蓄熱式熱氧化裝置的儀表控制

摘要：通過對蓄熱式熱氧化裝置運(yùn)行控制模式的介紹，闡述了蓄熱式熱氧化裝置多個儀表設(shè)置的安全問題，根據(jù)聯(lián)鎖停爐的控制方式，對重要儀表提出了以下建議：爆炸下限儀表應(yīng)按照介質(zhì)類型、響應(yīng)時間，選擇儀表原理，并按照安全規(guī)范要求設(shè)置在合適位置；選擇蓄熱室溫度計和燃燒室溫度計時，應(yīng)按照儀表位置和介質(zhì)溫度做區(qū)分設(shè)計；燃燒室壓力變送器安裝時，應(yīng)增加冷凝圈做儀表保護(hù)。

關(guān)鍵詞：蓄熱式熱氧化裝置；爆炸下限；蓄熱室；燃燒室

中圖分類號：X701 " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " "文章編號：1671-0797（2023）02-0071-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.02.020

0 " "引言

蓄熱式熱氧化（RTO）裝置因處理廢氣范圍廣、處理效率高達(dá)99%且不會產(chǎn)生二次污染的特點，受到了環(huán)保市場的廣泛認(rèn)可。但采用RTO裝置處理VOCs廢氣具有一定的危險性，原因在于VOCs廢氣有毒、易燃、易爆。為了保證進(jìn)入RTO裝置的廢氣的安全性，必須選取合適的儀表進(jìn)行檢測，例如檢測進(jìn)入RTO爐廢氣的爆炸下限濃度，以確認(rèn)RTO裝置不會爆炸；檢測RTO爐內(nèi)溫度或壓力值，以確認(rèn)RTO爐內(nèi)部沒有出現(xiàn)閃爆。因此，RTO裝置的儀表選型和控制十分重要。

1 " "工藝流程

RTO爐主要用來處理濃度2～8 g/m3的有機(jī)廢氣[1]。三室RTO爐主要是由一個燃燒室、三個蓄熱室與提升閥等組成。圖1為RTO裝置流程圖，首先采用燃燒器將RTO爐預(yù)熱到指定溫度，然后混合廢氣通過RTO爐氧化燃燒后獲得CO2和H2O，達(dá)到達(dá)標(biāo)排放的目的。RTO爐內(nèi)部的廢氣處理流程為：廢氣進(jìn)入RTO爐1#蓄熱室進(jìn)行預(yù)熱，再進(jìn)入燃燒室進(jìn)行有機(jī)物的氧化反應(yīng)，最后通過2#蓄熱室離開RTO爐排出凈煙氣；廢氣從2#蓄熱室進(jìn)入燃燒室，通過3#蓄熱室排出凈煙氣；廢氣從3#蓄熱室進(jìn)入燃燒室，通過1#蓄熱室排出凈煙氣。通過三輪處理過程不停地循環(huán)往復(fù)，保持RTO爐的熱量恒定，同時保障RTO爐的廢氣凈化效果。燃燒室內(nèi)部隨著有機(jī)物氧化反應(yīng)的放熱，溫度逐漸升高，當(dāng)溫度達(dá)到高設(shè)置值時，必須打開高溫?zé)崤酝ㄩy門，以降低燃燒室的溫度。為保證RTO爐正常運(yùn)行，需要監(jiān)控RTO爐的溫度、壓力以及進(jìn)入RTO爐前的混合廢氣的爆炸下限。

2 " "儀表選型控制

可燃?xì)怏w只有在爆炸下限和爆炸上限這兩個濃度之間，才可能發(fā)生爆炸。為保障安全，工藝設(shè)計時必須保證進(jìn)入RTO爐前的VOCs有機(jī)廢氣濃度在爆炸下限的25%以下[2-3]，同時應(yīng)時刻監(jiān)控RTO爐內(nèi)的壓力、溫度，防止意外的發(fā)生。

