基于傳感器技術和水封效應協同的VOCs廢氣處理系統火災監測及阻隔裝置設計

徐厚友 胡晨煒 郭昆 王彪 喻青 段航

（中鋼集團武漢安全環保研究院有限公司，湖北武漢 430081）

0 引言

工業企業的廢氣成份比較復雜，一般為多組份混合氣體，通常為具有毒害性且伴有臭味的酸堿廢氣，此外，電鍍、線路板、表面處理等行業生產過程中還會產生具有易燃易爆性的揮發性有機物（VOCs）廢氣。廢氣處理不當不僅易對周邊環境造成污染，還可能會引發火災爆炸等嚴重的安全事故［1-2］。

VOCs 廢氣處理工藝主要有燃燒法、生物法、光催化法、光氧化法、吸收法、冷凝法、吸附法等，現階段多數電鍍、線路板、表面處理等行業企業采用的處理工藝為：先通過噴淋塔將廢氣進行濕式過濾，冷卻廢氣并去除廢氣中的顆粒物，再通過UV 光解設備利用高能UV紫外線光束對廢氣進行光解氧化作用，使氣體物質降解轉化成低分子化合物、水和二氧化碳，然后經過活性炭吸附箱利用活性炭的多孔結構將廢氣中的VOCs 捕獲，最后通過煙囪高空排放。此類VOCs 廢氣處理設施工程在設計施工時多以滿足環保要求為主，未充分考慮如何解決工藝自身、設備本身存在的安全風險隱患，VOCs廢氣處理設備在運行過程中的設備故障、企業生產作業過程中的工序操作失誤、設備缺陷等原因都容易引發車間和VOCs廢氣處理設施火災等安全事故。

VOCs廢氣處理設施發生火災時，在煙囪效應及抽風機的作用下，火焰極易沿輸送管道快速擴散，引燃其他設備設施，釀成嚴重后果。因此，如何從本質安全化的角度出發，預防和控制有機廢氣處理設施在運行過程中發生火災等事故，是當前本領域的研究重點?，F有技術手段主要是在管道上安裝燃氣阻火器或阻火閥門阻隔火勢蔓延［3-5］，但該技術手段存在兩方面的問題，一是燃氣阻火器的阻火層結構所形成的狹小孔隙，會導致管道中輸送的氣體阻力過大，且易吸附VOCs氣體中的微粒，堵塞阻火層孔隙，影響輸送效率；二是采用阻火閥門阻隔火勢時，因長期處于VOCs 氣體環境下，氣體中的微粒附著于閥門執行機構上發生化學物理變化，導致執行機構阻滯，失去阻火隔離功效，同時閥門的維護難度增加，維護工作量較大。

針對上述問題，筆者研究設計出基于傳感器技術和水封效應協同的VOCs 廢氣處理系統火災監測及阻隔裝置，通過傳感器技術采集VOCs 廢氣處理各工藝環節相關設備的關鍵參數，當監測到相關參數異常時，能夠及時在有人員值守的房間或控制室產生聲光報警信號，同時觸發相關設備的安全聯鎖，提醒相關人員及時介入處理；當監測到火災報警時，自動啟動水幕阻火隔離裝置，構筑有效阻火屏障，實現本安化控制。同時本裝置運行穩定，阻火隔離功效所需的系統設備維護工作量極小，能夠實現對VOCs廢氣火災事故的有效管控，提高VOCs廢氣處理設施的本質安全化程度，具有顯著的現實意義。

1 系統總體方案

系統由安全信息采集單元、遠程邏輯控制單元、水噴淋阻火一體化裝置單元3 個模塊單元組成，此外，設置多種類型的傳感器實時采集各生產設備的狀態參數，傳感器布置范圍可擴展至VOCs 廢氣輸送管道和處理設備、生產車間各廢氣收集區域，形成對VOCs 廢氣從產生至處理再到排放全過程的安全監控，以期能夠早期發現火災隱患并及時處理。水噴淋阻火一體化裝置與VOCs 廢氣輸送管道連接，內部布設水噴淋噴頭，產生的噴淋水幕形成水封效應［6-7］，能夠有效阻隔火災通過VOCs 廢氣輸送管道傳播蔓延，在高效阻火的同時亦確保管道VOCs 廢氣收集與輸送通暢，保障系統的運行穩定。

2 裝置結構單元

圖1 為VOCs 廢氣處理系統火災監測及阻隔系統結構示意圖，包括安全信息采集單元、遠程邏輯控制單元、水噴淋阻火一體化裝置單元。

圖1 VOCs 排放管道火災監測及阻隔系統結構示意

安全信息采集單元實時采集分析分布在VOCs廢氣處理設備各工藝環節的傳感器數據，獲取相關設備的運行狀態和運行關鍵參數信息，包括但不限于VOCs 廢氣收集端、UV 光解設備、活性炭吸附設備、主排放風機和管道、車間工藝設備等。遠程邏輯控制單元同安全信息采集單元相連接，提供生產設備安全聯鎖控制輸出、VOCs廢氣處理設備運行故障報警等功能。安全信息采集單元和遠程邏輯控制單元均配置圖形顯示器，能夠以圖形或數字方式實時顯示各設備的工作狀態和參數數值。

