蓄熱式氧化爐入口廢氣濃度檢測與安全緩沖設計

作者簡介：宋彬（1980-），高級工程師，從事化工工藝設計、智能工廠的建設和研究，Songbin277@163.com。

引用本文：宋彬.蓄熱式氧化爐入口廢氣濃度檢測與安全緩沖設計［J］.化工自動化及儀表，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種在線可燃氣體檢測儀表。通過分析各在線儀表的原理和特點，闡述了選型過程需要考慮的主要因素。采用設計實例，簡述了RTO系統中在線可燃氣體檢測儀與RTO入口緊急切斷閥之間的安全緩沖設施設計要點。結論是，入口廢氣安全緩沖設施設計應從分析儀表的類型、儀表測量偏離、檢測與安全元件的響應時間、安全控制系統的設定值及裝置占地等多個技術角度綜合考慮。

關鍵詞 可燃氣體濃度檢測儀 在線LEL檢測 安全緩沖設施 蓄熱式氧化爐

中圖分類號 TP216? ? 文獻標志碼 B? ?文章編號 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氣體組分工藝廢氣的常用設備。工藝廢氣在RTO的蓄熱室和燃燒室內受熱分解，若進入室內的廢氣濃度高于其爆炸下限（Lower Explosive Limit，LEL），則RTO內部會發生爆炸，造成嚴重的安全隱患，因此近年來對RTO的安全設計引起了高度關注。

在工程實踐中，選擇合適的可燃氣體濃度檢測儀，確定系統響應時間和設置安全的緩沖設施是解決RTO入口廢氣濃度超標引發爆炸的主要措施。

1 RTO流程與安全設計要求

典型的RTO工藝流程如圖1所示。來自工藝裝置的工藝廢氣，經前處理系統處理后采用可燃氣體濃度檢測儀進行分析，若氣體爆炸下限在允許范圍內，氣體將被風機送至RTO內受熱處理。處理后的氣體經后處理系統處理至達標后通過排氣筒排放至大氣。若氣體爆炸下限超過允許值，則RTO前的緊急切斷閥關閉，廢氣將送至緊急排放設施處理。工藝流程中分析儀和安全元件動作均需要足夠的響應時間，因此可利用可燃氣體濃度檢測儀與緊急切斷閥之間的空間加以緩沖。

HJ 1093—2020《蓄熱燃燒法工業有機廢氣治理工程技術規范》、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》均對氧化爐入口廢氣濃度做了相應規定，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）。

對于含有惰性氣體的可燃性氣體混合物，其爆炸下限L計算式如下：

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——氣體混合物中惰性組分的體積分

數，%。

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，故壓力對爆炸下限的影響較小，可以忽略不計［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 ℃時氣體的爆炸下限，%；

L——氣體在期望溫度T下的爆炸下限，%。

因濃度允許限值是爆炸下限的百分數，為了設計方便，氣體濃度可用相對爆炸下限的百分數表示，例如在線濃度分析儀表的測量值或讀數可表示為：

V=（L/L）×100%? ? （3）

式中 L——氣體爆炸下限的分析儀測量值，%；

L——氣體爆炸下限的真實值，%；

V——分析儀表的測量值占爆炸下限真

實值的百分數，%LEL。

3 在線可燃氣體濃度檢測儀選型

3.1 在線檢測儀種類與原理

可用于RTO工藝安全控制的在線可燃氣體濃度檢測儀有紅外光譜分析儀、氫火焰離子化檢測器（Flame Ionization Detector，FID）和氫火焰溫度分析儀（Flame Temperature Analysis，FTA）［3］。其中，紅外光譜分析儀和FID檢測器是間接測量氣體爆炸下限的儀表，需要測量出廢氣中的可燃氣體組分，然后根據式（1）計算得到爆炸下限；FTA分析儀是直接測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一個定長容器后，檢測紅外線輻射強度，根據特征吸收波長，確定廢氣中的有機物組分，然后根據朗伯-比爾吸收定律獲得濃度，經過計算得到廢氣爆炸下限。