實際運(yùn)行過程中，因為前端工藝復(fù)雜程度不同，混合廢氣的組分含量未知的較多，不同化學(xué)組分的爆炸下限值是不同的，而工藝環(huán)境中廢氣組分的含量又一直變化，這就導(dǎo)致采用夏特爾定律計算組分混合爆炸下限的方法誤差會比較大。因而選擇LEL分析儀時，要考慮到測量介質(zhì)、前端工藝以及儀表的適用情況。

2.1 " "爆炸下限儀表設(shè)計選型

目前，用于檢測VOCs廢氣的LEL儀表主要有火焰溫度型（FTA）分析儀、氫火焰型LEL氣體分析儀、催化燃燒型LEL檢測儀、紅外LEL氣體分析儀等4種類型。

2.1.1 " "火焰溫度型（FTA）分析儀

火焰溫度型（FTA）分析儀從原有混合廢氣管道中采樣得到廢氣源，廢氣源通過火焰溫度型（FTA）分析儀內(nèi)置的文丘里取樣裝置將廢氣源吸入分析儀內(nèi)部的火焰室。廢氣源中的可燃?xì)怏w在感應(yīng)火焰中燃燒，并逐漸產(chǎn)生溫升，該溫升又與可燃?xì)怏w的0～100%LEL濃度成正比。無論是有機(jī)物還是無機(jī)物，只要可以燃燒，就可以產(chǎn)生溫升，因而該原理的儀表可以檢測大多數(shù)有機(jī)物和無機(jī)物的爆炸下限。

為了使得分析儀火焰室的壓力恒定，廢氣源的壓力和溫度都應(yīng)該盡可能穩(wěn)定均勻，避免因廢氣源不穩(wěn)定導(dǎo)致火焰室的火焰熄滅，影響測量結(jié)果。當(dāng)廢氣源中的含氧量低于8%時，火焰室很可能出現(xiàn)燃燒不充分的現(xiàn)象，從而影響測量結(jié)果。因而當(dāng)廢氣源含氧量低于8%時，進(jìn)入FTA分析儀的廢氣需要額外補(bǔ)充空氣，以保證含氧量充足。這就需要FTA分析儀加裝預(yù)處理裝置，使得進(jìn)入火焰室的氣體具有足夠的含氧量。FTA分析儀響應(yīng)時間在2～4 s，增加預(yù)處理裝置后，響應(yīng)時間為4 s。FTA分析儀主要用于燃燒工藝前端或煤礦瓦斯檢測等場合。

2.1.2 " "氫火焰型LEL氣體分析儀

廢氣源通過氫火焰型LEL氣體分析儀內(nèi)置的文丘里取樣裝置將廢氣源吸入分析儀內(nèi)部的燃燒室。有機(jī)物在高溫氫火焰中燃燒發(fā)生化學(xué)電離，在高壓電場的作用下，帶正電的碳離子向負(fù)極移動，形成離子流。該離子流的信號量與有機(jī)物濃度成正比，最后根據(jù)標(biāo)定物的爆炸下限得出被測有機(jī)物的%LEL值。因而，氫火焰型LEL氣體分析儀僅能檢測C-H化合物，對于CO、H2之類的無機(jī)物不能產(chǎn)生化學(xué)電離，就無法檢測出它們的含量。氫火焰型LEL氣體分析儀優(yōu)點在于有機(jī)物L(fēng)EL檢測精度高，其響應(yīng)時間為2 s。

2.1.3 " "催化燃燒型LEL氣體檢測儀

催化燃燒型LEL氣體檢測儀是利用催化載體型氣敏元件作為探測器，當(dāng)可燃物質(zhì)在惠斯頓電橋上發(fā)生催化燃燒反應(yīng)時，測量橋的電阻值就會升高，引起電橋輸出電壓的變化，輸出電壓同催化可燃物的濃度成正比。該檢測方法優(yōu)點在于無須助燃?xì)怏w，可以用來測量環(huán)境中可燃物的泄漏，檢測方便；缺點在于催化劑會失效，使用壽命短，響應(yīng)時間長，準(zhǔn)確度不高。催化燃燒型LEL氣體檢測儀一般用于環(huán)境中可燃?xì)怏w泄漏的檢測，其響應(yīng)時間為60 s。

