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    VOCs廢氣燃燒過程升溫和爆炸下限

    燃燒技術是當下處理VOCs的主流技術,其中包含催化燃燒、熱力燃燒、蓄熱催化燃燒、蓄熱熱力燃燒、濃縮催化燃燒等。燃燒技術的基理是VOCs在高溫下發生氧化反應,氧化反應的本質就是燃燒反應,是一種放熱反應,VOCs在燃燒過程的放熱量與VOCs的種類和濃度有關。因而,從安全方面考慮,VOCs燃燒的安全使用濃度顯得尤為重要。了解VOCs燃燒過程的溫升和可燃氣體爆炸下限,有利于提高RTO、RCO設備技術的安全性能。

    1、VOCs的爆炸下限是什么?

    可燃氣體在空氣中遇明火火種爆炸的最低濃度,稱之為爆炸下限,亦稱燃燒下限,英文名稱Lower Explosion Limited,即%LEL??諝庵锌扇細怏w濃度達到其爆炸下限值時,這個場所可燃氣環境爆炸危險度就達到了百分之百,即100%LEL;如果可燃氣體含量只達到其爆炸下限的百分之十,那這個場所此時的可燃氣環境爆炸危險度為10%LEL。

    下表是常見VOCs在標準狀態下爆炸下限值。為了確保VOCs處理設備的安全運行,VOCs廢氣的濃度必須控制在對應有機物爆炸極限的25%以下。

    為什么要控制在25%LEL以下呢?首先,可燃氣體的爆炸下限濃度與可燃氣體的初始溫度有關:以正己烷為例,下圖是溫度對于正己烷爆炸下限濃度的影響(姚潔等,工業安全與環保,2012,38(2):48),可見當可燃氣體初始溫度提高,相應爆炸下限濃度下降。

     

    當氣體溫度達到600K(327°C)時,爆炸下限濃度達到室溫的75%,所以提高溫度會導致爆炸下限濃度明顯下降。而且實際工況中大多數是混合VOCs,混合VOCs的爆炸下限濃度具有不確定性。所以,實際操作中要控制在LEL濃度的25%內。

    2、VOCs燃燒過程中的絕熱溫升

    什么是絕熱溫升?絕熱溫升指放熱反應物完全轉化時所放出的熱量可以使物料升高的溫度。其表達式為:

     

    式中分子為反應熱(J/mol)與物料摩爾濃度(mol/L)的乘積;分母為物料平均密度(kg/L)與物料平均比熱容(J/kg*K)的乘積。

    VOCs的燃燒過程是強放熱反應,因放熱使得氣體溫度的升高。下表是幾種常見VOCs濃度1000mg/m3時完全燃燒的絕熱溫升。

     

    如果采用催化燃燒技術處理VOCs,在設備和催化正常的情況下,催化反應前后氣體溫度的變化(溫升)則反映了VOCs的濃度變化。如1000mg/m3甲苯完全燃燒的絕熱溫升為31.95°C,如在實際使用過程中,溫升達到320°C,那就說明甲苯濃度大約達到了10000mg/m3,此時已經非常接近甲苯的25%LEL值,已經是非常不安全了,必須及時降低甲苯濃度。

    在活性炭濃縮-催化燃燒系統中,在活性炭脫附過程,可以通過VOCs催化劑床層的溫升,來檢測VOCs濃度的變化,很多可燃氣體濃度報警器就是利用這一原理。

    3、VOCs設備的防爆注意點

    1、處理裝置設計和采用的電器元件必須按照規范要求符合防爆等級

    2、設備布置要滿足安全距離的要求

    3、與氣體接觸的自動控制閥必須使用氣動閥

    4、必須選用防爆風機

    5、在所有處理系統中必須在適當位置安裝符合國家標準的阻火器

    6、在處理裝置中的敏感部位(超溫、超壓等)要按照規范設置報警裝置及應急處理措施

    7、為確保運行安全,必要時可采用連鎖設計

    8、要考慮現場整體的安全、環境應急預案

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