VOCs治理中的安全儀表設(shè)計(jì)

杜 蠻

（上海科元燃化工程設(shè)計(jì)有限公司，上海 201701）

揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）的危害主要體現(xiàn)在對(duì)大氣的污染及對(duì)人體健康的影響，因此必須重視VOCs 排放的控制和治理。VOCs 絕大部分都是易燃易爆氣體，近年來(lái)，VOCs 治理裝置多次出現(xiàn)爆炸事故，造成了嚴(yán)重的人員和財(cái)產(chǎn)損失，國(guó)家和地方政府對(duì)此制定了相應(yīng)的管控制度，對(duì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)等環(huán)節(jié)做出嚴(yán)格要求。本文就某項(xiàng)目的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，探討VOCs 治理中儀表所涉及到的安全問(wèn)題及其設(shè)計(jì)方案。

1 工藝流程

VOCs 治理技術(shù)可以分為兩大類，即消除類方法和回收類方法。消除類方法主要包括燃燒法、生物法、低溫等離子法，適用于可燃或高溫下可分解及目前技術(shù)條件下難以回收利用的VOCs。回收類方法主要包括吸附法、吸收法、冷凝法及膜分離法，適用于高濃度VOCs 的回收和處理，屬高效處理工藝，可作為降低VOCs 的前處理方法，與消除法聯(lián)合使用[1,2]。

以某化工企業(yè)為例，原料罐區(qū)以及生產(chǎn)裝置會(huì)產(chǎn)生大量甲苯等VOCs，治理方式采取吸收法+催化氧化（CO）工藝。為敘述方便，省略吸收單元，簡(jiǎn)化后的流程包括：原料罐+收集系統(tǒng)+催化氧化（CO）工藝。

原料罐包括多個(gè)儲(chǔ)存甲苯的拱頂罐，設(shè)計(jì)壓力為2.0KPa ～0.5KPa，設(shè)計(jì)溫度為50℃。VOCs 通過(guò)連通管收集于緩沖罐，由風(fēng)機(jī)輸送到CO 爐處理后，從煙囪排入大氣。依據(jù)GB31571-2015《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中排放限值的要求，通過(guò)CEMS 分析系統(tǒng)監(jiān)測(cè)煙囪中的VOCs 排放指標(biāo)，并將數(shù)據(jù)直接上傳到當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門進(jìn)行監(jiān)控。

2 防爆原理及其控制參數(shù)的理論依據(jù)

VOCs 治理過(guò)程中極易發(fā)生爆燃事故，根據(jù)爆炸三角形原理，在現(xiàn)場(chǎng)如果同時(shí)滿足下列3 個(gè)條件時(shí)，爆炸就會(huì)發(fā)生：①易爆物質(zhì)（VOCs）；②氧氣（空氣）；③引爆源（高溫或明火）。消除上述3 個(gè)條件中的任何一個(gè)就能防止爆燃。由于CO 爐運(yùn)行時(shí)的高溫是無(wú)法避免的，因而可以通過(guò)控制VOCs 中的可燃?xì)怏w濃度和氧濃度的手段來(lái)防止爆燃的發(fā)生。

2.1 VOCs在空氣中的爆炸下限（LEL）的計(jì)算

VOCs 一般由多種組份的烴類物質(zhì)組成，混合物在空氣中的爆炸下限可根據(jù)各物質(zhì)已知的爆炸下限及其在混合物中的含量來(lái)計(jì)算[3]。

式（1）中：p1，p2，p3，p4為每種可燃?xì)怏w在混合物總量中所占的百分?jǐn)?shù)；N1，N2，N3，N4為每種可燃?xì)怏w在空氣中的爆炸下限。

以本項(xiàng)目的VOCs 參數(shù)為例（見(jiàn)表1），計(jì)算VOCs 的爆炸下限：

表1 VOCs組份及參數(shù)Table 1 Composition and parameters of VOCs

由式（1）可知，該VOCs 的爆炸下限為：

由于在實(shí)際工程項(xiàng)目中，VOCs 的組份含量不穩(wěn)定，同時(shí)考慮到操作響應(yīng)時(shí)間的安全裕度，工程上往往選擇爆炸下限最低的組份作為控制參數(shù)。如表1 所示，選擇甲苯1.20%作為VOCs 的爆炸下限，低于1.29%的計(jì)算值。