2.1.4 " "紅外LEL氣體分析儀

紅外LEL氣體分析儀利用了不同氣體內(nèi)特征官能團(tuán)的紅外波長位置及特征峰面積與有機(jī)物含量成正比的關(guān)系。該檢測方法優(yōu)點在于不破壞被測物質(zhì)，無須助燃?xì)怏w；缺點在于受紅外吸收特性影響，對測試環(huán)境和被測物質(zhì)的均勻性要求很高，尤其不能有水分，此外，紅外波段對可燃的無機(jī)物無檢測效果。因而紅外LEL氣體分析儀和氫火焰型LEL氣體分析儀均只能檢測有機(jī)物，且紅外型不能檢測含水分的介質(zhì)。

為了將爆炸的風(fēng)險降到最低，控制方式中采用的聯(lián)鎖停RTO爐的條件之一是LEL分析儀表檢測到混合廢氣的LEL達(dá)到25%LEL。聯(lián)鎖停爐的動作如下：檢測到LEL值達(dá)到25%LEL后，停運(yùn)燃燒器系統(tǒng)，同時關(guān)閉RTO爐管道入口閥V1，打開緊急旁通管道閥V0，同時稀釋風(fēng)機(jī)調(diào)頻至最大風(fēng)量。LEL分析儀表的響應(yīng)時間至少在2～60 s，緊急旁通管道閥的響應(yīng)時間是3～10 s，閥門的響應(yīng)時間受管道大小及氣缸選型影響。為保證廢氣安全進(jìn)入蓄熱式燃燒爐，按照廢氣速度為12 m/s計算，建議LEL分析儀表至少應(yīng)安裝在RTO爐前60 m的管道上。

如上所述，在RTO裝置前合適位置設(shè)置LEL分析儀，應(yīng)按照廢氣組分、含水率以及價格等因素選擇火焰溫度型、氫火焰型或紅外型LEL分析儀表。LEL分析儀表除顯示報警數(shù)值以外，還參與稀釋風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)節(jié)回路。稀釋風(fēng)機(jī)變頻頻率按照RTO爐入口管道前的%LEL值和設(shè)定值進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。

RTO爐本身作為一個明火設(shè)備，按照《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警設(shè)計規(guī)范》（GB 50493—2009），須設(shè)置可燃?xì)怏w報警儀。按照LEL的適用環(huán)境，一般采用催化燃燒型可燃?xì)怏w泄漏檢測儀。

2.2 " "溫度儀表設(shè)計選型

正常運(yùn)行情況下，燃燒室溫度一般為850～950 ℃，蓄熱室溫度一般為400～500 ℃。廢氣通過入口提升閥→蓄熱室→燃燒室→蓄熱室→出口提升閥等部件直排煙囪。蓄熱室的溫度可以用來表征提升閥的泄漏率，當(dāng)提升閥出現(xiàn)泄漏時，蓄熱室的熱煙氣不斷下溢，導(dǎo)致蓄熱室下方的溫度過高，甚至出現(xiàn)溫度倒掛（蓄熱室溫度高于燃燒室）。燃燒室正常升溫過程中，遇到提升閥泄漏率較高的情況，蓄熱室的溫度極容易達(dá)到500 ℃。這種現(xiàn)象危害極大，不僅會使得VOCs氧化反應(yīng)不充分，也不利于廢氣達(dá)標(biāo)排放，因而蓄熱室溫度檢測十分重要。蓄熱室由下至上分別由格柵網(wǎng)、馬鞍環(huán)、多層陶瓷蓄熱體、馬鞍環(huán)組成，溫度儀表一般位于蓄熱體中間，插入深度一般為RTO爐深度的1/2～2/3。蓄熱室溫度計量程范圍一般選擇0～1 000 ℃，檢測元件選擇鎳鉻—鎳硅熱電偶（K型分度號）。保護(hù)管材質(zhì)選擇耐磨合金鋼，外保護(hù)管材質(zhì)選擇310S，其中外保護(hù)管應(yīng)和蓄熱體一起預(yù)制在RTO爐內(nèi)部。為使得蓄熱室內(nèi)氣流均勻，陶瓷蓄熱體之間都是緊密布置，因而蓄熱室內(nèi)溫度儀表的外保護(hù)管采用預(yù)先埋孔鉆管型。若不預(yù)制，溫度計插深會破壞蓄熱體結(jié)構(gòu)，影響蓄熱能力。

