蓄热式氧化炉入口废气浓度检测与安全缓冲设计

作者简介：宋彬（1980-），高级工程师，从事化工工艺设计、智能工厂的建设和研究，Songbin277@163.com。

引用本文：宋彬.蓄热式氧化炉入口废气浓度检测与安全缓冲设计［J］.化工自动化及仪表，2024，51（2）：338-344.

DOI：10.20030/j.cnki.1000-3932.202402025

摘 要 介绍了蓄热式氧化炉（RTO）工艺安全控制常用的3种在线可燃气体检测仪表。通过分析各在线仪表的原理和特点，阐述了选型过程需要考虑的主要因素。采用设计实例，简述了RTO系统中在线可燃气体检测仪与RTO入口紧急切断阀之间的安全缓冲设施设计要点。结论是，入口废气安全缓冲设施设计应从分析仪表的类型、仪表测量偏离、检测与安全元件的响应时间、安全控制系统的设定值及装置占地等多个技术角度综合考虑。

关键词 可燃气体浓度检测仪 在线LEL检测 安全缓冲设施 蓄热式氧化炉

中图分类号 TP216    文献标志码 B   文章编号 1000-3932（2024）02-0338-07

蓄热式氧化炉（Regenerative Thermal Oxidizer，RTO）是化工厂处理含可燃气体组分工艺废气的常用设备。工艺废气在RTO的蓄热室和燃烧室内受热分解，若进入室内的废气浓度高于其爆炸下限（Lower Explosive Limit，LEL），則RTO内部会发生爆炸，造成严重的安全隐患，因此近年来对RTO的安全设计引起了高度关注。

在工程实践中，选择合适的可燃气体浓度检测仪，确定系统响应时间和设置安全的缓冲设施是解决RTO入口废气浓度超标引发爆炸的主要措施。

1 RTO流程与安全设计要求

典型的RTO工艺流程如图1所示。来自工艺装置的工艺废气，经前处理系统处理后采用可燃气体浓度检测仪进行分析，若气体爆炸下限在允许范围内，气体将被风机送至RTO内受热处理。处理后的气体经后处理系统处理至达标后通过排气筒排放至大气。若气体爆炸下限超过允许值，则RTO前的紧急切断阀关闭，废气将送至紧急排放设施处理。工艺流程中分析仪和安全元件动作均需要足够的响应时间，因此可利用可燃气体浓度检测仪与紧急切断阀之间的空间加以缓冲。

HJ 1093—2020《蓄热燃烧法工业有机废气治理工程技术规范》、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》均对氧化炉入口废气浓度做了相应规定，具体汇总于表1［1～3］。

2 废气爆炸下限与浓度

排向RTO的工艺废气一般都是混合气体，且含有N、CO、HO等惰性组分（具体含量与工艺流程有关）。

对于含有惰性气体的可燃性气体混合物，其爆炸下限L计算式如下：

L=×100% （1）

式中 L——不含惰性气体的可燃性气体混合

物爆炸下限，%；

P——气体混合物中惰性组分的体积分

数，%。

各组分爆炸下限的影响因素有废气温度、惰性组分和含氧量。一般地，废气温度升高，其爆炸下限随之降低；惰性组分增加，其爆炸下限随之升高；含氧量增加，爆炸下限随之降低。因排向RTO的工艺废气压力一般在常压附近，故压力对爆炸下限的影响较小，可以忽略不计［4］。

常压下，爆炸下限温度校正式如下［2］：

L=L×［1-0.000721（T-25）］  （2）

式中 L25——25 ℃时气体的爆炸下限，%；

L——气体在期望温度T下的爆炸下限，%。

因浓度允许限值是爆炸下限的百分数，为了设计方便，气体浓度可用相对爆炸下限的百分数表示，例如在线浓度分析仪表的测量值或读数可表示为：

V=（L/L）×100%    （3）

式中 L——气体爆炸下限的分析仪测量值，%；

L——气体爆炸下限的真实值，%；

V——分析仪表的测量值占爆炸下限真

实值的百分数，%LEL。

3 在线可燃气体浓度检测仪选型

3.1 在线检测仪种类与原理

可用于RTO工艺安全控制的在线可燃气体浓度检测仪有红外光谱分析仪、氢火焰离子化检测器（Flame Ionization Detector，FID）和氢火焰温度分析仪（Flame Temperature Analysis，FTA）［3］。其中，红外光谱分析仪和FID检测器是间接测量气体爆炸下限的仪表，需要测量出废气中的可燃气体组分，然后根据式（1）计算得到爆炸下限；FTA分析仪是直接测量废气爆炸下限的分析仪表。

