蓄熱式氧化爐入口廢氣濃度檢測(cè)與安全緩沖設(shè)計(jì)

作者簡(jiǎn)介：宋彬（1980-），高級(jí)工程師，從事化工工藝設(shè)計(jì)、智能工廠的建設(shè)和研究，Songbin277@163.com。

引用本文：宋彬.蓄熱式氧化爐入口廢氣濃度檢測(cè)與安全緩沖設(shè)計(jì)［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2024，51（2）：338-344.

DOI：10.20030/j.cnki.1000-3932.202402025

摘 要 介紹了蓄熱式氧化爐（RTO）工藝安全控制常用的3種在線可燃?xì)怏w檢測(cè)儀表。通過(guò)分析各在線儀表的原理和特點(diǎn)，闡述了選型過(guò)程需要考慮的主要因素。采用設(shè)計(jì)實(shí)例，簡(jiǎn)述了RTO系統(tǒng)中在線可燃?xì)怏w檢測(cè)儀與RTO入口緊急切斷閥之間的安全緩沖設(shè)施設(shè)計(jì)要點(diǎn)。結(jié)論是，入口廢氣安全緩沖設(shè)施設(shè)計(jì)應(yīng)從分析儀表的類型、儀表測(cè)量偏離、檢測(cè)與安全元件的響應(yīng)時(shí)間、安全控制系統(tǒng)的設(shè)定值及裝置占地等多個(gè)技術(shù)角度綜合考慮。

關(guān)鍵詞 可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)儀 在線LEL檢測(cè) 安全緩沖設(shè)施 蓄熱式氧化爐

中圖分類號(hào) TP216? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B? ?文章編號(hào) 1000-3932（2024）02-0338-07

蓄熱式氧化爐（Regenerative Thermal Oxidizer，RTO）是化工廠處理含可燃?xì)怏w組分工藝廢氣的常用設(shè)備。工藝廢氣在RTO的蓄熱室和燃燒室內(nèi)受熱分解，若進(jìn)入室內(nèi)的廢氣濃度高于其爆炸下限（Lower Explosive Limit，LEL），則RTO內(nèi)部會(huì)發(fā)生爆炸，造成嚴(yán)重的安全隱患，因此近年來(lái)對(duì)RTO的安全設(shè)計(jì)引起了高度關(guān)注。

在工程實(shí)踐中，選擇合適的可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)儀，確定系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間和設(shè)置安全的緩沖設(shè)施是解決RTO入口廢氣濃度超標(biāo)引發(fā)爆炸的主要措施。

1 RTO流程與安全設(shè)計(jì)要求

典型的RTO工藝流程如圖1所示。來(lái)自工藝裝置的工藝廢氣，經(jīng)前處理系統(tǒng)處理后采用可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)儀進(jìn)行分析，若氣體爆炸下限在允許范圍內(nèi)，氣體將被風(fēng)機(jī)送至RTO內(nèi)受熱處理。處理后的氣體經(jīng)后處理系統(tǒng)處理至達(dá)標(biāo)后通過(guò)排氣筒排放至大氣。若氣體爆炸下限超過(guò)允許值，則RTO前的緊急切斷閥關(guān)閉，廢氣將送至緊急排放設(shè)施處理。工藝流程中分析儀和安全元件動(dòng)作均需要足夠的響應(yīng)時(shí)間，因此可利用可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)儀與緊急切斷閥之間的空間加以緩沖。

HJ 1093—2020《蓄熱燃燒法工業(yè)有機(jī)廢氣治理工程技術(shù)規(guī)范》、NFPA 86—2023《Standard for Ovens and Furnaces》和DIN EN 12753—2011《Thermal Cleaning Systems for Exhaust Gas from Surface Treatment Equipment—Safety Requirements》均對(duì)氧化爐入口廢氣濃度做了相應(yīng)規(guī)定，具體匯總于表1［1～3］。