燃燒室主要由燃燒器組成，燃燒室溫度主要由燃燒器、高溫?zé)崤酝ㄕ{(diào)節(jié)閥控制。燃燒器負(fù)責(zé)將燃燒室升溫，高溫?zé)崤酝ㄕ{(diào)節(jié)閥負(fù)責(zé)將燃燒室降溫。在點火升溫階段，通過PID調(diào)節(jié)可以將RTO爐從低溫升至750 ℃以上，但當(dāng)燃燒室溫度達(dá)到高報警值（900 ℃）時，燃燒器基本關(guān)停，選擇高溫?zé)崤酝ㄕ{(diào)節(jié)閥作為調(diào)節(jié)手段。通過開大高溫?zé)崤酝ㄕ{(diào)節(jié)閥的開度，高溫?zé)釤煔鈱⒅苯舆M(jìn)入煙囪，從而降低燃燒室溫度。當(dāng)全開高溫?zé)崤酝ㄕ{(diào)節(jié)閥和關(guān)閉燃燒器都不能使燃燒室溫度降低時，RTO爐存在較大的安全風(fēng)險。因而，RTO爐聯(lián)鎖停爐的條件之一為燃燒室溫度超過950 ℃。溫度計量程范圍一般選擇0～1 300 ℃，檢測元件選擇鉑銠10—鉑熱電偶（S型分度號），保護(hù)管和外保護(hù)管材質(zhì)選用GH3030。

2.3 " "壓力儀表設(shè)計選型

當(dāng)需要檢測RTO爐內(nèi)的壓力時，考慮到RTO爐內(nèi)燃燒室的溫度范圍在850～950 ℃，介質(zhì)與壓力變送器采用冷凝圈連接，燃燒室內(nèi)的熱煙氣經(jīng)過冷凝圈冷凝之后進(jìn)入壓力變送器，溫度在100 ℃以下。壓力變送器采用進(jìn)口智能式變送器。當(dāng)燃燒室的瞬間壓力超過5 kPa時，表示RTO爐內(nèi)可能存在局部閃爆的情況。因而，聯(lián)鎖停爐的條件之一為燃燒室的瞬間壓力超過5 kPa。

3 " "結(jié)論與建議

本文從蓄熱式熱氧化裝置的工藝系統(tǒng)和儀表控制兩個角度出發(fā)，闡述了蓄熱式熱氧化裝置的儀表設(shè)置安全問題。通過分析蓄熱式熱氧化裝置的運(yùn)行模式和控制模式，對重要儀表提出以下三點建議：（1）LEL儀表應(yīng)按照介質(zhì)類型、響應(yīng)時間，選擇儀表原理，并按照安全規(guī)范要求設(shè)置在合適位置；（2）選擇蓄熱室溫度計和燃燒室溫度計時，應(yīng)按照儀表位置和介質(zhì)溫度做區(qū)分設(shè)計；（3）燃燒室壓力變送器安裝時，應(yīng)增加冷凝圈做儀表保護(hù)。

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收稿日期：2022-09-01

作者簡介：張琪（1990—），女，浙江諸暨人，工程師，研究方向：能源環(huán)保及儀表自動化。