楊文平，許景寒

（1.湖北省化學(xué)工業(yè)研究設(shè)計(jì)院，湖北武漢 430073；2.湖北省緣達(dá)化工工程有限公司，湖北武漢 430073）

前言

隨著國家對(duì)環(huán)保、安全的日益重視，蓄熱式燃燒裝置（以下簡(jiǎn)稱RTO裝置）作為一種能夠有效處理VOCs廢氣的手段，在精細(xì)化工建設(shè)項(xiàng)目中得到了較多的應(yīng)用。近年來，筆者接觸的化工項(xiàng)目尤其是一些大中型精細(xì)化工項(xiàng)目更多選擇RTO用于VOCs廢氣治理。關(guān)于RTO裝置的安全事故近年來也常見于各種報(bào)道。造成事故的原因是多方面的，根據(jù)總結(jié)可知，主要存在以下幾個(gè)方面的問題。

1）部分企業(yè)RTO裝置未經(jīng)正規(guī)設(shè)計(jì)，未嚴(yán)格履行“安全三同時(shí)”手續(xù)。部分企業(yè)直接委托不具備設(shè)計(jì)資質(zhì)的第三方RTO裝置生產(chǎn)廠家進(jìn)行設(shè)計(jì)、安裝，未與主體工程同時(shí)設(shè)計(jì)。這樣造成的后果是一方面可能導(dǎo)致企業(yè)的相關(guān)裝置不合法，另一方面導(dǎo)致設(shè)計(jì)的安全措施不完善。如有的RTO裝置廠家考慮管道防腐而使用玻璃鋼、PP、PE管材輸送廢氣，未控制氣體流速，管道內(nèi)會(huì)有靜電產(chǎn)生，如靜電大量積聚放電；當(dāng)可燃?xì)怏w濃度一旦位于爆炸極限范圍，則會(huì)引發(fā)爆炸等安全事故。

2）部分企業(yè)無完整的工藝包，提供的廢氣流量、成分等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不全面。通常精細(xì)化工項(xiàng)目廢氣含有易燃易爆成分，如無準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)上遺漏，造成混合氣體的爆炸極限計(jì)算錯(cuò)誤，為裝置運(yùn)行埋下隱患。曾有報(bào)道企業(yè)因?yàn)樘峁┑膹U氣成分遺漏二甲胺，導(dǎo)致運(yùn)行過程中達(dá)到爆炸極限，由靜電造成了爆炸事故。

3）部分企業(yè)RTO裝置雖然經(jīng)過正規(guī)設(shè)計(jì)，但是由于該裝置屬于生產(chǎn)配套設(shè)施，設(shè)計(jì)單位及企業(yè)在設(shè)計(jì)過程中不夠重視，未對(duì)其進(jìn)行全面細(xì)致的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，導(dǎo)致安全設(shè)計(jì)有缺陷。如有的設(shè)計(jì)單位在進(jìn)RTO總管上設(shè)有可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)儀并與緊急旁通排放聯(lián)鎖，但可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)器設(shè)計(jì)的位置不對(duì)，可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)器安裝位置距離RTO進(jìn)口僅有幾米，未考慮儀表檢測(cè)信號(hào)的檢測(cè)分析、反饋聯(lián)鎖動(dòng)作所需要的時(shí)間。這樣即使可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警聯(lián)鎖信號(hào)進(jìn)入RTO控制程序系統(tǒng)，由于反應(yīng)時(shí)間不足，也達(dá)不到保護(hù)作用。

針對(duì)RTO裝置存在的上述問題，本文以某精細(xì)化工項(xiàng)目為例，從設(shè)計(jì)條件入手，探討了設(shè)計(jì)思路，從總圖運(yùn)輸、工藝、管道、土建、給排水（消防）、電氣、自控等專業(yè)對(duì)RTO安全設(shè)計(jì)進(jìn)行了全面探討。

精細(xì)化工項(xiàng)目由于生產(chǎn)過程中涉及的原料、產(chǎn)品種類繁多，且生產(chǎn)大多數(shù)為間歇操作，導(dǎo)致其生產(chǎn)過程中 VOCs廢氣成分復(fù)雜、變化大，同時(shí)伴隨氣量的波動(dòng)。因此如何有效治理這些廢氣一直是行業(yè)的難題。

