精细化工行业蓄热式热氧化炉系统安全设计优化

陈振坎 2022-04-20

蓄热式热氧化炉（Regenerative Thermal Oxidizer，RTO）采用高热容量的蜂窝状陶瓷作为蓄热体，待处理有机废气与蓄热陶瓷体进行换热升温后，在氧化室中升温至760℃燃烧，使其中的VOCs成分氧化分解成二氧化碳和水，净化后的达标气体与蓄热陶瓷体进行换热降温后经烟囱排入大气。在国外，蓄热式热氧化炉的市场占有份额高达70%。

国内VOCs治理常用的技术有冷凝法、吸收法、吸附法、热力破坏法、膜分离法、低温等离子体、光催化氧化、生物处理法等。精细化工行业挥发性有机物（VOCs）具有种类繁多、组分复杂、波动性大等特点。目前常用的处理技术很难保证VOCs废气稳定达标排放。RTO具有净化效率高、可适用组分复杂波动性大的VOCs、热回收效率高、运行稳定性好等优点，是目前适用性最好、净化效率最高的VOCs治理装置，随着国家对VOCs废气排放要求越来越严格，RTO在精细化工行业中得到了广泛应用。

然而，在实际运行中，部分企业和供应商仅考虑系统的净化效率和能耗，而忽视了系统的安全性设计，导致RTO系统运行过程中时有安全事故发生。根据《大气污染治理工程技术导则》、《蓄热燃烧法工业有机废气治理工程技术规范（征求意见稿）》等规范，RTO系统主要包括污染气体收集和输送系统、气态污染物热力燃烧系统、控制与安全要求等。针对RTO系统安全设计，本文依据规范要求并结合工程经验，从废气输送管道设计、RTO系统主体设计（含控制与安全要求）、RTO系统调试三个方面提出了以下几点分析和建议，供大家借鉴。

1、废气输送管道设计

1.1生产车间输送系统设计

精细化工行业的产品通常是间歇式生产，废气排放气量波动性较大，生产车间输送风机如采用定频控制，车间支管段内压力也会随废气排放气量波动而变化，存在支管段内废气压力不稳而泄漏的风险。因此，车间输送风机前端建议增加压力检测点，并根据现场实际情况设置压力参数，与车间输送风机联锁变频控制，维持车间支管段内压力稳定。

1.2废气输送管道坡度和排凝设置

精细化工行业废气成分复杂，波动性大，车间预净化一般会设置有冷凝和喷淋系统，起到“消谷平峰”的作用，然而，经过冷凝和喷淋后的废气含有大量饱和水蒸气，如设计不合理，废气输送管道的拐点和低点会有积液凝聚，夏季积液挥发可能引发VOCs浓度超爆炸下限的风险，冬季积液冻结则可能造成管道损坏引发废气泄露的风险。因此，废气输送管道应依据《石油化工金属管道布置设计规范》要求，设计管道坡度，并在管道拐角和低点设置排凝点，定期排凝，避免管道内积液现象的产生。

1.3废气输送管道防静电设置

废气输送管道一般距离较长、管线复杂，气体流速较快，管道内会有静电产生，如静电大量积聚，会引发爆炸等安全事故。因此，废气输送管道建议采用金属管道，并依据《石油化工静电接地设计规范》要求，做好管道法兰跨接和静电接地。

1.4废气输送管道压力控制设计

依据《大气污染治理工程技术导则》要求，废气输送管道整体宜呈微负压状态，可有效避免各管道内废气泄露、相互串气的风险。因此，废气输送管道需要做风压平衡计算，确保管道呈微负压状态。以浙江嘉兴某医药企业为例，计算步骤如下：