2 廢氣爆炸下限與濃度

排向RTO的工藝廢氣一般都是混合氣體，且含有N、CO、HO等惰性組分（具體含量與工藝流程有關(guān)）。

對(duì)于含有惰性氣體的可燃性氣體混合物，其爆炸下限L計(jì)算式如下：

L=×100% （1）

式中 L——不含惰性氣體的可燃性氣體混合

物爆炸下限，%；

P——?dú)怏w混合物中惰性組分的體積分

數(shù)，%。

各組分爆炸下限的影響因素有廢氣溫度、惰性組分和含氧量。一般地，廢氣溫度升高，其爆炸下限隨之降低；惰性組分增加，其爆炸下限隨之升高；含氧量增加，爆炸下限隨之降低。因排向RTO的工藝廢氣壓力一般在常壓附近，故壓力對(duì)爆炸下限的影響較小，可以忽略不計(jì)［4］。

常壓下，爆炸下限溫度校正式如下［2］：

L=L×［1-0.000721（T-25）］? （2）

式中 L25——25 ℃時(shí)氣體的爆炸下限，%；

L——?dú)怏w在期望溫度T下的爆炸下限，%。

因濃度允許限值是爆炸下限的百分?jǐn)?shù)，為了設(shè)計(jì)方便，氣體濃度可用相對(duì)爆炸下限的百分?jǐn)?shù)表示，例如在線濃度分析儀表的測(cè)量值或讀數(shù)可表示為：

V=（L/L）×100%? ? （3）

式中 L——?dú)怏w爆炸下限的分析儀測(cè)量值，%；

L——?dú)怏w爆炸下限的真實(shí)值，%；

V——分析儀表的測(cè)量值占爆炸下限真

實(shí)值的百分?jǐn)?shù)，%LEL。

3 在線可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)儀選型

3.1 在線檢測(cè)儀種類與原理

可用于RTO工藝安全控制的在線可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)儀有紅外光譜分析儀、氫火焰離子化檢測(cè)器（Flame Ionization Detector，F(xiàn)ID）和氫火焰溫度分析儀（Flame Temperature Analysis，F(xiàn)TA）［3］。其中，紅外光譜分析儀和FID檢測(cè)器是間接測(cè)量氣體爆炸下限的儀表，需要測(cè)量出廢氣中的可燃?xì)怏w組分，然后根據(jù)式（1）計(jì)算得到爆炸下限；FTA分析儀是直接測(cè)量廢氣爆炸下限的分析儀表。

紅外光譜分析儀的原理是紅外線通過(guò)一個(gè)定長(zhǎng)容器后，檢測(cè)紅外線輻射強(qiáng)度，根據(jù)特征吸收波長(zhǎng)，確定廢氣中的有機(jī)物組分，然后根據(jù)朗伯-比爾吸收定律獲得濃度，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到廢氣爆炸下限。

FID檢測(cè)器的工作原理則是通過(guò)測(cè)量電流強(qiáng)度的方法檢測(cè)有機(jī)物濃度。其原理是燃燒待檢廢氣，碳?xì)浠衔镌诨鹧嬷挟a(chǎn)生CH自由基，隨后與O和HO發(fā)生相關(guān)反應(yīng)生成CHO、HO和電子，在電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生電流。以乙烯為例，其反應(yīng)過(guò)程如下：

CH2CH

2CH+O2CHO+2e

2CHO+2HO2HO+2CO

離子通過(guò)電場(chǎng)時(shí)所產(chǎn)生的電流的強(qiáng)弱可以表征有機(jī)物的種類和濃度。電離產(chǎn)生的電流越大，有機(jī)物濃度越高。根據(jù)有機(jī)物濃度即可計(jì)算得到廢氣爆炸下限。

FTA分析儀的工作原理是利用廢氣燃燒產(chǎn)生的熱量與其爆炸下限之間的關(guān)系測(cè)定爆炸下限。在精確控制的背景燃燒條件下通入待測(cè)廢氣，采用熱電偶測(cè)量燃燒產(chǎn)生的溫升，將該溫升與已知LEL濃度參比標(biāo)氣的溫升進(jìn)行比較，即可得到廢氣爆炸下限。

