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。空氣中可燃氣體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，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