FID檢測器的工作原理則是通過測量電流強度的方法檢測有機物濃度。其原理是燃燒待檢廢氣，碳氫化合物在火焰中產生CH自由基，隨后與O和HO發生相關反應生成CHO、HO和電子，在電場的作用下產生電流。以乙烯為例，其反應過程如下：

CH2CH

2CH+O2CHO+2e

2CHO+2HO2HO+2CO

離子通過電場時所產生的電流的強弱可以表征有機物的種類和濃度。電離產生的電流越大，有機物濃度越高。根據有機物濃度即可計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生的熱量與其爆炸下限之間的關系測定爆炸下限。在精確控制的背景燃燒條件下通入待測廢氣，采用熱電偶測量燃燒產生的溫升，將該溫升與已知LEL濃度參比標氣的溫升進行比較，即可得到廢氣爆炸下限。

3.2 在線檢測儀選型

從技術角度考慮，選擇在線可燃物濃度檢測儀的關鍵因素是組分響應、測量讀數偏離和響應時間。

3.2.1 組分響應

分析儀表的組分響應與其工作原理有關。

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

FID檢測器對大部分碳氫化合物的響應靈敏度較高，但對于工藝裝置中常見的一些可燃氣體組分（如甲醛和甲酸）響應則較小，無法測定。此外，若廢氣中含有NH、CO等組分，同樣無法檢出，需另配其他檢測器。

FTA分析儀用燃燒溫度變化測量氣體的LEL，所以廢氣中的可燃物種類不會對檢測產生影響。

3.2.2 測量讀數偏離

3.2.2.1 紅外光譜分析儀的測量干擾與偏離

紅外光譜分析儀的干擾來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，部分能量會被干擾組分吸收，影響檢測結果，如CO、CO等，如圖2所示。此外，由于H2O的紅外吸收頻帶較寬，會對廢氣中的多種組分產生干擾，因此該干擾只能通過數據處理進行修正。

3.2.2.2 FID檢測器的測量干擾與偏離

FID檢測器的測量干擾與CHO的產生效率有關。廢氣的某些組分（如羥基（—OH）、羰基（CO））會改變CHO的產生效率［6］，造成FID測量偏差，有的甚至無法檢出。從圖3常見物質的相對質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檢測器是間接測量儀表，在實際應用中，還需要考慮額外的系統偏離與誤差：其一，需確定廢氣中惰性組分的組成，且其含量需穩定；其二，需實時監測廢氣的溫度等參數，以便對計算結果進行補償。故這兩種儀表的偏離值為：

σ=σ+σ? ? ? （4）

其中，σ為分析儀表測量值與真實值的總偏差，σ為分析儀的固有偏差，σ為廢氣自身狀態波動造成的附加偏差。

3.2.2.3 FTA分析儀的測量干擾與偏離

FTA分析儀測量干擾的來源：

a. 可燃組分的響應因子。響應因子表示可燃組分的測量讀數與參比標定值之間的偏離，響應因子高于1.0表示其讀數高于真實值；反之，則低于真實值。如果廢氣組分較多，需要評估其綜合影響因子，并采用適當的標定措施減少其影響。

b. 惰性組分的影響。FTA分析儀的參比標定氣是用特定氣體與空氣的混合物進行LEL標定的，如果待測廢氣的背景與參比標定氣有差異，則會影響其讀數。

廢氣燃燒產生熱量的測量精度會影響FTA分析儀的讀數，如果廢氣中含有過多的HO、N、CO等惰性組分，則HO會吸收一部分熱量，造成讀數低于真實值。而N、CO等惰性氣體則會對可燃組分燃燒有冷卻、稀釋及抑制作用［7］，也會造成讀數偏低。

此外，惰性氣體含量升高伴隨著氧含量降低，氧含量的減少會造成儀表讀數高于真實數據。如果氧含量低于12%，則需要補充氧氣，或安裝氧分析儀進行補償。

FTA分析儀的偏離值為：

σ=σ=σ+σ? ? （5）

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

文獻［8］列舉了部分常見可燃氣體在FTA分析儀與其他分析儀表上的響應差異。

綜上所述，分析儀表濃度測量值還可以校正為：

V=V±σ? ? （6）

式中 V——分析儀表讀數的校正值，%LEL。

3.2.3 在線檢測儀的系統響應時間

在線可燃氣體濃度檢測儀的系統響應時間（t90）是指樣品自系統取樣點濃度階躍到儀表的指示并達到兩個穩定值之差的90%所經歷的時間。系統響應時間包括兩部分：樣品傳輸滯后時間和儀表分析時間。