3.2 在線檢測(cè)儀選型

從技術(shù)角度考慮，選擇在線可燃物濃度檢測(cè)儀的關(guān)鍵因素是組分響應(yīng)、測(cè)量讀數(shù)偏離和響應(yīng)時(shí)間。

3.2.1 組分響應(yīng)

分析儀表的組分響應(yīng)與其工作原理有關(guān)。

紅外光譜分析儀對(duì)多種無(wú)機(jī)物組分（如CO、CO等）和許多有機(jī)物組分（如烴類、烯烴等）都有響應(yīng)，但對(duì)He、Ne等稀有氣體以及H、N、O等非極性雙原子氣體沒(méi)有響應(yīng)［5］。

FID檢測(cè)器對(duì)大部分碳?xì)浠衔锏捻憫?yīng)靈敏度較高，但對(duì)于工藝裝置中常見(jiàn)的一些可燃?xì)怏w組分（如甲醛和甲酸）響應(yīng)則較小，無(wú)法測(cè)定。此外，若廢氣中含有NH、CO等組分，同樣無(wú)法檢出，需另配其他檢測(cè)器。

FTA分析儀用燃燒溫度變化測(cè)量氣體的LEL，所以廢氣中的可燃物種類不會(huì)對(duì)檢測(cè)產(chǎn)生影響。

3.2.2 測(cè)量讀數(shù)偏離

3.2.2.1 紅外光譜分析儀的測(cè)量干擾與偏離

紅外光譜分析儀的干擾來(lái)自于廢氣中各組分特征吸收波帶的互相影響。如果組分間的吸收峰鄰近或重疊，部分能量會(huì)被干擾組分吸收，影響檢測(cè)結(jié)果，如CO、CO等，如圖2所示。此外，由于H2O的紅外吸收頻帶較寬，會(huì)對(duì)廢氣中的多種組分產(chǎn)生干擾，因此該干擾只能通過(guò)數(shù)據(jù)處理進(jìn)行修正。

3.2.2.2 FID檢測(cè)器的測(cè)量干擾與偏離

FID檢測(cè)器的測(cè)量干擾與CHO的產(chǎn)生效率有關(guān)。廢氣的某些組分（如羥基（—OH）、羰基（CO））會(huì)改變CHO的產(chǎn)生效率［6］，造成FID測(cè)量偏差，有的甚至無(wú)法檢出。從圖3常見(jiàn)物質(zhì)的相對(duì)質(zhì)量校正因子可以看出此種偏差的程度。

由于紅外光譜分析儀和FID檢測(cè)器是間接測(cè)量?jī)x表，在實(shí)際應(yīng)用中，還需要考慮額外的系統(tǒng)偏離與誤差：其一，需確定廢氣中惰性組分的組成，且其含量需穩(wěn)定；其二，需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)廢氣的溫度等參數(shù)，以便對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。故這兩種儀表的偏離值為：

σ=σ+σ? ? ? （4）

其中，σ為分析儀表測(cè)量值與真實(shí)值的總偏差，σ為分析儀的固有偏差，σ為廢氣自身狀態(tài)波動(dòng)造成的附加偏差。

3.2.2.3 FTA分析儀的測(cè)量干擾與偏離

FTA分析儀測(cè)量干擾的來(lái)源：

a. 可燃組分的響應(yīng)因子。響應(yīng)因子表示可燃組分的測(cè)量讀數(shù)與參比標(biāo)定值之間的偏離，響應(yīng)因子高于1.0表示其讀數(shù)高于真實(shí)值；反之，則低于真實(shí)值。如果廢氣組分較多，需要評(píng)估其綜合影響因子，并采用適當(dāng)?shù)臉?biāo)定措施減少其影響。

b. 惰性組分的影響。FTA分析儀的參比標(biāo)定氣是用特定氣體與空氣的混合物進(jìn)行LEL標(biāo)定的，如果待測(cè)廢氣的背景與參比標(biāo)定氣有差異，則會(huì)影響其讀數(shù)。