水噴淋阻火一體化裝置單元中，若干水幕噴頭安裝于VOCs 廢氣通風部件內壁，噴頭分別與給水管線連接構成水幕形成機構。給水管線通過集成在裝置上的管接頭與供水管道連接。在給水管線末端配置水壓表，用于監視末端水壓。水箱提供隔離水幕水源，通過增壓泵提升給水壓力，供水管道上安裝有電磁閥，遠程邏輯控制單元控制增壓泵及電磁閥的啟停與開閉。水噴淋阻火一體化裝置水幕形成機構示意圖見圖2。水噴淋阻火一體化裝置單元可包含多套水幕形成機構，設置位置可在生產車間與VOCs 廢氣處理設施之間、VOCs 廢氣處理設施各設備之間，安裝位置示意見圖3。

圖2 水幕形成機構示意

圖3 水幕形成機構安裝位置示意

3 系統工作過程

VOCs 廢氣處理系統發生較多的火災情形主要為：①車間設備火災通過VOCs 排放管道蔓延至VOCs 廢氣處理設施；②VOCs 廢氣處理設備自身因故障等原因發生火災，如UV 光解設備因線路短路、絕緣損壞、年久失修等發生電氣火災，活性炭吸附設備因活性炭長期未更換、高溫自燃等原因發生火災；③風機、光解、車間生產設備的啟停順序錯誤，產生VOCs 廢氣的生產設備啟動時廢氣處理設施前端還未通風，造成VOCs 廢氣聚集，遇激發源發生火災或燃爆。

針對上述火災情形①，本系統的工作過程為：車間生產設備發生火災，敷設在VOCs 廢氣處理設施前端管道內的線型火災溫度探測器達到報警閾值時，安全信息采集單元產生報警火災信號，遠程邏輯控制單元發出啟動信號，開啟水噴淋裝置的電磁閥和增壓泵，通過給水管道為水幕噴頭供水，VOCs 廢氣通風部件管道內隔離阻火水幕形成，防止火災蔓延至VOCs 廢氣處理設施，管道內積水則通過排水管道排放至水處理裝置。同時，遠程邏輯控制單元發出聲光報警信號，提示值守人員及時介入處理。

針對上述火災情形②，本系統的工作過程為：安全信息采集單元對UV 光解設備、活性炭吸附設備的實時狀態關鍵參數進行監測。其中，UV 光解設備包括箱內溫度、器件線纜溫度監測、回路電流監測、線路絕緣監測、故障電弧探測等，當所監測的參數超出預先設定的閾值時，遠程邏輯控制單元發出聲光報警信號，控制界面上提示報警部位引導值守人員及時介入處理，同時切斷供電電源以防止UV 光解設備發生電氣火災；活性炭吸附設備包括碳箱壓差監測、碳箱溫度監測、廢氣入口濕度監測等，當所監測的參數超出預先設定的閾值時，遠程邏輯控制單元發出聲光報警信號，同時在控制界面上提示報警部位引導值守人員及時介入處理。當UV 光解設備或活性炭吸附設備已經發生火災時，敷設在管道內的線型火災溫度探測器發出信號，火災信號通過安全信息采集單元傳輸至遠程邏輯控制單元控制噴頭開啟，在設備之間及設施整體與車間設備之間的管道中形成水幕，防止火災蔓延引燃其他設備設施。

針對上述火災情形③，本系統的工作原理為：通過安全信息采集單元判斷生產設備及VOCs 廢氣處理設備的工作狀態，進而依靠遠程邏輯控制單元控制各設備的啟動與關停。具體可分為VOCs 廢氣處理設備與生產設備投運聯鎖控制和VOCs 廢氣處理設備異常時的安全聯鎖控制。VOCs 廢氣處理設備與生產設備投運聯鎖控制：在生產設備投入運行之前或停機離崗過程中，按規范順序啟動或關停相關設備。在VOCs 廢氣處理設備啟動后，安全信息采集單元檢測到設備運行正常，解除生產設備啟動禁止聯鎖。生產設備的啟動可由監控系統自動啟動或由用戶手動啟動。當生產工藝環節停機，VOCs 廢氣處理設備將繼續延續工作20 ～30 min，人為關停離崗將出現報警。VOCs 廢氣處理設備異常時的安全聯鎖控制：生產過程中，安全信息采集單元監測到VOCs廢氣處理設備異常時，遠程邏輯控制單元發出VOCs廢氣處理設備故障報警，并遵循預先設置的生產設備退出規則發出生產設備聯鎖控制指令。

4 結論

本研究涉及可燃氣體管道火災阻隔技術領域，尤其涉及一種VOCs 廢氣處理系統火災監測及阻隔裝置。與現有技術相比，采用噴淋水幕形成的水封效應能有效阻隔管道火勢擴散，在氣體輸送通道上沒有任何機構或用于火焰阻隔的固態物料影響輸送效率；通過對VOCs 廢氣輸送管道及處理設備、生產車間各廢氣收集區域火災征兆延伸監測，能早期發現火災隱患和火災前兆信息，進行滅火，防患于未然，有效地抑制火災的蔓延。該系統在理論上存在可行性，且與現階段使用的燃氣阻火器或阻火閥門阻隔火勢蔓延相比安全性有明顯的提升，后期維護成本較低，減輕火災帶來的巨大經濟損失、人員傷亡與生態環境問題，對當前企業火災預警及防護工作具有重要意義。