蓄热式热氧化装置的仪表控制

摘 要：

通过对蓄热式热氧化装置运行控制模式的介绍，阐述了蓄热式热氧化装置多个仪表设置的安全问题，根据联锁停炉的控制方式，对重要仪表提出了以下建议：爆炸下限仪表应按照介质类型、响应时间，选择仪表原理，并按照安全规范要求设置在合适位置；选择蓄热室温度计和燃烧室温度计时，应按照仪表位置和介质温度做区分设计；燃烧室压力变送器安装时，应增加冷凝圈做仪表保护。

引言

蓄热式热氧化（RTO）装置因处理废气范围广、处理效率高达99%且不会产生二次污染的特点，受到了环保市场的广泛认可。但采用RTO装置处理VOCs废气具有一定的危险性，原因在于VOCs废气有毒、易燃、易爆。为了保证进入RTO装置的废气的安全性，必须选取合适的仪表进行检测，例如检测进入RTO炉废气的爆炸下限浓度，以确认RTO装置不会爆炸；检测RTO炉内温度或压力值，以确认RTO炉内部没有出现闪爆。因此，RTO装置的仪表选型和控制十分重要。

1工艺流程

RTO炉主要用来处理浓度2～8 g/m3的有机废气[1]。三室RTO炉主要是由一个燃烧室、三个蓄热室与提升阀等组成。图1为RTO装置流程图，首先采用燃烧器将RTO炉预热到指定温度，然后混合废气通过RTO炉氧化燃烧后获得CO2和H2O，达到达标排放的目的。RTO炉内部的废气处理流程为：废气进入RTO炉1#蓄热室进行预热，再进入燃烧室进行有机物的氧化反应，最后通过2#蓄热室离开RTO炉排出净烟气；废气从2#蓄热室进入燃烧室，通过3#蓄热室排出净烟气；废气从3#蓄热室进入燃烧室，通过1#蓄热室排出净烟气。通过三轮处理过程不停地循环往复，保持RTO炉的热量恒定，同时保障RTO炉的废气净化效果。燃烧室内部随着有机物氧化反应的放热，温度逐渐升高，当温度达到高设置值时，必须打开高温热旁通阀门，以降低燃烧室的温度。为保证RTO炉正常运行，需要监控RTO炉的温度、压力以及进入RTO炉前的混合废气的爆炸下限。

2仪表选型控制

可燃气体只有在爆炸下限和爆炸上限这两个浓度之间，才可能发生爆炸。为保障安全，工艺设计时必须保证进入RTO炉前的VOCs有机废气浓度在爆炸下限的25%以下[2-3]，同时应时刻监控RTO炉内的压力、温度，防止意外的发生。

实际运行过程中，因为前端工艺复杂程度不同，混合废气的组分含量未知的较多，不同化学组分的爆炸下限值是不同的，而工艺环境中废气组分的含量又一直变化，这就导致采用夏特尔定律计算组分混合爆炸下限的方法误差会比较大。因而选择LEL分析仪时，要考虑到测量介质、前端工艺以及仪表的适用情况。

2.1爆炸下限仪表设计选型

目前，用于检测VOCs废气的LEL仪表主要有火焰温度型（FTA）分析仪、氢火焰型LEL气体分析仪、催化燃烧型LEL检测仪、红外LEL气体分析仪等4种类型。

2.1.1 火焰温度型（FTA）分析仪

火焰温度型（FTA）分析仪从原有混合废气管道中采样得到废气源，废气源通过火焰温度型（FTA）分析仪内置的文丘里取样装置将废气源吸入分析仪内部的火焰室。废气源中的可燃气体在感应火焰中燃烧，并逐渐产生温升，该温升又与可燃气体的0～100%LEL浓度成正比。无论是有机物还是无机物，只要可以燃烧，就可以产生温升，因而该原理的仪表可以检测大多数有机物和无机物的爆炸下限。

为了使得分析仪火焰室的压力恒定，废气源的压力和温度都应该尽可能稳定均匀，避免因废气源不稳定导致火焰室的火焰熄灭，影响测量结果。当废气源中的含氧量低于8%时，火焰室很可能出现燃烧不充分的现象，从而影响测量结果。因而当废气源含氧量低于8%时，进入FTA分析仪的废气需要额外补充空气，以保证含氧量充足。这就需要FTA分析仪加装预处理装置，使得进入火焰室的气体具有足够的含氧量。FTA分析仪响应时间在2～4 s，增加预处理装置后，响应时间为4 s。FTA分析仪主要用于燃烧工艺前端或煤矿瓦斯检测等场合。

2.1.2 氢火焰型LEL气体分析仪

废气源通过氢火焰型LEL气体分析仪内置的文丘里取样装置将废气源吸入分析仪内部的燃烧室。有机物在高温氢火焰中燃烧发生化学电离，在高压电场的作用下，带正电的碳离子向负极移动，形成离子流。该离子流的信号量与有机物浓度成正比，最后根据标定物的爆炸下限得出被测有机物的%LEL值。因而，氢火焰型LEL气体分析仪仅能检测C-H化合物，对于CO、H2之类的无机物不能产生化学电离，就无法检测出它们的含量。氢火焰型LEL气体分析仪优点在于有机物LEL检测精度高，其响应时间为2 s。

2.1.3催化燃烧型LEL气体检测仪

催化燃烧型LEL气体检测仪是利用催化载体型气敏元件作为探测器，当可燃物质在惠斯顿电桥上发生催化燃烧反应时，测量桥的电阻值就会升高，引起电桥输出电压的变化，输出电压同催化可燃物的浓度成正比。该检测方法优点在于无须助燃气体，可以用来测量环境中可燃物的泄漏，检测方便；缺点在于催化剂会失效，使用寿命短，响应时间长，准确度不高。催化燃烧型LEL气体检测仪一般用于环境中可燃气体泄漏的检测，其响应时间为60 s。

