時間:2021-09-27 13:56
來源:VOCs減排工作站
眾所周知,燃燒技術(shù)是當(dāng)下處理VOCs的主流技術(shù)之一,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(shù)的基理是VOCs在高溫下發(fā)生氧化反應(yīng),氧化反應(yīng)的本質(zhì)就是燃燒反應(yīng),是一種放熱反應(yīng),VOCs在燃燒過程的放熱量與VOCs的種類和濃度有關(guān)。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?xì)怏w爆炸下限,有利于提高RTO、RCO設(shè)備技術(shù)的安全性能。
1、VOCs的爆炸下限是什么?
可燃?xì)怏w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。空氣中可燃?xì)怏w濃度達到其爆炸下限值時,這個場所可燃?xì)猸h(huán)境爆炸危險度就達到了百分之百,即100%LEL;如果可燃?xì)怏w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?xì)猸h(huán)境爆炸危險度為10%LEL。
下表是常見VOCs在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下爆炸下限值。為了確保VOCs處理設(shè)備的安全運行,VOCs廢氣的濃度必須控制在對應(yīng)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?xì)怏w的爆炸下限濃度與可燃?xì)怏w的初始溫度有關(guān):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(yè)安全與環(huán)保,2012,38(2):48),可見當(dāng)可燃?xì)怏w初始溫度提高,相應(yīng)爆炸下限濃度下降。
當(dāng)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(dǎo)致爆炸下限濃度明顯下降。而且實際工況中大多數(shù)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(nèi)。
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(yīng)物完全轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng),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(shù)處理VOCs,在設(shè)備和催化正常的情況下,催化反應(yīng)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(jīng)非常接近甲苯的25%LEL值,已經(jīng)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(tǒng)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?xì)怏w濃度報警器就是利用這一原理。
3、VOCs設(shè)備的防爆注意點
1、處理裝置設(shè)計和采用的電器元件必須按照規(guī)范要求符合防爆等級
2、設(shè)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(fēng)機
5、在所有處理系統(tǒng)中必須在適當(dāng)位置安裝符合國家標(biāo)準(zhǔn)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(guī)范設(shè)置報警裝置及應(yīng)急處理措施
7、為確保運行安全,必要時可采用連鎖設(shè)計
8、要考慮現(xiàn)場整體的安全、環(huán)境應(yīng)急預(yù)案
4、VOCs的爆炸下限基本概念及求解案例
有機廢氣大多為易燃易爆物質(zhì),被處理的VOCs混合氣的爆炸性問題更是方案設(shè)計不可或缺的部分。
首先,分享幾個基本概念。
①閃點是指可燃?xì)怏w揮發(fā)出的蒸氣和空氣的混合物與火源接觸能夠閃燃的最低溫度。閃點越低,引發(fā)火災(zāi)事故的危險性越大。如常見的VOCs類汽油、苯、酒精等閃點在28℃以下,容易引發(fā)火災(zāi)事故。
②爆炸極限也稱爆炸濃度極限,是指可燃物質(zhì)(可燃?xì)怏w、蒸氣和粉塵)與空氣(或氧氣)必須在一定的濃度范圍內(nèi)均勻混合,形成預(yù)混氣,遇著火源才會發(fā)生爆炸,這個濃度范圍。
例如常見的VOC:苯,其與空氣混合的爆炸極限為1.5%~9.5%,前后兩個數(shù)字分別稱為爆炸下限和爆炸上限,這兩者有時亦稱為著火下限和著火上限。在低于爆炸下限時不爆炸也不著火;在高于爆炸上限時不會爆炸,但能燃燒。這是由于前者的可燃物濃度不夠,過量空氣的冷卻作用,阻止了火焰的蔓延;而后者則是空氣不足,導(dǎo)致火焰不能蔓延的緣故。常見物質(zhì)的爆炸極限如下,僅供參考:
附:混合氣體的爆炸極限計算(僅供參考)
公式為:Lm=1/(Y1/L1+Y2/L2+Y3/L3)
式中:
Lm——混合VOCs爆炸極限(%)
Y1、Y2、Y3——混合物中組成(%)
L1、L2、L3——混合氣體各組份相應(yīng)的爆炸極限(%)
例如:一天然氣組成如下:甲烷80%(L下=5.0%)、乙烷15%(L下=3.22%)、丙烷4%(L下=2.37%)、丁烷1%(L下=1.86%)
求該天然氣的爆炸下限。
解:
Lm=1/(80/5+15/3.22+4/2.37+1/1.86)= 4.369%
編輯:李丹
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