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眾所周知,現在市場(chǎng)上對VOCs的大量處理工藝,例如膜分離、活性炭吸附、高沸點(diǎn)溶液吸收、生物轉化、冷凝回收和熱力氧化等方法中,RTO具有去除效率高、經(jīng)濟適用性強,且熱能利用效率比傳統的直燃式氧化爐提高等優(yōu)點(diǎn),是目前企業(yè)解決復雜工況VOCs的有效手段。但因各企業(yè)情況的不同,RTO應用也存在局限性,比如運行費用高,耗電耗天然氣CO2排放太高。特別是針對其安全性使用,如在投入生產(chǎn)使用時(shí),由于操作失誤、設備缺陷、設計處理風(fēng)量過(guò)小、沉積物清理不夠及時(shí)、收集系統設計不合理等多種原因發(fā)生過(guò)爆炸火災等生產(chǎn)安全事故。
一、事故案例
(一)案例概況
江蘇某化工企業(yè)RTO凈化系統在2015年3月初和3月末兩次發(fā)生爆炸。事故沒(méi)有造成人員傷亡,聚合物多元醇車(chē)間引風(fēng)機損壞,現場(chǎng)儀表燒毀,RTO 部分裝置損毀嚴重,直接經(jīng)濟損失達100余萬(wàn)元。
根據相關(guān)資料,該企業(yè)生產(chǎn)方式為間歇性生產(chǎn),事故發(fā)生時(shí)僅POP、PL1/PL2產(chǎn)品的工藝廢氣通過(guò)DN50~DN350不等的金屬管道進(jìn)行了收集(主要污染物為環(huán)氧乙烷、環(huán)氧丙烷、三甲胺、異丙醇、苯乙烯、丙烯腈等),廢氣收集后通過(guò)引風(fēng)機進(jìn)入RTO焚燒,該RTO為R-RTO(旋轉式蓄熱焚燒爐)。廢氣收集、處理的詳細流程如下圖所示。
(二)事故原因分析
1、直接原因
真空泵出口尾氣排放溫度過(guò)高,而有機物沸點(diǎn)較低,同時(shí)新鮮空氣補充不足,污染物排放濃度過(guò)高,外加環(huán)氧丙烷、環(huán)氧乙烷的化學(xué)性質(zhì)活潑,最終導致接入焚燒爐中的廢氣達到相應爆炸極限,從而造成爆炸事故的發(fā)生。
2、間接原因
(1)收集系統設計不合理
調查過(guò)程發(fā)現對于真空泵高濃度有機廢氣,企業(yè)均未進(jìn)行冷凝回收預處理,且目前企業(yè)對 PL 系統真空泵出口廢氣所設計的收集方式極不合理,真空泵出口所配備的傘形罩集氣量有限,廢氣收集總管僅DN50,正常運行時(shí)系統稀釋風(fēng)量難以保證。
(2)預處理措施不到位
該企業(yè)POP、PL1、PL2車(chē)間對有機廢氣所采用的活性炭吸附未配備脫附再生系統,基本無(wú)效,末端所配置的不銹鋼高壓風(fēng)機無(wú)變頻系統,導致廢氣收集管路系統中負壓值過(guò)高,能耗較高且不利于有機物的冷凝回收,所采用的金屬材質(zhì)水洗塔強度較高,當系統發(fā)生爆炸等意外事故時(shí)無(wú)法起到有效泄爆的效果(無(wú)泄爆措施),導致爆炸產(chǎn)生的沖擊波沿著(zhù)管道進(jìn)一步往生產(chǎn)車(chē)間傳導,加劇了爆炸的次生危害。
(3)RTO爐本體存在問(wèn)題
本項目中部分產(chǎn)品含有氯元素,諸多案例表明,蓄熱陶瓷體由于質(zhì)量較大,支撐件通常要承受較大的應力腐蝕,當體系含氯時(shí)(如環(huán)氧氯丙烷)高溫焚燒處理過(guò)程中將產(chǎn)生HCl等污染物,對設備本體、RTO 爐旋轉閥易產(chǎn)生較大腐蝕,系統難以穩定、有效運行。
(4)廢氣中存在化學(xué)品自聚現象
項目廢氣中含有部分丙烯腈、苯乙烯等有機物,上述物料在溫度較高時(shí)極易發(fā)生自聚合,導致RTO爐蓄熱陶瓷體在使用一段時(shí)間后設備阻力變大,同時(shí)底部有高沸點(diǎn)有機物粘附現象,易引起火災等安全事故。
二、典型的問(wèn)題隱患排查
(一)廢氣預處理設計存在缺陷