1 設(shè)計(jì)條件

企業(yè)提供的廢氣組成見表1。本項(xiàng)目計(jì)劃采用“預(yù)洗滌+RTO +洗滌工藝”，工藝流程如圖1所示。

圖1 RTO裝置工藝流程簡(jiǎn)圖

表1 廢氣組成匯總表

2 設(shè)計(jì)思路

RTO裝置作為精細(xì)化工項(xiàng)目配套設(shè)施，其安全設(shè)施需要與主體工程同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)施工、同時(shí)投入使用。為了使設(shè)計(jì)順利進(jìn)行，在設(shè)計(jì)之前需要確定RTO裝置的火災(zāi)危險(xiǎn)性類別、混合氣體的控制濃度P和可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)器的安裝距離L。

2.1 RTO裝置火災(zāi)危險(xiǎn)性類別的確定

根據(jù)表1可知，RTO裝置處理的VOCs廢氣都含有易燃易爆、有毒等介質(zhì)成分。由于直接送其去燃燒，對(duì)照《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50016—2014）（2018版）中的表3.1.1“生產(chǎn)的火災(zāi)危險(xiǎn)性分類”可知，本裝置符合其中火災(zāi)危險(xiǎn)性丁類的第二條特征：“利用氣體、液體、固體作為燃料或?qū)怏w、液體進(jìn)行燃燒作其他用的各種生產(chǎn)”[1]。由此可知 RTO裝置的火災(zāi)危險(xiǎn)性類別可以定為丁類。

另外根據(jù)GB 50016—2014第3.1.2條可知，當(dāng)生產(chǎn)中使用的易燃易爆介質(zhì)含量較少時(shí)，可按危險(xiǎn)度較低的確定裝置的火災(zāi)危險(xiǎn)性類別。對(duì)于甲類可燃?xì)怏w，裝置中總量不超過25 m3(標(biāo))時(shí)可以按危險(xiǎn)度較低的介質(zhì)確定火災(zāi)類別。本項(xiàng)目RTO裝置無廢氣存儲(chǔ)設(shè)施，廢氣僅存在于管道及洗滌設(shè)備中，裝置內(nèi)可燃?xì)怏w在線總量不超過5 m3(標(biāo))，低于25 m3(標(biāo))。除可燃?xì)怏w外，裝置存在的洗滌水溶液、堿液的火災(zāi)危險(xiǎn)性類別均為丁、戊類。因此根據(jù)此條文，RTO裝置火災(zāi)危險(xiǎn)性也可以定為丁類。

顯然，根據(jù)上述兩個(gè)角度的論證，RTO裝置火災(zāi)危險(xiǎn)性類別定為丁類是準(zhǔn)確的。

2.2 混合氣體控制濃度P的確定

可燃的蒸氣（氣體）與空氣（氧氣）形成的混合物，遇點(diǎn)火源即能發(fā)生爆炸的最低濃度，稱之為爆炸下限，英文全稱為（lower explosion limit,LEL）。可燃?xì)怏w檢測(cè)器的主要作用就是在達(dá)到爆炸下限濃度之前進(jìn)行聲光報(bào)警，然后聯(lián)鎖相關(guān)的閥門或執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，提前進(jìn)行干預(yù)，從而保證裝置的運(yùn)行安全。由于可燃?xì)怏w的爆炸下限濃度與氣體的溫度有關(guān)，當(dāng)溫度升高時(shí)，可燃?xì)怏w爆炸下限濃度一般會(huì)下降[2]。為了確保RTO裝置的安全運(yùn)行，一般工程設(shè)計(jì)都參照《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）中第4.3條的要求將VOCs廢氣的濃度控制在對(duì)應(yīng)的混合氣體爆炸極限的25%以下[3]。