红外光谱分析仪的原理是红外线通过一个定长容器后，检测红外线辐射强度，根据特征吸收波长，确定废气中的有机物组分，然后根据朗伯-比尔吸收定律获得浓度，经过计算得到废气爆炸下限。

FID检测器的工作原理则是通过测量电流强度的方法检测有机物浓度。其原理是燃烧待检废气，碳氢化合物在火焰中产生CH自由基，随后与O和HO发生相关反应生成CHO、HO和电子，在电场的作用下产生电流。以乙烯为例，其反应过程如下：

CH2CH

2CH+O2CHO+2e

2CHO+2HO2HO+2CO

离子通过电场时所产生的电流的强弱可以表征有机物的种类和浓度。电离产生的电流越大，有机物浓度越高。根据有机物浓度即可计算得到废气爆炸下限。

FTA分析仪的工作原理是利用废气燃烧产生的热量与其爆炸下限之间的关系测定爆炸下限。在精确控制的背景燃烧条件下通入待测废气，采用热电偶测量燃烧产生的温升，将该温升与已知LEL浓度参比标气的温升进行比较，即可得到废气爆炸下限。

3.2 在线检测仪选型

从技术角度考虑，选择在线可燃物浓度检测仪的关键因素是组分响应、测量读数偏离和响应时间。

3.2.1 组分响应

分析仪表的组分响应与其工作原理有关。

红外光谱分析仪对多种无机物组分（如CO、CO等）和许多有机物组分（如烃类、烯烃等）都有响应，但对He、Ne等稀有气体以及H、N、O等非极性双原子气体没有响应［5］。

FID检测器对大部分碳氢化合物的响应灵敏度较高，但对于工艺装置中常见的一些可燃气体组分（如甲醛和甲酸）响应则较小，无法测定。此外，若废气中含有NH、CO等组分，同样无法检出，需另配其他检测器。

FTA分析仪用燃烧温度变化测量气体的LEL，所以废气中的可燃物种类不会对检测产生影响。

3.2.2 测量读数偏离

3.2.2.1 红外光谱分析仪的测量干扰与偏离

红外光谱分析仪的干扰来自于废气中各组分特征吸收波带的互相影响。如果组分间的吸收峰邻近或重叠，部分能量会被干扰组分吸收，影响检测结果，如CO、CO等，如图2所示。此外，由于H2O的红外吸收频带较宽，会对废气中的多种组分产生干扰，因此该干扰只能通过数据处理进行修正。

3.2.2.2 FID检测器的测量干扰与偏离

FID检测器的测量干扰与CHO的产生效率有关。废气的某些组分（如羟基（—OH）、羰基（CO））会改变CHO的产生效率［6］，造成FID测量偏差，有的甚至无法检出。从图3常见物质的相对质量校正因子可以看出此种偏差的程度。

由于红外光谱分析仪和FID检测器是间接测量仪表，在实际应用中，还需要考虑额外的系统偏离与误差：其一，需确定废气中惰性组分的组成，且其含量需稳定；其二，需实时监测废气的温度等参数，以便对计算结果进行补偿。故这两种仪表的偏离值为：

σ=σ+σ      （4）

其中，σ为分析仪表测量值与真实值的总偏差，σ为分析仪的固有偏差，σ为废气自身状态波动造成的附加偏差。

3.2.2.3 FTA分析仪的测量干扰与偏离

FTA分析仪测量干扰的来源：

a. 可燃组分的响应因子。响应因子表示可燃组分的测量读数与参比标定值之间的偏离，响应因子高于1.0表示其读数高于真实值；反之，则低于真实值。如果废气组分较多，需要评估其综合影响因子，并采用适当的标定措施减少其影响。

b. 惰性组分的影响。FTA分析仪的参比标定气是用特定气体与空气的混合物进行LEL标定的，如果待测废气的背景与参比标定气有差异，则会影响其读数。

废气燃烧产生热量的测量精度会影响FTA分析仪的读数，如果废气中含有过多的HO、N、CO等惰性组分，则HO会吸收一部分热量，造成读数低于真实值。而N、CO等惰性气体则会对可燃组分燃烧有冷却、稀释及抑制作用［7］，也会造成读数偏低。

此外，惰性气体含量升高伴随着氧含量降低，氧含量的减少会造成仪表读数高于真实数据。如果氧含量低于12%，则需要补充氧气，或安装氧分析仪进行补偿。

FTA分析仪的偏离值为：

σ=σ=σ+σ    （5）

其中，σ为FTA分析仪对可燃组分的响应偏差，σ为由废气中惰性组分引起的偏差。

文献［8］列举了部分常见可燃气体在FTA分析仪与其他分析仪表上的响应差异。

综上所述，分析仪表浓度测量值还可以校正为：

V=V±σ    （6）

式中 V——分析仪表读数的校正值，%LEL。

3.2.3 在线检测仪的系统响应时间

在线可燃气体浓度检测仪的系统响应时间（t90）是指样品自系统取样点浓度阶跃到仪表的指示并达到两个稳定值之差的90%所经历的时间。系统响应时间包括两部分：样品传输滞后时间和仪表分析时间。