2.2 VOCs極限氧濃度（LOC）的計(jì)算

在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，可燃?xì)怏w（蒸汽）、空氣和惰性氣體混合物遇火源不發(fā)生爆炸的最大氧氣濃度稱為極限氧濃度（LOC），以Vol/%表示。也就是說(shuō)，任何添加了惰性氣體的混合物，只要其中的氧含量低于LOC 值，混合物就不會(huì)發(fā)生燃燒或爆炸。精確的LOC 值需根據(jù)試驗(yàn)才能得出[4]，如無(wú)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在利用氮?dú)庾鳛槎栊詺怏w的前提下，理論上可以使用爆炸下限對(duì)應(yīng)的理論最小氧濃度進(jìn)行估算[6,7]。表2 列出了部分可燃?xì)怏w的LOC 試驗(yàn)值。

表2 部分可燃?xì)怏w極限氧濃度值[5]Table 2 Limiting oxygen concentration values of some combustible gases[5]

多種可燃性混合氣體的極限氧濃度（LOC）同樣需要依據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)[6]。在已知各組份實(shí)測(cè)LOC 時(shí)可依據(jù)公式（2）計(jì)算[8]。

式（2）中，Si為組份i 所需的化學(xué)計(jì)量氧[6]；LOCi為組份i 的LOC；xi為組份i 的摩爾分?jǐn)?shù)。

以本項(xiàng)目的VOCs 參數(shù)為例，按照公式（2）計(jì)算VOCs 中各組份的參數(shù)（見(jiàn)表3）。

表3 公式（2）中各組份的參數(shù)Table 3 Parameters of each component in formula (2)

由式（2）可知，該混合物的LOC 值為：

在實(shí)際工程項(xiàng)目中，與VOCs 爆炸下限值的選定方法一樣，選擇甲苯9.5%作為VOCs 的極限氧濃度，低于9.567%的計(jì)算值。

3 控制方案及儀表選型

本項(xiàng)目VOCs 組份中的甲苯/苯氣體是安監(jiān)部門重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化學(xué)品。依據(jù)AQ/T 3033-2022《化工建設(shè)項(xiàng)目安全設(shè)計(jì)管理導(dǎo)則》，應(yīng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中運(yùn)用本質(zhì)安全設(shè)計(jì)的理念，采用最小化、替代、緩解、簡(jiǎn)化等設(shè)計(jì)手段，使工藝過(guò)程及其設(shè)施具有從根本上減少事故的概率和/或降低事故后果影響的內(nèi)在特性。

3.1 氮?dú)饷芊夂蛪毫刂?/h3>

儲(chǔ)罐氮封的作用主要是為了保持罐內(nèi)微正壓，防止儲(chǔ)罐出現(xiàn)負(fù)壓而從呼吸閥吸入空氣。氮封閥一般采用專用的自力式減壓閥，外取壓閥后壓力控制，氮封閥安裝在靠近罐頂入口的氮?dú)夤苠X上，外取壓管線的取壓點(diǎn)設(shè)置在罐頂，以便檢測(cè)罐內(nèi)的真實(shí)壓力，設(shè)定壓力為罐正常操作壓力。這種氮封閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的膜片面積一般較大，對(duì)長(zhǎng)期使用的可靠性和控制精度有一定影響[9]。

本項(xiàng)目氮封閥入口壓力一般在600kPa 左右，出口壓力只有0.3kPa，閥壓差較大，同時(shí)還需要當(dāng)切斷閥使用，選用Globe 閥是比較理想的選型。當(dāng)壓力高0.5kPa 時(shí)，將調(diào)節(jié)器設(shè)置手動(dòng)模式輸出0%開(kāi)度，強(qiáng)制關(guān)閉閥門；當(dāng)壓力低于0.2kPa 時(shí)，將調(diào)節(jié)器設(shè)置手動(dòng)模式輸出100%開(kāi)度，強(qiáng)制閥門全開(kāi)；當(dāng)壓力在0.2kPa ～0.5kPa 之間時(shí)，將調(diào)節(jié)器設(shè)置自動(dòng)模式，進(jìn)行PID 控制。此方案響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)效果和可靠性得到顯著提高。

3.2 VOCs收集和控制

儲(chǔ)罐的氣相通過(guò)連通管道并入收集總管，在每個(gè)罐頂連通管上設(shè)置切斷閥。當(dāng)罐頂壓力超過(guò)0.9kPa 時(shí)，打開(kāi)此閥，向收集總管排放VOCs；當(dāng)罐頂壓力小于0.765kPa 時(shí)，關(guān)閉此閥。各路收集總管在緩沖罐前匯總，然后進(jìn)入VOCs回收處理設(shè)施。

