jié)能達(dá)82.5%。改進(jìn)后設(shè)備干燥全過(guò)程密閉循環(huán)，克服了原干燥系統(tǒng)因間歇通風(fēng)換氣造成大量熱損失的問(wèn)題；設(shè)備由原來(lái)利用導(dǎo)熱油加熱改進(jìn)為純電加熱，可有效降低能耗。另外，設(shè)備干燥效率也提高約66.7%。干燥作業(yè)前后先進(jìn)行抽真空排氣，作業(yè)時(shí)間可大大縮短。

表3 改進(jìn)前后熱風(fēng)循環(huán)干燥系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)對(duì)比

4 結(jié)論

4.1針對(duì)熱風(fēng)循環(huán)干燥設(shè)備安全性低和能耗高的缺陷，提出充氮控氧、抽真空排氣、密閉全循環(huán)式的本質(zhì)安全和節(jié)能改進(jìn)思路，采用雙充氮進(jìn)氣回路，維持干燥罐內(nèi)始終處于惰化環(huán)境，同時(shí)設(shè)置自動(dòng)泄壓排氣雙回路，以保持干燥過(guò)程中系統(tǒng)處于微正壓狀態(tài)(不大于0.1MPa)。

4.2運(yùn)用國(guó)內(nèi)外通用的ISI法對(duì)改進(jìn)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，改進(jìn)后在降低爆炸危險(xiǎn)性(化學(xué)類指標(biāo)從14降到7)、提升設(shè)備安全性(過(guò)程類指標(biāo)從12降到10)等方面有明顯提高。同時(shí)改進(jìn)后設(shè)備試運(yùn)行能耗降低82.5%，干燥效率提高66.7%。該節(jié)能改進(jìn)技術(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)干燥過(guò)程安全、高效運(yùn)行具有重要意義。

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