廢氣燃燒產(chǎn)生熱量的測(cè)量精度會(huì)影響FTA分析儀的讀數(shù)，如果廢氣中含有過(guò)多的HO、N、CO等惰性組分，則HO會(huì)吸收一部分熱量，造成讀數(shù)低于真實(shí)值。而N、CO等惰性氣體則會(huì)對(duì)可燃組分燃燒有冷卻、稀釋及抑制作用［7］，也會(huì)造成讀數(shù)偏低。

此外，惰性氣體含量升高伴隨著氧含量降低，氧含量的減少會(huì)造成儀表讀數(shù)高于真實(shí)數(shù)據(jù)。如果氧含量低于12%，則需要補(bǔ)充氧氣，或安裝氧分析儀進(jìn)行補(bǔ)償。

FTA分析儀的偏離值為：

σ=σ=σ+σ? ? （5）

其中，σ為FTA分析儀對(duì)可燃組分的響應(yīng)偏差，σ為由廢氣中惰性組分引起的偏差。

文獻(xiàn)［8］列舉了部分常見(jiàn)可燃?xì)怏w在FTA分析儀與其他分析儀表上的響應(yīng)差異。

綜上所述，分析儀表濃度測(cè)量值還可以校正為：

V=V±σ? ? （6）

式中 V——分析儀表讀數(shù)的校正值，%LEL。

3.2.3 在線檢測(cè)儀的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間

在線可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)儀的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間（t90）是指樣品自系統(tǒng)取樣點(diǎn)濃度階躍到儀表的指示并達(dá)到兩個(gè)穩(wěn)定值之差的90%所經(jīng)歷的時(shí)間。系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間包括兩部分：樣品傳輸滯后時(shí)間和儀表分析時(shí)間。

樣品傳輸滯后時(shí)間與樣品處理流程有關(guān)。GB/T 34042—2017《在線分析儀器系統(tǒng)通用規(guī)范》規(guī)定：流程工業(yè)樣品傳輸滯后時(shí)間宜小于60 s［9］。由于工藝安全控制中要求分析儀表總響應(yīng)時(shí)間越短越好，故分析儀表一般就近取樣點(diǎn)安裝，以盡可能減少傳輸滯后時(shí)間。而儀表分析時(shí)間通常與分析儀的類型有關(guān)。

3種在線分析儀表的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間（t90）各有差異：紅外光譜分析儀一般是10～25 s；FID檢測(cè)器響應(yīng)速度較快，一般是幾秒；FTA分析儀響應(yīng)速度最快，可以在1～3 s之間。然而，前兩者需要額外考慮補(bǔ)償和計(jì)算爆炸極限的時(shí)間，這一部分也需要計(jì)入總響應(yīng)時(shí)間。

綜上，RTO入口廢氣在線分析儀表的選擇要點(diǎn)匯總于表2。

4 安全緩沖設(shè)施的設(shè)計(jì)計(jì)算

在線分析儀表檢測(cè)和緊急切斷閥閥門動(dòng)作所需的總響應(yīng)時(shí)間，即系統(tǒng)需要的最低緩沖時(shí)間，它由廢氣在可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)儀與緊急切斷閥之間管段（即緩沖段）的流經(jīng)時(shí)間確定。

系統(tǒng)所需的總響應(yīng)時(shí)間計(jì)算式如下：

t=t′+t+t? ? ?（7）

式中 t′——在線分析儀表系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間；

t——SIS響應(yīng)時(shí)間；

t——緊急切斷閥關(guān)閉時(shí)間。

其中，F(xiàn)ID檢測(cè)器的總響應(yīng)時(shí)間為t與附加響應(yīng)時(shí)間之和；FTA分析儀的總響應(yīng)時(shí)間為t。

廢氣在緩沖段的流經(jīng)時(shí)間t′不得小于所需的系統(tǒng)總響應(yīng)時(shí)間t，否則，需要設(shè)計(jì)安全緩沖設(shè)施增加空間流經(jīng)時(shí)間，即：

t′=t+t≥t? ? ?（8）

其中，t為廢氣在管線內(nèi)的流經(jīng)時(shí)間，t為廢氣在特定緩沖設(shè)施內(nèi)的流經(jīng)時(shí)間。

安全緩沖設(shè)施設(shè)計(jì)主要是設(shè)置大尺寸管道或增加緩沖罐，其作用是延長(zhǎng)流經(jīng)時(shí)間，具體的工藝設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