1、企業(yè)提供的基礎數據不全,導致預處理方式存在設計缺陷。
《蓄熱燃燒法工業(yè)有機廢氣治理工程技術(shù)規范》要求應根據廢氣來(lái)源、組分、性質(zhì)(溫度、濕度、壓力)、流量、爆炸極限等因素,綜合分析后選擇廢氣處理工藝流程。而在實(shí)際設計過(guò)程中,企業(yè)主要提供最大廢氣處理量、VOCs最高含量,不能提供尾氣具體的組成。
如某園區內企業(yè)提供RTO設計依據為廢氣組分為甲苯和甲醇,VOCs最高含量為5000mg/m³,且具體含量未標明。因此企業(yè)在RTO設計時(shí)未考慮企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中能產(chǎn)生二甲胺氣體,在預處理系統中沒(méi)考慮酸洗,只是在車(chē)間將廢氣冷卻到10℃左右后,通過(guò)總管(DN600)進(jìn)入堿洗、水洗塔后經(jīng)引風(fēng)機進(jìn)入到RTO系統,這也就為后來(lái)發(fā)生的事故埋下了隱患。
該企業(yè)于2021 年6 月3日開(kāi)始試生產(chǎn),RTO裝置于2021 年6 月6日16:00發(fā)生爆炸,整個(gè)風(fēng)機的蝸殼全部粉碎,所幸的是事故沒(méi)有造成人員傷亡。事故調查顯示,由于二甲胺易溶于水(沸點(diǎn)7℃),隨著(zhù)水中二甲胺含量升高及環(huán)境溫度上升,二甲胺大量揮發(fā),同時(shí)因引風(fēng)機葉輪、蝸殼材質(zhì)均為玻璃鋼材質(zhì),雖然有導電涂層,但引風(fēng)機對地電阻為無(wú)窮大,達到爆炸極限的有機廢氣與高速旋轉的風(fēng)機葉輪摩擦產(chǎn)生靜電,導致風(fēng)機蝸殼粉碎性爆裂。
2、RTO安全設施設計有缺陷。
(1)設計時(shí)未將可燃氣體檢測信號納入RTO控制程序系統,當廢氣濃度達到爆炸極限后,不能及時(shí)采取稀釋、走旁通等應對措施,高濃度廢氣直接進(jìn)入RTO爐體從而引發(fā)火災、爆炸事故。
其中部分企業(yè)只是在RTO控制程序界面上做了一個(gè)顯示,且永遠顯示0%LEL?!洞髿馕廴局卫砉こ碳夹g(shù)導則》(HJ 2000-2010)第6.5.1條,明確提出“進(jìn)入熱力燃燒工藝的有機廢氣濃度應控制在其爆炸極限下限的25%以下,對于混合有機化合物,其有機物濃度應根據不同有機化合物的濃度比例和其爆炸下限值進(jìn)行計算與校核”;《蓄熱燃燒法工業(yè)有機廢氣治理工程技術(shù)規范》(HJ1093—2020)第6.5.1條,明確要求“當廢氣濃度波動(dòng)較大時(shí),應對廢氣進(jìn)行實(shí)時(shí)監測,并采取稀釋、緩沖等措施,確保進(jìn)入蓄熱燃燒裝置的廢氣濃度低于爆炸極限下限的25%”。
圖為某企業(yè)的在線(xiàn)分析儀顯示“Err”,因輸出超過(guò)20mA,滿(mǎn)量程后顯示“錯誤”,但RTO控制界面顯示為0%LEL。
(2)設計時(shí)不考慮可燃氣體在線(xiàn)分析儀的安裝位置。如某企業(yè)在線(xiàn)分析儀取樣位置距RTO爐約30米(RTO爐前有一個(gè)堿洗塔和一個(gè)水洗塔),該處廢氣約10s后就能進(jìn)入到RT0爐,但在線(xiàn)分析儀距取樣點(diǎn)約2.5米,經(jīng)過(guò)蠕動(dòng)泵抽取樣品,不計在線(xiàn)分析儀的響應時(shí)間,至少需要20s后才能分析出廢氣中可燃氣體的含量,這種設置,即使可燃氣體檢測信號進(jìn)入RTO控制程序系統,也達不到保護作用。具體可參考《蓄熱焚燒裝置安全風(fēng)險評估指南》第7.3.3的要求。
(3)技術(shù)協(xié)議書(shū)中的P&ID與RTO裝置現場(chǎng)不一致,或P&ID中給定的邏輯無(wú)法實(shí)現。
