阻火器在VOCs治理上的應(yīng)用和選型

王 萌,馮建東

(北京航天動(dòng)力研究所,北京 100176)

2013年發(fā)布的《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(簡(jiǎn)稱(chēng)“大氣十條”)的第一階段目標(biāo)中提出的揮發(fā)性有機(jī)污染物(VOCs)減排與控制工作取得了重要的進(jìn)展和突破。各地VOCs 的污染防治工作得到了全面加強(qiáng)，并已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)大氣污染防治的重點(diǎn)工作之一。以改善環(huán)境空氣質(zhì)量為核心，以重點(diǎn)行業(yè)和重點(diǎn)污染物為主要控制對(duì)象，推進(jìn)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(shí)施重點(diǎn)地區(qū)、重點(diǎn)行業(yè)VOCs污染減排，排放總量減少10%以上。

在化工生產(chǎn)、儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，VOCs無(wú)組織排放約占企業(yè)總排放量的1/3。2014年12月，國(guó)家發(fā)布實(shí)施《石化行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物綜合整治方案》，明確要求全國(guó)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(lái)便是以“三桶油”(中石化、中石油、中海油)為代表的全國(guó)各石化行業(yè)的VOCs治理的改造項(xiàng)目全面啟動(dòng)。由于其在處理過(guò)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(chǔ)存，勢(shì)必會(huì)給安全生產(chǎn)帶來(lái)隱患。阻火器作為一個(gè)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(guò)程中至關(guān)重要的安全和環(huán)保設(shè)備。隨著國(guó)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(chǔ)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(xiàng)目的阻火器，已經(jīng)成為各石化廠(chǎng)、設(shè)計(jì)院及國(guó)家安全環(huán)保監(jiān)督部門(mén)越來(lái)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(kāi)口處或管道中的設(shè)備，其在允許流體通過(guò)的同時(shí)又能阻止火焰的傳播(ISO 16852)。阻火器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能有效阻止火焰在管道中蔓延，消除儲(chǔ)罐或裝置由于回火等情況帶來(lái)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(jiàn)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(gè)方面來(lái)解釋。從宏觀上來(lái)講，阻火器的阻火過(guò)程是一個(gè)熱傳導(dǎo)的過(guò)程，通過(guò)阻火元件來(lái)的火焰與阻火元件的接觸過(guò)程即為一個(gè)熱傳導(dǎo)的過(guò)程，當(dāng)火焰的溫度降低到一定程度時(shí)便被熄滅，便完成了阻火的功能；從微觀上來(lái)解釋?zhuān)杌鹌髯杌鸬倪^(guò)程是一個(gè)器壁效應(yīng)，從微觀上看,燃燒和爆炸是外來(lái)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(guò)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(guò)程，當(dāng)通道尺寸減小到某一數(shù)值時(shí)，火焰即被阻止反應(yīng)，從而熄滅。

1.3 最大試驗(yàn)安全間隙

通過(guò)對(duì)器壁效應(yīng)的理解，可以設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足各種工況和介質(zhì)的阻火器，滿(mǎn)足工業(yè)上的需要。為了針對(duì)不同介質(zhì)設(shè)計(jì)不同的阻火元件，國(guó)際上對(duì)不同介質(zhì)引入了最大試驗(yàn)安全間隙MESG(Maximum Experimental Safe Gap)的測(cè)試試驗(yàn)。根據(jù)IEC60079-20-1-2010中的試驗(yàn)方法見(jiàn)圖2。

通過(guò)火花塞對(duì)內(nèi)腔可燃?xì)怏w介質(zhì)進(jìn)行點(diǎn)火，調(diào)節(jié)微調(diào)旋鈕來(lái)改變可調(diào)間隙，并觀察介質(zhì)的點(diǎn)燃情況，來(lái)找到可燃?xì)怏w介質(zhì)的最大試驗(yàn)安全間隙，從而將介質(zhì)劃分組別進(jìn)行分類(lèi)管理，常見(jiàn)介質(zhì)組別分類(lèi)見(jiàn)表1。

表1 常見(jiàn)介質(zhì)組別劃分及特征氣體試驗(yàn)比例

確定可燃介質(zhì)的組別后，針對(duì)每一組別的介質(zhì)，均可以設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的阻火器可供項(xiàng)目使用選擇。

1.4 阻火器的分類(lèi)

阻火器的分類(lèi)可以按照阻火元件的種類(lèi)和阻止火焰燃燒的類(lèi)型兩種情況來(lái)進(jìn)行區(qū)分。

(1)按照阻火元件分類(lèi)。阻火器按照阻火元件的類(lèi)型主要分為兩大類(lèi)：濕式和干式。濕式阻火器常用的為液封或者水封，通過(guò)使用不同液體的介質(zhì)來(lái)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(lái)進(jìn)行阻火，幾種常見(jiàn)干式的阻火元件見(jiàn)圖3。