根據(jù)表1可知，本項(xiàng)目混合氣體含有惰性氣體和氧氣。通常對(duì)于含惰性氣體的混合氣的爆炸下限采用Lechteilier法則進(jìn)行計(jì)算。此公式計(jì)算同時(shí)含有氧氣、氮?dú)獾幕旌蠚怏w的爆炸極限較為復(fù)雜。這類混合氣體爆炸極限的計(jì)算需要分為三步：① 將氧氣和氮?dú)獍纯諝獾慕M成抽出，重新計(jì)算各氣體組分的百分含量；②計(jì)算僅含惰性氣體無空氣的混合氣體爆炸極限； ③按上述②的計(jì)算結(jié)果及上述①的計(jì)算中折合的空氣含量，計(jì)算出可燃?xì)怏w混合物的爆炸極限[4]。使用該方法計(jì)算時(shí)需要查氣體爆炸極限圖，過程復(fù)雜，一些數(shù)據(jù)不容易獲得，且準(zhǔn)確性一般。

本項(xiàng)目廢氣的控制濃度可按照《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）中第4.5條規(guī)定：“對(duì)于含有混合有機(jī)物的廢氣，其控制濃度P應(yīng)低于最易爆組分或混合氣體爆炸極限下限最低值的25%，即P＜min(Pe,Pm)×25%，Pe為最易爆組分爆炸極限下限（%），Pm為混合氣體爆炸極限下限[3]。”惰性氣體會(huì)對(duì)可燃?xì)怏w的爆炸極限有抑制作用，而且隨著惰性氣體濃度的提高，混合氣體的爆炸極限范圍不斷變窄[5]。含有的惰性氣體的混合氣體的爆炸下限高于該混合氣體中爆炸下限最低的那一個(gè)組分，因此從工程設(shè)計(jì)角度，可以選用最易爆組分的爆炸下限來計(jì)算控制濃度P。最易爆介質(zhì)是指爆炸下限最低的介質(zhì)。根據(jù)表1可知，甲苯的爆炸下限最低，因此選用該介質(zhì)的爆炸下限來計(jì)算控制濃度P。由于25%Pe=0.25×1.1=0.275，因此本項(xiàng)目設(shè)計(jì)選取的混合氣體的控制濃度為0.23倍的甲苯爆炸下限濃度。

2.3 可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)器安裝距離L的確定

目前所有的RTO裝置進(jìn)氣管線上均設(shè)置兩級(jí)可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)器，用來檢測(cè)氣體濃度防止進(jìn)入RTO爐子的氣體在爆炸極限范圍發(fā)生爆炸。因此合理確定可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)器的安裝位置就很有必要?？紤]儀表檢測(cè)、信號(hào)傳輸、反饋閥門動(dòng)作均需要時(shí)間，在設(shè)計(jì)中可采用下列方法計(jì)算：

式中：L為管道距離RTO進(jìn)口的距離，m；u為氣體流速，m/s；t1為儀表檢測(cè)時(shí)間，s；t2為信號(hào)傳輸時(shí)間，s；t3為閥門動(dòng)作時(shí)間，s；1.5為安全系數(shù)。

根據(jù)《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的廢氣流速u為10m/s，根據(jù)儀表選型（儀表的種類）t1為3s，t2為1s，t3為3s。因此安裝距離L=10×（3+1+3）×1.5=105 m。

因此本項(xiàng)目可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)器安裝距離不低于105 m。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 總圖運(yùn)輸

RTO裝置處理的VOCs廢氣一般都含有易燃易爆、有毒等介質(zhì)成分，一旦發(fā)生事故泄漏就可能發(fā)生中毒、火災(zāi)甚至爆炸等風(fēng)險(xiǎn)。因此在進(jìn)行總平面布置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分結(jié)合地形、風(fēng)險(xiǎn)及相鄰企業(yè)等條件進(jìn)行合理布置。RTO裝置應(yīng)露天或半露天布置，且應(yīng)布置在人員集中場(chǎng)所的全年最小頻率風(fēng)向的上風(fēng)側(cè)[6]。RTO裝置的火災(zāi)危險(xiǎn)性類別為丁類，其與周圍設(shè)施應(yīng)按照明火地點(diǎn)設(shè)計(jì)防火間距，與甲、乙、丙類設(shè)施的防火間距分別為30 m、25 m、20 m。