VOCs 的主要組份是氮?dú)夂推渌嘟M份烴類物質(zhì)，如果儲(chǔ)罐或管道密封損壞，大量空氣將同VOCs 一同進(jìn)入后續(xù)設(shè)施，從而導(dǎo)致危險(xiǎn)。因此，需要在緩沖罐出口設(shè)置一臺(tái)氧濃度分析儀，采用向緩沖罐里補(bǔ)氮?dú)獾姆椒ㄏ♂屟鯘舛取＞彌_罐出口上還設(shè)置有緊急切斷閥，如果補(bǔ)氮?dú)鉄o(wú)法將氧濃度稀釋到安全濃度以下，需關(guān)閉緊急切斷閥，防止發(fā)生閃爆事故。

如果儲(chǔ)罐的氮封系統(tǒng)失效，將導(dǎo)致大量濃度超限的VOCs 進(jìn)入后續(xù)設(shè)施，超出后續(xù)系統(tǒng)的處理能力，從而造成潛在危險(xiǎn)。因此，還需在緩沖罐入口總管上設(shè)置一臺(tái)總烴分析儀，用于監(jiān)測(cè)VOCs 的總烴排放量。當(dāng)總烴排放量超限時(shí)，關(guān)閉緩沖罐出口上的緊急切斷閥。

緩沖罐出口的高濃度VOCs，經(jīng)過(guò)吸收塔回收濃度降低后，通過(guò)風(fēng)機(jī)送入CO 爐。為防止CO 爐出現(xiàn)閃爆，需在爐子入口處設(shè)置可燃?xì)怏w檢測(cè)儀。當(dāng)進(jìn)入CO 爐的VOCs 濃度超限時(shí)，聯(lián)鎖VOCs 切斷閥、緊急排放閥等動(dòng)作，確保安全。

3.3 氧濃度測(cè)量和控制

緩沖罐出口氧濃度分析儀的報(bào)警聯(lián)鎖值需滿足GB/T 37241-2018 標(biāo)準(zhǔn)[5]中的要求，采用三級(jí)安全裕量，依次遞減作為下一級(jí)的設(shè)定值，如圖1 所示。

圖1 惰化氧濃度安全裕量設(shè)定Fig.1 Safety margin setting for inerting oxygen concentration

本項(xiàng)目VOCs 主要由氮?dú)狻⒈胶图妆降任镔|(zhì)組成，工程上為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，不作繁瑣的混合氣體LOC 計(jì)算。依據(jù)表2 可知，甲苯9.5Vol%最低，取其作為VOCs 在氮?dú)庀♂寳l件下的LOC 值，該值低于計(jì)算出的混合氣體的LOC 值。由此可以得到MAOC 值是7.5Vol%，依據(jù)表4，TPSS 值取5.5Vol%；SPIS 值在標(biāo)準(zhǔn)里沒(méi)有規(guī)定，一般由工藝根據(jù)具體流程確定。本項(xiàng)目在綜合考慮了氮?dú)庾⑷肓魉佟x表及控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，以及緊急切斷閥的關(guān)閉時(shí)間等參數(shù)后，SPIS 值取4.0Vol%。

表4 惰化保護(hù)時(shí)聯(lián)鎖停機(jī)的氧濃度取值[5]Table 4 Oxygen concentration values for interlock shutdown during inerting protection[5]

當(dāng)氧濃度大于4.0Vol%時(shí)，DCS 控制系統(tǒng)開(kāi)啟氮?dú)忾y補(bǔ)氮稀釋；當(dāng)氧濃度低于3%時(shí)，關(guān)閥氮?dú)忾y停止補(bǔ)氮；當(dāng)氧濃度大于7.5Vol%時(shí)，聯(lián)鎖切斷緩沖罐出口緊急切斷閥。

對(duì)于有條件的設(shè)計(jì)單位或業(yè)主，可以通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)分析來(lái)卻確定氧濃度分析儀的報(bào)警值及安全裕量，合理確定氧分析儀的安裝位置，確保充足的過(guò)程安全時(shí)間，防止氧濃度超限的VOCs 進(jìn)入后續(xù)設(shè)施發(fā)生閃爆事故。