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

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

綜上，RTO入口廢氣在線分析儀表的選擇要點匯總于表2。

4 安全緩沖設施的設計計算

在線分析儀表檢測和緊急切斷閥閥門動作所需的總響應時間，即系統需要的最低緩沖時間，它由廢氣在可燃氣體濃度檢測儀與緊急切斷閥之間管段（即緩沖段）的流經時間確定。

系統所需的總響應時間計算式如下：

t=t′+t+t? ? ?（7）

式中 t′——在線分析儀表系統響應時間；

t——SIS響應時間；

t——緊急切斷閥關閉時間。

其中，FID檢測器的總響應時間為t與附加響應時間之和；FTA分析儀的總響應時間為t。

廢氣在緩沖段的流經時間t′不得小于所需的系統總響應時間t，否則，需要設計安全緩沖設施增加空間流經時間，即：

t′=t+t≥t? ? ?（8）

其中，t為廢氣在管線內的流經時間，t為廢氣在特定緩沖設施內的流經時間。

安全緩沖設施設計主要是設置大尺寸管道或增加緩沖罐，其作用是延長流經時間，具體的工藝設計方案如圖4所示。

5 應用實例

某化工裝置RTO入口廢氣含多種可燃氣體組分和N、HO、CO等惰性組分，RTO入口廢氣管道設置在線可燃氣體濃度檢測儀，備選類型為FID和FTA。在線儀表下游安裝緊急切斷閥。需設計相應的緩沖設施及選定安全控制設定值。經相關計算和咨詢儀表供應商后，設計的兩種檢測方案及其設計結果匯總于表3。綜合考慮工藝廢氣組分操作彈性、占地面積及緩沖設施成本等多方因素，確定選用方案2：選擇FTA分析儀測量入口廢氣爆炸下限；FTA分析儀濃度最高讀數為17.71%，系統設計報警值為18.5%，系統設計緊急切斷設定值為20.71%；系統設計緩沖時間為7.7 s；因項目占地有限，系統設置緩沖罐，容積為360 m3。

6 結束語

可燃氣體濃度檢測儀表的選擇對RTO的安全運行有重要影響，工程上通常采用的紅外光譜分析儀、FID檢測器和FTA分析儀各有優缺點。設計人員需要根據工藝廢氣的操作條件和分析儀的工作原理，合理判斷組分響應和分析儀讀數偏差，預估RTO系統的報警值和緊急切斷動作值，計算系統所需的總響應時間。經過科學分析，綜合考慮各種因素，擇優選擇分析儀表，合理設計安全緩沖設施。

參 考 文 獻

［1］ 中華人民共和國生態環境部.蓄熱燃燒法工業有機廢氣治理工程技術規范：HJ 1093—2020［S］.北京：中國環境科學出版社，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］ 中華人民共和國勞動部職業安全衛生與鍋爐壓力容器監察局.工業防爆實用技術手冊［M］.沈陽：遼寧科學技術出版社，1996：10-13.

［5］ 王森.在線分析儀器手冊［M］.1版.北京：化學工業出版社，2008.

［6］ 李澤，張興龍，吳若昕，等.不同類型有機化合物在氫火焰離子化檢測器中離子化效率的探討［C］//2014第三屆環渤海色譜質譜學術報告會論文集.2014：525-528.

［7］ 周寧，李海濤，任常興，等.氮氣、二氧化碳對液化石油氣的惰化抑爆研究［J］.消防科學與技術，2016，35（6）：733-737.

［8］ 沈惠明，楊小偉.在線可燃性氣體檢測系統的設計探討［J］.石油化工自動化，2018，54（z1）：9-11.

［9］ 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.在線分析儀器系統通用規范：GB/T 34042—2017［S］.北京：中國質檢出版社，2017.

（收稿日期：2023-02-16，修回日期：2024-01-15）