2.1.4红外LEL气体分析仪

红外LEL气体分析仪利用了不同气体内特征官能团的红外波长位置及特征峰面积与有机物含量成正比的关系。该检测方法优点在于不破坏被测物质，无须助燃气体；缺点在于受红外吸收特性影响，对测试环境和被测物质的均匀性要求很高，尤其不能有水分，此外，红外波段对可燃的无机物无检测效果。因而红外LEL气体分析仪和氢火焰型LEL气体分析仪均只能检测有机物，且红外型不能检测含水分的介质。

为了将爆炸的风险降到最低，控制方式中采用的联锁停RTO炉的条件之一是LEL分析仪表检测到混合废气的LEL达到25%LEL。联锁停炉的动作如下：检测到LEL值达到25%LEL后，停运燃烧器系统，同时关闭RTO炉管道入口阀V1，打开紧急旁通管道阀V0，同时稀释风机调频至最大风量。LEL分析仪表的响应时间至少在2～60 s，紧急旁通管道阀的响应时间是3～10 s，阀门的响应时间受管道大小及气缸选型影响。为保证废气安全进入蓄热式燃烧炉，按照废气速度为12 m/s计算，建议LEL分析仪表至少应安装在RTO炉前60 m的管道上。

如上所述，在RTO装置前合适位置设置LEL分析仪，应按照废气组分、含水率以及价格等因素选择火焰温度型、氢火焰型或红外型LEL分析仪表。LEL分析仪表除显示报警数值以外，还参与稀释风机的变频调节回路。稀释风机变频频率按照RTO炉入口管道前的%LEL值和设定值进行PID调节。

RTO炉本身作为一个明火设备，按照《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》（GB 50493—2009），须设置可燃气体报警仪。按照LEL的适用环境，一般采用催化燃烧型可燃气体泄漏检测仪。

2.2温度仪表设计选型

正常运行情况下，燃烧室温度一般为850～950 ℃，蓄热室温度一般为400～500 ℃。废气通过入口提升阀→蓄热室→燃烧室→蓄热室→出口提升阀等部件直排烟囱。蓄热室的温度可以用来表征提升阀的泄漏率，当提升阀出现泄漏时，蓄热室的热烟气不断下溢，导致蓄热室下方的温度过高，甚至出现温度倒挂（蓄热室温度高于燃烧室）。燃烧室正常升温过程中，遇到提升阀泄漏率较高的情况，蓄热室的温度极容易达到500℃。这种现象危害极大，不仅会使得VOCs氧化反应不充分，也不利于废气达标排放，因而蓄热室温度检测十分重要。蓄热室由下至上分别由格栅网、马鞍环、多层陶瓷蓄热体、马鞍环组成，温度仪表一般位于蓄热体中间，插入深度一般为RTO炉深度的1/2～2/3。蓄热室温度计量程范围一般选择0～1 000℃，检测元件选择镍铬—镍硅热电偶（K型分度号）。保护管材质选择耐磨合金钢，外保护管材质选择310S，其中外保护管应和蓄热体一起预制在RTO炉内部。为使得蓄热室内气流均匀，陶瓷蓄热体之间都是紧密布置，因而蓄热室内温度仪表的外保护管采用预先埋孔钻管型。若不预制，温度计插深会破坏蓄热体结构，影响蓄热能力。

燃烧室主要由燃烧器组成，燃烧室温度主要由燃烧器、高温热旁通调节阀控制。燃烧器负责将燃烧室升温，高温热旁通调节阀负责将燃烧室降温。在点火升温阶段，通过PID调节可以将RTO炉从低温升至750 ℃以上，但当燃烧室温度达到高报警值（900 ℃）时，燃烧器基本关停，选择高温热旁通调节阀作为调节手段。通过开大高温热旁通调节阀的开度，高温热烟气将直接进入烟囱，从而降低燃烧室温度。当全开高温热旁通调节阀和关闭燃烧器都不能使燃烧室温度降低时，RTO炉存在较大的安全风险。因而，RTO炉联锁停炉的条件之一为燃烧室温度超过950 ℃。温度计量程范围一般选择0～1 300 ℃，检测元件选择铂铑10—铂热电偶（S型分度号），保护管和外保护管材质选用GH3030。

2.3压力仪表设计选型

当需要检测RTO炉内的压力时，考虑到RTO炉内燃烧室的温度范围在850～950 ℃，介质与压力变送器采用冷凝圈连接，燃烧室内的热烟气经过冷凝圈冷凝之后进入压力变送器，温度在100 ℃以下。压力变送器采用进口智能式变送器。当燃烧室的瞬间压力超过5 kPa时，表示RTO炉内可能存在局部闪爆的情况。因而，联锁停炉的条件之一为燃烧室的瞬间压力超过5 kPa。

3 结论与建议

本文从蓄热式热氧化装置的工艺系统和仪表控制两个角度出发，阐述了蓄热式热氧化装置的仪表设置安全问题。通过分析蓄热式热氧化装置的运行模式和控制模式，对重要仪表提出以下三点建议：（1）LEL仪表应按照介质类型、响应时间，选择仪表原理，并按照安全规范要求设置在合适位置；（2）选择蓄热室温度计和燃烧室温度计时，应按照仪表位置和介质温度做区分设计；（3）燃烧室压力变送器安装时，应增加冷凝圈做仪表保护。

审核编辑：刘清