本項(xiàng)目氧分析儀選用激光氧分析儀，該儀表傳感器采用半導(dǎo)體激光吸收光譜（DLAS）原理[10]。選用某進(jìn)口品牌，測(cè)量范圍0%～10%；線性誤差≤ ±1F.S；配氮?dú)獯祾弑P(pán)，滿足工藝要求，使用效果較好。

3.4 總烴測(cè)量和控制

高濃度的VOCs 進(jìn)入緩沖罐，正常情況下氮?dú)庹?8%，其他烴類物質(zhì)占2Vol%。當(dāng)總烴超過(guò)8Vol%時(shí)高報(bào)警；當(dāng)總烴超過(guò)10Vol%時(shí)高高聯(lián)鎖，關(guān)閉緩沖罐出口緊急切斷閥并停輸送風(fēng)機(jī)。

總烴測(cè)量有多種分析儀可選，這里比較兩種分析儀的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

1）采用氫火焰離子化檢測(cè)器（FID）原理的總烴分析儀是比較理想的選擇，在VOCs 治理項(xiàng)目中廣泛應(yīng)用。對(duì)幾乎所有VOCs 均有響應(yīng)，測(cè)量精度高，線性范圍寬，抗污染能力強(qiáng)。如果極速響應(yīng)采用大流量采樣泵直接進(jìn)樣的方式，T90最快≤2s。但價(jià)格較高，需要配置載氣，往往一個(gè)VOCs 項(xiàng)目就有可能用到多臺(tái)，大大增加了項(xiàng)目成本。

2）采用非分光紅外原理（NDIR）的可燃?xì)怏w檢測(cè)儀是一種經(jīng)濟(jì)合理的選擇。VOCs 中主要組份是氮?dú)夂蜔N類物質(zhì)。紅外線對(duì)無(wú)極性對(duì)稱的雙原子分子結(jié)構(gòu)沒(méi)有反應(yīng)，N2對(duì)測(cè)量沒(méi)有影響。烴類物質(zhì)主要含有C-H 鍵，紅外線對(duì)C-H 鍵有良好的吸收性，可以對(duì)各種烴組份進(jìn)行測(cè)量。通常選擇特定波長(zhǎng)范圍在1μm～15μm，把光源發(fā)出的連續(xù)光譜全部投射到待測(cè)氣體上，待測(cè)組份吸收其各個(gè)特征波長(zhǎng)譜帶的紅外線，其吸收具有積分性質(zhì)，從而能夠測(cè)量總烴含量[10]。

紅外可燃?xì)怏w檢測(cè)儀的測(cè)量范圍寬，可以測(cè)量0Vol%～100Vol%氣體濃度。響應(yīng)時(shí)間一般在4s 以內(nèi)，最快可以做到1s，測(cè)量精度雖不如FID 總烴分析儀，但在上游儲(chǔ)罐氮?dú)饷芊庀到y(tǒng)失效時(shí)，能夠測(cè)量出總烴濃度超限，從而判斷出早期故障的發(fā)生。

3.5 可燃?xì)怏w檢測(cè)和控制

在CO 爐VOCs 入口管道上應(yīng)安裝可燃?xì)怏w檢測(cè)儀，其VOCs 可燃介質(zhì)的總量不能超過(guò)其在空氣中的最低爆炸下限的25%LEL。以甲苯為例，甲苯在空氣中的最低爆炸下限濃度（100%LEL）是1.2Vol%，25%LEL 是0.3Vol%，與緩沖罐入口處的高高限濃度（10Vol%）相比低了很多。在線檢測(cè)儀一般需1oo2 或2oo3 配置。當(dāng)進(jìn)入CO 爐的VOCs 濃度超過(guò)25%LEL 時(shí)，聯(lián)鎖動(dòng)作，確保安全。

在線可燃?xì)怏w檢測(cè)儀選用紅外型可燃?xì)怏w檢測(cè)儀[11]，與總烴分析儀的原理和安裝要求基本一致，不同的是測(cè)量范圍。這里測(cè)量的是可燃物在空氣中的爆炸下限LEL，總烴分析儀測(cè)量的是在無(wú)氧或少氧下的烴濃度，其量程相差很大。可燃?xì)怏w檢測(cè)儀同樣選用某進(jìn)口品牌的紅外型可燃?xì)怏w檢測(cè)儀，其產(chǎn)品最大的特點(diǎn)是具有0 Vol%～100Vol%量程，而其他品牌的產(chǎn)品只有0%LEL ～100%LEL，這一點(diǎn)很容易被忽視。