3.2 工藝

各車間廢氣進(jìn)總管前須設(shè)置預(yù)處理裝置，降低廢氣的腐蝕性，減少系統(tǒng)因腐蝕等造成泄漏進(jìn)而造成安全風(fēng)險(xiǎn)。

各車間送風(fēng)機(jī)選用變頻風(fēng)機(jī)，并與廢氣系統(tǒng)壓力聯(lián)鎖，確保廢氣壓力相對(duì)穩(wěn)定。

RTO裝置的相關(guān)設(shè)備及其基礎(chǔ)、工藝管道及其支吊架設(shè)計(jì)上采用碳鋼和鋼襯塑等不燃燒材料。

RTO 裝置周圍設(shè)置一圈環(huán)溝及事故圍堰，圍堰寬度200 mm，高度不低于150 mm，環(huán)溝位于圍堰內(nèi)部，寬度不低于300 mm。

治理工程的處理能力應(yīng)根據(jù)VOCs處理量確定，設(shè)計(jì)風(fēng)量應(yīng)按照最大廢氣排放量的105%以上進(jìn)行設(shè)計(jì)[3]。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)風(fēng)量為42 000 m3/h。

本項(xiàng)目設(shè)置有兩個(gè)獨(dú)立的煙囪，分別用于正常生產(chǎn)過程和緊急狀態(tài)下的排放，緊急排放與高溫排空管道煙囪分開。嚴(yán)格控制RTO裝置燃燒爐入口處理廢氣濃度和流速，通過設(shè)置緩沖罐、調(diào)整風(fēng)量等預(yù)處理設(shè)施，保證整體的相對(duì)平穩(wěn)、安全運(yùn)行。

3.3 管道

RTO裝置的廢氣管道設(shè)計(jì)有防回火設(shè)施。在車間之間、支管與總管之間，燃?xì)?、廢氣及氮?dú)夤艿琅cRTO進(jìn)口連接處等區(qū)域部位，設(shè)計(jì)了具有防止回火的止逆閥、阻火器等安全設(shè)施。

RTO裝置管道在布置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使管道鋪設(shè)具有一定的坡度；應(yīng)并在管道低點(diǎn)設(shè)置排凝點(diǎn)，定期排凝，避免管道內(nèi)產(chǎn)生積液，以防高溫情況下積液揮發(fā)引發(fā)VOCs濃度超爆炸下限，引起爆炸等安全事故；在RTO 裝置前端和廢氣收集端設(shè)置阻火器，廢氣管道每隔一定距離必須設(shè)置爆破片，爆破片的爆破壓力不超過管道設(shè)計(jì)壓力的70%。

RTO裝置進(jìn)風(fēng)、排風(fēng)管道及風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)選用了導(dǎo)電材料，采取法蘭跨接等靜電接地措施，防止靜電產(chǎn)生和積聚。位于爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的所有管道均應(yīng)進(jìn)行靜電接地。

3.4 自控

將可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)器分析信號(hào)、燃料油（氣）壓力信號(hào)、壓縮空氣壓力信號(hào)接入RTO的程序控制系統(tǒng)，并正常投用相關(guān)邏輯；完善各程序控制閥門的程序控制的電、氣信號(hào)，并嚴(yán)格控制可燃?xì)怏w濃度為最易爆組分爆炸極限下限值的0.23，一旦超過設(shè)定值聯(lián)鎖緊急開啟空氣強(qiáng)制稀釋或開啟旁路直接高空排放。

用熱值較低的氣體作為標(biāo)準(zhǔn)氣體來標(biāo)定，讓儀表顯示偏高，提前聯(lián)鎖保證RTO的安全。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)兩級(jí)氣體濃度探測(cè)器，第一級(jí)探測(cè)器距離RTO爐子進(jìn)口距離為110 m，第二級(jí)探測(cè)器距離爐子進(jìn)口距離120 m。

根據(jù)HAZOP分析與LOPA 分析結(jié)果，RTO裝置進(jìn)氣濃度檢測(cè)器高高限聯(lián)鎖關(guān)閉進(jìn)氣管道閥門，開啟旁路放空閥門的控制回路，按安全儀表等級(jí)SIL2設(shè)計(jì)了SIS系統(tǒng)。