5 應(yīng)用實(shí)例

某化工裝置RTO入口廢氣含多種可燃?xì)怏w組分和N、HO、CO等惰性組分，RTO入口廢氣管道設(shè)置在線可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)儀，備選類型為FID和FTA。在線儀表下游安裝緊急切斷閥。需設(shè)計(jì)相應(yīng)的緩沖設(shè)施及選定安全控制設(shè)定值。經(jīng)相關(guān)計(jì)算和咨詢儀表供應(yīng)商后，設(shè)計(jì)的兩種檢測(cè)方案及其設(shè)計(jì)結(jié)果匯總于表3。綜合考慮工藝廢氣組分操作彈性、占地面積及緩沖設(shè)施成本等多方因素，確定選用方案2：選擇FTA分析儀測(cè)量入口廢氣爆炸下限；FTA分析儀濃度最高讀數(shù)為17.71%，系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)警值為18.5%，系統(tǒng)設(shè)計(jì)緊急切斷設(shè)定值為20.71%；系統(tǒng)設(shè)計(jì)緩沖時(shí)間為7.7 s；因項(xiàng)目占地有限，系統(tǒng)設(shè)置緩沖罐，容積為360 m3。

6 結(jié)束語(yǔ)

可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)儀表的選擇對(duì)RTO的安全運(yùn)行有重要影響，工程上通常采用的紅外光譜分析儀、FID檢測(cè)器和FTA分析儀各有優(yōu)缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)工藝廢氣的操作條件和分析儀的工作原理，合理判斷組分響應(yīng)和分析儀讀數(shù)偏差，預(yù)估RTO系統(tǒng)的報(bào)警值和緊急切斷動(dòng)作值，計(jì)算系統(tǒng)所需的總響應(yīng)時(shí)間。經(jīng)過(guò)科學(xué)分析，綜合考慮各種因素，擇優(yōu)選擇分析儀表，合理設(shè)計(jì)安全緩沖設(shè)施。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 中華人民共和國(guó)生態(tài)環(huán)境部.蓄熱燃燒法工業(yè)有機(jī)廢氣治理工程技術(shù)規(guī)范：HJ 1093—2020［S］.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2020.

［2］ Technical Committee on Oven and Furnaces.Standard for Ovens and Furnaces：NFPA 86—2023［S］.Quincy：National Fire Protection Association，2023.

［3］ CEN/TC271.Thermal Cleaning Systems for Exhaust Gas from Surface Treatment Equipment—Safety Requirements：DIN EN 12753—2011［S］.Brussels：European Committee for Standardization，2010.

［4］ 中華人民共和國(guó)勞動(dòng)部職業(yè)安全衛(wèi)生與鍋爐壓力容器監(jiān)察局.工業(yè)防爆實(shí)用技術(shù)手冊(cè)［M］.沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1996：10-13.

［5］ 王森.在線分析儀器手冊(cè)［M］.1版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［6］ 李澤，張興龍，吳若昕，等.不同類型有機(jī)化合物在氫火焰離子化檢測(cè)器中離子化效率的探討［C］//2014第三屆環(huán)渤海色譜質(zhì)譜學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)論文集.2014：525-528.

［7］ 周寧，李海濤，任常興，等.氮?dú)狻⒍趸紝?duì)液化石油氣的惰化抑爆研究［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2016，35（6）：733-737.

［8］ 沈惠明，楊小偉.在線可燃性氣體檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探討［J］.石油化工自動(dòng)化，2018，54（z1）：9-11.

［9］ 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).在線分析儀器系統(tǒng)通用規(guī)范：GB/T 34042—2017［S］.北京：中國(guó)質(zhì)檢出版社，2017.

（收稿日期：2023-02-16，修回日期：2024-01-15）