1）确定计算范围：各单元风机出口到RTO前风机入口。

2）参照《简明通风设计手册》，在6～14m/s流速范围内根据废气流量计算废气输送管道管径。

3）运用风压平衡计算软件：PipeFlowExpert。

4）选取介质为废气（空气），基本参数如表1所示。

5）管道材质选择，该企业管道材质选取PP，绝对粗糙度系数为0.005mm。

6）管道走向绘制、管段长度和管径输入。

7）各单元废气流量输入、RTO前风机压力拟输入。

8）得出该企业全厂风压平衡计算数据，如图1所示。

由图1可知，该企业各节点位置负压最小值为－350Pa，处于微负压状态，满足设计要求。此外，建议在废气输送管道与车间各支管节点位置设置压力检测点，远传操作界面，实时监控，确保废气输送管道与车间支管节点位置负压，避免各节点位置泄漏、串气。

1.5废气输送管道阻火器和压力泄放设置

通过对江苏多家医药化工企业RTO炉的安全事故调查分析，发现废气输送管道是目前发生爆炸事故的重灾区，因此，各生产车间出口管道上建议设置阻火器，避免爆炸事故扩散到各生产车间，并在废气输送管道的关键位置设置泄爆口，保证整个系统能够及时、有效的泄爆。依据《石油化工企业设计防火规范》要求，RTO属于明火设备，如RTO系统回火，会引发废气输送管道起火或爆炸等安全事故，因此，废气输送管道与RTO系统主体对接位置需设置阻火器，防止并阻断RTO系统回火。

2、RTO系统主体设计

此外，精细化工的RTO焚烧系统区别喷涂机印刷行业，精细化工行业的废气特点及处理难度均比这几个行业复杂/难得多，RTO系统主体设计应更加注意如下5点。

2.1、RTO设备材质选型

精细化工行业废气中常含有卤代烃、无机氯离子、硫、氮等元素，燃烧过程中会有氯化物、硫化物等腐蚀性较强的物质产生，因此，RTO设备材质选型应结合企业废气性质考虑，否则RTO设备各结构件极易腐蚀损坏，存在RTO设备变形、坍塌、废气泄漏等安全风险。

2.2、RTO炉体内部清洗设置

调研过江苏多家医药化工企业RTO炉，发现大部分企业RTO炉在运行一段时间后，蓄热床层底部有二次污染物大量积聚（如上图）、黏附现象，易造成蓄热床层底部堵塞，引发火灾等安全事故。以江苏盐城某医药企业为例，经过取样试验分析发现，该二次污染物具有以下特性：

1）良好的水溶性，同时易溶于乙醇；

2）滴加碱液后有明显有机胺异味；

3）马沸炉中加热至250℃后发生升华现象，直接在炉壁结晶，加热至300℃发生不完全燃烧；

4）水溶液COD高达数万mg/L，且水溶液含有大量氯离子。综上所述初步预计为三乙胺盐酸盐，针对该类企业，RTO蓄热床层底部建议增设清洗装置，对底部蓄热陶瓷体定期清洗，避免有机物黏附现象的产生。

2.3、RTO炉体压力泄放设计

RTO炉蓄热床层堵塞或某一时间段废气浓度骤升时，RTO燃烧室存在超压的风险，因此，RTO燃烧室上应设置泄压阀，并在RTO进出口管路设置压差检测装置，根据现场实际情况设置压差参数，与RTO控制程序联锁，当进出口管路的压力差值大于设定值时，及时打开泄压阀泄压。

2.4、LEL在线监测设置

RTO系统上应设置LEL在线监测，用于实时监测待净化废气浓度值，当废气浓度瞬时值超过设定安全值后，采取稀释、走旁通等应对措施，避免高浓度废气直接进入RTO炉体从而引发安全事故。LEL在线监测的安装位置和选型应从时效性、准确性等方面考虑，确保RTO系统能够及时、有效的做出应对措施，一般医药企业废气总管混合废气浓度波动性大，比如某时刻该时间段混合废气浓度峰值在爆炸下限的27.3%，超过爆炸下限的25%，因RTO系统响应及时，避免了安全事故的发生。