如設計文件中設計有“壓縮空氣壓力低,系統報警停機”,但現場(chǎng)無(wú)壓縮空氣壓力遠傳表;所有企業(yè)都不能提供聯(lián)鎖邏輯圖;P&ID圖中的邏輯關(guān)系在實(shí)際行動(dòng)過(guò)程無(wú)法實(shí)現。
(二)廢氣輸送系統工藝設計未充分考慮精細化工生產(chǎn)過(guò)程特點(diǎn)
1.廢氣支管段內壓力不穩。精細化工行業(yè)通常是間歇式生產(chǎn),廢氣排放氣量隨著(zhù)生產(chǎn)處于不同的階段出現波動(dòng)。企業(yè)未在車(chē)間總出口設置輸送風(fēng)機或設置廢氣輸送風(fēng)機,且風(fēng)機頻率未與廢氣系統壓力實(shí)現自動(dòng)控制,全部依靠RTO引風(fēng)機入口壓力(或引風(fēng)機頻率)來(lái)控制廢氣總管的壓力,導致廢氣總管的最前端或廢氣排放氣量大的車(chē)間支管段內壓力波動(dòng)大,存在支管段內廢氣壓力不穩而泄漏的風(fēng)險。
2.車(chē)間廢氣采用噴淋吸收預處理工藝的,易帶有大量飽和水蒸氣,廢氣輸送管道應依據《石油化工金屬管道布置設計規范》要求,設計管道坡度,并在管道拐角和低點(diǎn)設置排凝點(diǎn),定期排凝,避免管道內積液現象的產(chǎn)生。
3.產(chǎn)生VOCs廢氣含有酸性或堿性組分的企業(yè),為防腐需要采用玻璃鋼、PP、PE管材輸送廢氣,并在RTO引風(fēng)機前才進(jìn)行酸/堿處理,在上述過(guò)程中,廢氣輸送管道一般距離較長(cháng)、氣體流速較快,管道內可能因產(chǎn)生的靜電大量積聚易引發(fā)爆炸等安全事故。此類(lèi)廢氣宜在各車(chē)間先進(jìn)行酸堿預處理,然后采用金屬管道,并依據《石油化工靜電接地設計規范》(SH/T 3097-2017)的要求,做好管道法蘭跨接和靜電接地。
(三)RTO裝置操作、維護不到位
設備設施完好,是RTO裝置安全穩定運行的物質(zhì)基礎?!栋踩a(chǎn)法》第三十六條明確規定“生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)單位必須對安全設備進(jìn)行經(jīng)常性維護、保養,并定期檢測,保證正常運轉。維護、保養、檢測應當做好記錄,并由有關(guān)人員簽字”。在實(shí)際運行過(guò)程中,存在安全設施不能正常投用、操作記錄與實(shí)際運行狀態(tài)不一致、設備設施檢查維護缺失、操作方式不當等隱患。
1、新風(fēng)閥門(mén)不能正常投用。
如某些企業(yè)存在正常投用的RTO,新風(fēng)閥門(mén)無(wú)氣源、電源,即使可燃氣體檢測儀信號接入RTO程序控制系統,在聯(lián)鎖動(dòng)作時(shí)新風(fēng)閥門(mén)也不能及時(shí)打開(kāi)進(jìn)行稀釋。(如下圖所示)
2、日常操作記錄與實(shí)際運行狀態(tài)不一致。
如某企業(yè)2022年7月2日從18:53開(kāi)始到23:50,燃燒器一直持續故障報警,但操作記錄均為“正常”。
3、設備設施檢查維護缺失。
如某企業(yè)堿洗塔pH計外殼腐蝕嚴重,無(wú)法觀(guān)察顯示的數值??赡芤驂A液濃度低影響處理效果,造成RTO內部腐蝕,帶來(lái)RTO設備變形、坍塌、廢氣泄漏等安全風(fēng)險。pH計因長(cháng)期在酸(堿)環(huán)境中工作,一般連續使用2個(gè)月后顯示就會(huì )出現較大的誤差,需要人工分析(或標注溶液校準)。
另外,某企業(yè)燃料油泵過(guò)濾器裝錯方向,可能造成燃燒器噴嘴堵塞,影響RTO正常運行。
4.操作方式不當等,部分企業(yè)將廢氣引風(fēng)機頻率設置了“手動(dòng)”狀態(tài)。
該操作方式無(wú)法滿(mǎn)足精細化工企業(yè)間歇生產(chǎn)的特點(diǎn),可能造成廢氣總管壓力劇烈波動(dòng)。若車(chē)間未設置引風(fēng)機,廢氣可能會(huì )反串;車(chē)間設置了引風(fēng)機,可能造成廢氣總管超壓泄漏。