圖3 幾種常見(jiàn)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(mǎn)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(lèi)型分類(lèi)?；鹧嬖谌紵倪^(guò)程中,由于在受限空間中傳播的加速和壓力的積聚，會(huì)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(guò)熱傳導(dǎo)、擴(kuò)散和輻射的方式，使未反應(yīng)的可燃?xì)怏w達(dá)到燃點(diǎn);爆轟是在受限空間的沖擊波的作用下，可燃?xì)怏w被強(qiáng)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(yùn)動(dòng)。兩種狀態(tài)下的火焰速度、燃燒壓力等特性會(huì)有所不同(見(jiàn)表2)。

表2 火焰的傳播特性對(duì)比

根據(jù)兩種火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘牟煌?，阻火器可分為阻爆燃型火焰阻火器和阻爆轟型火焰阻火器。同時(shí)，由于阻火器在實(shí)際安裝過(guò)程中的位置不同，安裝于管道端部或儲(chǔ)罐頂端的阻火器僅需阻止因大氣中閃電點(diǎn)燃的外部可燃?xì)怏w或阻止火焰回火的情況，火焰不會(huì)經(jīng)過(guò)受限的空間進(jìn)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(lèi)型的分類(lèi)見(jiàn)圖4。

圖4 阻火器的分類(lèi)

實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)阻火器安裝位置的不同,設(shè)計(jì)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(jì)

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(huì)設(shè)計(jì)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(hù)整個(gè)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(diǎn)燃后，火焰在系統(tǒng)管道中傳播的過(guò)程見(jiàn)圖5。

圖5 火焰在管道中傳播的過(guò)程

2.2 阻火器在VOCs治理上的工藝設(shè)計(jì)

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(shì)必會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)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(jì)阻火器的安裝位置時(shí)，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(gè)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(jì)無(wú)法在火焰的爆燃階段設(shè)計(jì)阻火器將其熄滅，應(yīng)考慮將阻火器設(shè)計(jì)在盡量遠(yuǎn)離點(diǎn)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(gè)系統(tǒng)帶來(lái)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(jī)物，比較常見(jiàn)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(guò)計(jì)算得到混合氣體的MESG計(jì)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(yàn)公式計(jì)算：

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

根據(jù)MESG的測(cè)試試驗(yàn)確定介質(zhì)組別劃分通過(guò)確定不同可燃介質(zhì)所屬組別后，針對(duì)每一組別的介質(zhì)，均有相對(duì)應(yīng)的阻火器阻火元件可供選擇使用，從而滿(mǎn)足阻火需求并最優(yōu)化阻火器的通氣量，減小阻火器帶來(lái)的阻力降，盡量不要越級(jí)選擇，避免給系統(tǒng)帶來(lái)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(shí)，由于管端阻火器一般安裝于儲(chǔ)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(duì)儲(chǔ)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(chǔ)罐頂部或管道頂端的阻火器時(shí)，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(lái)的火焰性質(zhì)的變化等隱患。若阻火器安裝于火炬、風(fēng)機(jī)、焚燒系統(tǒng)或活性炭吸附系統(tǒng)等有潛在點(diǎn)火源的管道中，根據(jù)火焰燃燒的類(lèi)型不同來(lái)選擇阻止不同類(lèi)型火焰的阻火器。根據(jù)ISO16852—2016對(duì)阻爆燃試驗(yàn)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(shí)的特性，阻火器阻止火焰類(lèi)型的選擇可以量化成火焰的點(diǎn)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(duì)于 IIA1、IIA、IIB1、IIB2 和 IIB3 類(lèi)介質(zhì)的阻火器，當(dāng)L/D≤50時(shí)，可以選擇阻止爆燃型火焰的阻火器(見(jiàn)圖7)，對(duì)于IIB和IIC類(lèi)介質(zhì)的阻火器;當(dāng)L/D≤30時(shí)，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(jiàn)圖8)時(shí)，為了盡量避開(kāi)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(diǎn)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(kāi)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(xiǎn)的安全保護(hù)裝置，在選用阻火器時(shí)，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(guò)阻火性能試驗(yàn)的產(chǎn)品，其應(yīng)具備以下資質(zhì)文件：①須通過(guò)由第三方機(jī)構(gòu)出具的依據(jù)現(xiàn)行的ISO16852和GB/T 13347中相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的阻火器性能測(cè)試報(bào)告；②須具備權(quán)威機(jī)構(gòu)出具的阻火器產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程體系的質(zhì)量保證證書(shū);③阻火器產(chǎn)品一致性聲明。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了阻火器作為安全保護(hù)裝置在VOCs治理過(guò)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(guó)家相關(guān)政策的嚴(yán)格要求和監(jiān)督下，VOCs治理過(guò)程中安全保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)和選型成為了眾多設(shè)計(jì)院和石化單位越來(lái)越重視的環(huán)節(jié)。本文旨在結(jié)合多個(gè)項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的前提下，介紹如何合理有效地設(shè)計(jì)阻火器的安裝位置和選擇安全、可靠、兼具經(jīng)濟(jì)節(jié)能的優(yōu)異性能的阻火器的常用方法,供設(shè)計(jì)院和石化單位參考。