样品传输滞后时间与样品处理流程有关。GB/T 34042—2017《在线分析仪器系统通用规范》规定：流程工业样品传输滞后时间宜小于60 s［9］。由于工艺安全控制中要求分析仪表总响应时间越短越好，故分析仪表一般就近取样点安装，以尽可能减少传输滞后时间。而仪表分析时间通常与分析仪的类型有关。

3种在线分析仪表的系统响应时间（t90）各有差异：红外光谱分析仪一般是10～25 s；FID检测器响应速度较快，一般是几秒；FTA分析仪响应速度最快，可以在1～3 s之間。然而，前两者需要额外考虑补偿和计算爆炸极限的时间，这一部分也需要计入总响应时间。

综上，RTO入口废气在线分析仪表的选择要点汇总于表2。

4 安全缓冲设施的设计计算

在线分析仪表检测和紧急切断阀阀门动作所需的总响应时间，即系统需要的最低缓冲时间，它由废气在可燃气体浓度检测仪与紧急切断阀之间管段（即缓冲段）的流经时间确定。

系统所需的总响应时间计算式如下：

t=t′+t+t     （7）

式中 t′——在线分析仪表系统响应时间；

t——SIS响应时间；

t——紧急切断阀关闭时间。

其中，FID检测器的总响应时间为t与附加响应时间之和；FTA分析仪的总响应时间为t。

废气在缓冲段的流经时间t′不得小于所需的系统总响应时间t，否则，需要设计安全缓冲设施增加空间流经时间，即：

t′=t+t≥t     （8）

其中，t为废气在管线内的流经时间，t为废气在特定缓冲设施内的流经时间。

安全缓冲设施设计主要是设置大尺寸管道或增加缓冲罐，其作用是延长流经时间，具体的工艺设计方案如图4所示。

5 应用实例

某化工装置RTO入口废气含多种可燃气体组分和N、HO、CO等惰性组分，RTO入口废气管道设置在线可燃气体浓度检测仪，备选类型为FID和FTA。在线仪表下游安装紧急切断阀。需设计相应的缓冲设施及选定安全控制设定值。经相关计算和咨询仪表供应商后，设计的两种检测方案及其设计结果汇总于表3。综合考虑工艺废气组分操作弹性、占地面积及缓冲设施成本等多方因素，确定选用方案2：选择FTA分析仪测量入口废气爆炸下限；FTA分析仪浓度最高读数为17.71%，系统设计报警值为18.5%，系统设计紧急切断设定值为20.71%；系统设计缓冲时间为7.7 s；因项目占地有限，系统设置缓冲罐，容积为360 m3。

6 结束语

可燃气体浓度检测仪表的选择对RTO的安全运行有重要影响，工程上通常采用的红外光谱分析仪、FID检测器和FTA分析仪各有优缺点。设计人员需要根据工艺废气的操作条件和分析仪的工作原理，合理判断组分响应和分析仪读数偏差，预估RTO系统的报警值和紧急切断动作值，计算系统所需的总响应时间。经过科学分析，综合考虑各种因素，择优选择分析仪表，合理设计安全缓冲设施。

参 考 文 献

［1］ 中华人民共和国生态环境部.蓄热燃烧法工业有机废气治理工程技术规范：HJ 1093—2020［S］.北京：中国环境科学出版社，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］ 中华人民共和国劳动部职业安全卫生与锅炉压力容器监察局.工业防爆实用技术手册［M］.沈阳：辽宁科学技术出版社，1996：10-13.

［5］ 王森.在线分析仪器手册［M］.1版.北京：化学工业出版社，2008.

［6］ 李泽，张兴龙，吴若昕，等.不同类型有机化合物在氢火焰离子化检测器中离子化效率的探讨［C］//2014第三届环渤海色谱质谱学术报告会论文集.2014：525-528.

［7］ 周宁，李海涛，任常兴，等.氮气、二氧化碳对液化石油气的惰化抑爆研究［J］.消防科学与技术，2016，35（6）：733-737.

［8］ 沈惠明，楊小伟.在线可燃性气体检测系统的设计探讨［J］.石油化工自动化，2018，54（z1）：9-11.

［9］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.在线分析仪器系统通用规范：GB/T 34042—2017［S］.北京：中国质检出版社，2017.

（收稿日期：2023-02-16，修回日期：2024-01-15）