3.6 安全總體時(shí)間的要求

儀表的安裝位置應(yīng)考慮采樣管線長(zhǎng)度，分析儀測(cè)量響應(yīng)時(shí)間、切斷閥關(guān)閉時(shí)間、VOCs 流速等參數(shù)，確保有充足的安全總體時(shí)間，防止VOCs 濃度超限發(fā)生閃爆事故。

氧分析儀采用在線原位安裝。總烴分析儀和可燃?xì)怏w檢測(cè)儀就近安裝在現(xiàn)場(chǎng)儀表箱內(nèi)，并配備取樣泵和樣品處理系統(tǒng)，具備在線標(biāo)定功能。

氧分析儀的測(cè)量響應(yīng)時(shí)間應(yīng)小于等于2s，總烴分析儀和可燃?xì)怏w檢測(cè)儀響應(yīng)時(shí)間應(yīng)小于等于3s。

3.7 風(fēng)機(jī)壓力控制

罐組排放的VOCs 壓力只有微壓，收集系統(tǒng)需要通過(guò)輸送風(fēng)機(jī)抽吸才能進(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)一用一備，采用變頻調(diào)速來(lái)控制抽吸壓力。風(fēng)機(jī)抽力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致罐被抽癟，VOCs 量又是非常不穩(wěn)定的，采用變頻調(diào)速控制正常情況下沒(méi)有問(wèn)題。但是，在較低風(fēng)量下變頻器無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行，變頻器的最佳調(diào)頻范圍在20Hz ～50Hz 頻率，如果將最低頻率設(shè)置在20Hz，當(dāng)VOCs 量較小時(shí)，可能會(huì)將罐抽癟。

本項(xiàng)目采用風(fēng)機(jī)變頻+回流閥相結(jié)合的超馳控制方案，能夠始終維持風(fēng)機(jī)入口處的壓力穩(wěn)定，避免頻繁聯(lián)鎖啟停風(fēng)機(jī)的問(wèn)題[12]。風(fēng)機(jī)入口操作壓力設(shè)定為－3.0 kPa，如果VOCs 氣量較小，當(dāng)變頻器頻率低于20Hz 時(shí)，調(diào)節(jié)器變手動(dòng)模式，輸出保持變頻器20Hz 的頻率不變，將回流閥設(shè)置成自動(dòng)模式，打開(kāi)回流閥進(jìn)行PID 控制，穩(wěn)定入口壓力不變；如果VOCs 氣量增加，當(dāng)入口壓力高于－2.5kPa 時(shí)，將回流閥設(shè)置成手動(dòng)模式，輸出0%開(kāi)度關(guān)閉回流閥門，將變頻器恢復(fù)自動(dòng)模式，進(jìn)行PID 控制，保持壓力穩(wěn)定；如果入口壓力低于－4.7kPa，則聯(lián)鎖停風(fēng)機(jī)。

3.8 爐子安全控制

目前，VOCs 治理的“最終解決方案”都是進(jìn)爐子，無(wú)論何種類型的爐子，安全都是其最重要的問(wèn)題。工程項(xiàng)目中爐子一般都是有專業(yè)的爐子公司成套供貨，本項(xiàng)目CO爐也是如此。CO 爐的安全控制由成套廠根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，但項(xiàng)目設(shè)計(jì)單位和業(yè)主需要根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求審查爐子的設(shè)計(jì)是否符合。

4 VOCs治理中的安全管控

針對(duì)VOCs 治理項(xiàng)目中的風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識(shí)不足，缺乏有效的安全管控的問(wèn)題，《煉化企業(yè)VOCs 協(xié)同治理安全管控指導(dǎo)意見(jiàn)（試行）》中石化煉安（2021）525 號(hào)文，對(duì)相關(guān)問(wèn)題做了明確的規(guī)定，可以作為設(shè)計(jì)依據(jù)，本項(xiàng)目中的一些參數(shù)值也來(lái)源于此。

設(shè)計(jì)階段，項(xiàng)目需要委托第三方專業(yè)公司做HAZOP分析和SIL 定級(jí)。依據(jù)SIL 報(bào)告，確定是否采用SIS 系統(tǒng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

儀表設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)VOCs 治理裝置的安全生產(chǎn)至關(guān)重要。本文從防爆原理出發(fā)，分析了相關(guān)儀表設(shè)置的原因及報(bào)警聯(lián)鎖設(shè)定值的由來(lái)，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范介紹了儀表及控制方案的選型，對(duì)工程設(shè)計(jì)人員有一定參考價(jià)值。