RTO裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用UPS作為備用電源。設(shè)計(jì)采用5 m3的壓縮空氣儲(chǔ)氣罐供儀表用氣，能夠在停電或停氣時(shí)可使系統(tǒng)至少維持30 min的運(yùn)行，使系統(tǒng)安全停車。

3.5 電氣

RTO裝置爐子本體屬于明火裝置，其附近可以不劃為爆炸危險(xiǎn)區(qū)域[7]。兩級(jí)洗滌塔、緊急活性炭箱、尾氣風(fēng)機(jī)等可以劃為爆炸危險(xiǎn)2區(qū)。在爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的用電設(shè)備全部選用防爆電氣，型號(hào)：ExdbIIBT4Gb 。

RTO裝置的助燃風(fēng)機(jī)、尾氣風(fēng)機(jī)等電氣設(shè)備應(yīng)進(jìn)行靜電接地，且同一設(shè)備不少于兩處接地點(diǎn)。

根據(jù)《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50052—2009）中關(guān)于用電負(fù)荷等級(jí)的分級(jí)，RTO裝置用電設(shè)備的電氣負(fù)荷等級(jí)按一級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目由園區(qū)電網(wǎng)接入兩路10 kV電源，總裝機(jī)容量約9 000 kW，擬設(shè)置2 500 kVA、2 000 kVA變壓器各2臺(tái)；采用雙線高供高計(jì)，能夠滿足 RTO裝置一級(jí)負(fù)荷用電需求，雙電源設(shè)計(jì)有自動(dòng)切換設(shè)施并保證用電設(shè)備具有24 h 連續(xù)工作的能力。

3.6 土建

RTO 裝置含有較多的大型設(shè)備如RTO爐及煙囪等，設(shè)備基礎(chǔ)應(yīng)根據(jù)地勘報(bào)告進(jìn)行正規(guī)設(shè)計(jì)。RTO裝置抗震設(shè)防類別按乙類（重點(diǎn)設(shè)防類）進(jìn)行設(shè)計(jì)。其部分平臺(tái)、扶梯等為鋼結(jié)構(gòu)，由于廢氣本身具有一定的腐蝕性且含有易燃易爆成分，因此相關(guān)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行防腐和防火設(shè)計(jì)。耐火等級(jí)為二級(jí)，鋼柱耐火時(shí)間不低于2.5 h，鋼梁耐火時(shí)間不低于1.5 h，樓板耐火時(shí)間不低于1.0 h。

3.7 給排水（消防）

根據(jù)《建筑滅火器配置設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，RTO裝置區(qū)應(yīng)設(shè)置一定數(shù)量的滅火器，滅火器配置場(chǎng)所的危險(xiǎn)等級(jí)按輕危險(xiǎn)級(jí)[8]。滅火器應(yīng)設(shè)置在樓梯間、過道、休息平臺(tái)等便于取用的位置，室外場(chǎng)所滅火器應(yīng)設(shè)置在滅火器箱內(nèi)并設(shè)置明顯的標(biāo)識(shí)。

4 結(jié)語

1）本文首次明確了RTO裝置的火災(zāi)危險(xiǎn)性為丁類，為總平面布置圖的設(shè)計(jì)提供了明確的依據(jù)。給出了混合氣體控制濃度P和可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)器安裝距離L的計(jì)算方法。P和L的準(zhǔn)確計(jì)算，為RTO裝置的安全設(shè)計(jì)提供了依據(jù)與支撐，對(duì)類似精細(xì)化工項(xiàng)目設(shè)計(jì)有一定的參考和借鑒作用。

2）只有對(duì)RTO裝置從總圖運(yùn)輸、工藝、管道、電氣、自控、土建、給排水（消防）等方面進(jìn)行專業(yè)、全面的安全設(shè)計(jì)，才能夠從源頭上預(yù)防和減少安全事故，降低事故產(chǎn)生的后果，提升RTO裝置的本質(zhì)安全水平。該項(xiàng)目自設(shè)計(jì)完成投用至今已連續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行三年，未出現(xiàn)安全事故。