RTO是蓄熱式焚燒處理有機廢氣裝置的簡(jiǎn)稱(chēng)?,F在市場(chǎng)上對VOCs的大量處理工藝,例如膜分離、活性炭吸附、高沸點(diǎn)溶液吸收、生物轉化、冷凝回收和熱力氧化等方法中,蓄熱室熱力氧化爐(RTO)具有去除效率高、經(jīng)濟適用性強,且熱能利用效率比傳統的直燃式氧化爐提高70%左右等優(yōu)點(diǎn),是目前企業(yè)解決VOCs的有效手段。
但因各企業(yè)情況的不同,RTO應用也存在局限性,在投入生產(chǎn)使用時(shí),由于操作失誤、設備缺陷、設計處理風(fēng)量過(guò)小、沉積物清理不夠及時(shí)、收集系統設計不合理等多種原因發(fā)生過(guò)生產(chǎn)安全事故。
面對可能存在的隱患企業(yè)該怎么應對?筆者認為可以考慮以下對策
①收集資料,嚴格新建RTO裝置的安全設計
RTO供應商根據《蓄熱燃燒法工業(yè)有機廢氣治理工程技術(shù)規范》(HJ 1093—2020)的要求,收集的工業(yè)有機廢氣理化性質(zhì)等原始資料至少包括:
廢氣風(fēng)量(正常值、最大值、最小值)
廢氣溫度(正常值、最大值、最小值)
廢氣的壓力和濕度及含氧量
廢氣中 VOCs 組分及濃度(正常值、最大值、最小值)
廢氣中無(wú)機氣體的組分及濃度(正常值、最大值、最小值)
廢氣中顆粒物濃度
產(chǎn)生污染物設備情況及工作制度
廢氣排放方式(連續、間歇、波動(dòng)周期)
對RTO主體及輔助工程同步進(jìn)行設計,設置符合HJ 1093—2020要求的工藝控制相關(guān)參數和安全措施,完善主體工程及輔助工程(廢氣收集系統的壓力、可燃氣體檢測信號、燃料油(氣)壓力、儀表氣源壓力、電力等)之間的邏輯控制關(guān)系,實(shí)現整個(gè)系統程序控制。
RTO爐系統應納入全廠(chǎng)安全風(fēng)險辨識、全廠(chǎng)安全風(fēng)險評估論證,對于廢氣成分復雜的,應進(jìn)行HAZOP分析并采取相應的安全措施。企業(yè)在RTO治理設施驗收或交付前須經(jīng)過(guò)第三方專(zhuān)業(yè)機構開(kāi)展安全評價(jià)或相關(guān)鑒定。
②完善目前運行的RTO程序控制、聯(lián)鎖系統
將可燃氣體檢測儀分析信號、燃料油(氣)壓力信號、壓縮空氣壓力信號接入RTO的程序控制系統并正常投用相關(guān)邏輯,完善各程序控制閥門(mén)的程序控制的電、氣信號,并嚴格控制可燃氣體濃度應低于最易爆組分或混合氣體爆炸極限下限最低值的25%,否則應采用空氣強制稀釋或直接排放;
調試好各參數設置,RTO應處于自動(dòng)運行狀態(tài)。
③企業(yè)加強RTO運行維護
編制符合企業(yè)實(shí)際的生產(chǎn)狀況的安全操作規程和運行管理制度,并對員工進(jìn)行開(kāi)、停工及緊急狀態(tài)的操作進(jìn)行培訓;
建立維護檢測記錄,對接地線(xiàn)、跨接線(xiàn)、阻火器、酸(堿)處理單元、RTO的公用工程等檢查、維護;
同時(shí)統籌生產(chǎn)過(guò)程中工作,避免各車(chē)間(工序)同時(shí)加料、同時(shí)蒸(精)餾,導致含有機物料的廢氣集中排放,盡量保持廢氣濃度、氣量相對穩定;
定期對各傳感器(如溫度、壓力、液位、pH計、可燃氣體檢測儀等)進(jìn)行校驗(準),確保RTO的運行處于程序控制狀態(tài)。
目前RTO系統在運行使用過(guò)程中既有因設計基礎資料不全,導致設計本身存在缺陷,程序控制主要集中在RTO本體而未包含可燃氣體檢測信號;也有由于操作不當,管理不善導致發(fā)生火災、爆炸等安全問(wèn)題。
因此企業(yè)與RTO供應商在設計初期應該做好基礎資料的收集、確認、利用,提高RTO本質(zhì)安全設計水平,同時(shí),企業(yè)加強對RTO的操作、維護、管理,及時(shí)消除隱患,確保RTO安全運行。