杜 蛮

（上海科元燃化工程设计有限公司，上海 201701）

挥发性有机物（VOCs）的危害主要体现在对大气的污染及对人体健康的影响，因此必须重视VOCs 排放的控制和治理。VOCs 绝大部分都是易燃易爆气体，近年来，VOCs 治理装置多次出现爆炸事故，造成了严重的人员和财产损失，国家和地方政府对此制定了相应的管控制度，对设计和生产等环节做出严格要求。本文就某项目的设计经验，探讨VOCs 治理中仪表所涉及到的安全问题及其设计方案。

1 工艺流程

VOCs 治理技术可以分为两大类，即消除类方法和回收类方法。消除类方法主要包括燃烧法、生物法、低温等离子法，适用于可燃或高温下可分解及目前技术条件下难以回收利用的VOCs。回收类方法主要包括吸附法、吸收法、冷凝法及膜分离法，适用于高浓度VOCs 的回收和处理，属高效处理工艺，可作为降低VOCs 的前处理方法，与消除法联合使用[1,2]。

以某化工企业为例，原料罐区以及生产装置会产生大量甲苯等VOCs，治理方式采取吸收法+催化氧化（CO）工艺。为叙述方便，省略吸收单元，简化后的流程包括：原料罐+收集系统+催化氧化（CO）工艺。

原料罐包括多个储存甲苯的拱顶罐，设计压力为2.0KPa ～0.5KPa，设计温度为50℃。VOCs 通过连通管收集于缓冲罐，由风机输送到CO 炉处理后，从烟囱排入大气。依据GB31571-2015《石油化学工业污染物排放标准》中排放限值的要求，通过CEMS 分析系统监测烟囱中的VOCs 排放指标，并将数据直接上传到当地环保部门进行监控。

2 防爆原理及其控制参数的理论依据

VOCs 治理过程中极易发生爆燃事故，根据爆炸三角形原理，在现场如果同时满足下列3 个条件时，爆炸就会发生：①易爆物质（VOCs）；②氧气（空气）；③引爆源（高温或明火）。消除上述3 个条件中的任何一个就能防止爆燃。由于CO 炉运行时的高温是无法避免的，因而可以通过控制VOCs 中的可燃气体浓度和氧浓度的手段来防止爆燃的发生。

2.1 VOCs在空气中的爆炸下限（LEL）的计算

VOCs 一般由多种组份的烃类物质组成，混合物在空气中的爆炸下限可根据各物质已知的爆炸下限及其在混合物中的含量来计算[3]。

式（1）中：p1，p2，p3，p4为每种可燃气体在混合物总量中所占的百分数；N1，N2，N3，N4为每种可燃气体在空气中的爆炸下限。

以本项目的VOCs 参数为例（见表1），计算VOCs 的爆炸下限：

表1 VOCs组份及参数Table 1 Composition and parameters of VOCs

由式（1）可知，该VOCs 的爆炸下限为：

由于在实际工程项目中，VOCs 的组份含量不稳定，同时考虑到操作响应时间的安全裕度，工程上往往选择爆炸下限最低的组份作为控制参数。如表1 所示，选择甲苯1.20%作为VOCs 的爆炸下限，低于1.29%的计算值。

2.2 VOCs极限氧浓度（LOC）的计算

在规定的试验条件下，可燃气体（蒸汽）、空气和惰性气体混合物遇火源不发生爆炸的最大氧气浓度称为极限氧浓度（LOC），以Vol/%表示。也就是说，任何添加了惰性气体的混合物，只要其中的氧含量低于LOC 值，混合物就不会发生燃烧或爆炸。精确的LOC 值需根据试验才能得出[4]，如无实测数据，在利用氮气作为惰性气体的前提下，理论上可以使用爆炸下限对应的理论最小氧浓度进行估算[6,7]。表2 列出了部分可燃气体的LOC 试验值。

表2 部分可燃气体极限氧浓度值[5]Table 2 Limiting oxygen concentration values of some combustible gases[5]

多种可燃性混合气体的极限氧浓度（LOC）同样需要依据试验实测[6]。在已知各组份实测LOC 时可依据公式（2）计算[8]。

式（2）中，Si为组份i 所需的化学计量氧[6]；LOCi为组份i 的LOC；xi为组份i 的摩尔分数。

以本项目的VOCs 参数为例，按照公式（2）计算VOCs 中各组份的参数（见表3）。

表3 公式（2）中各组份的参数Table 3 Parameters of each component in formula (2)

由式（2）可知，该混合物的LOC 值为：

在实际工程项目中，与VOCs 爆炸下限值的选定方法一样，选择甲苯9.5%作为VOCs 的极限氧浓度，低于9.567%的计算值。

3 控制方案及仪表选型

本项目VOCs 组份中的甲苯/苯气体是安监部门重点监管的危险化学品。依据AQ/T 3033-2022《化工建设项目安全设计管理导则》，应在设计过程中运用本质安全设计的理念，采用最小化、替代、缓解、简化等设计手段，使工艺过程及其设施具有从根本上减少事故的概率和/或降低事故后果影响的内在特性。

3.1 氮气密封和压力控制

储罐氮封的作用主要是为了保持罐内微正压，防止储罐出现负压而从呼吸阀吸入空气。氮封阀一般采用专用的自力式减压阀，外取压阀后压力控制，氮封阀安装在靠近罐顶入口的氮气管钱上，外取压管线的取压点设置在罐顶，以便检测罐内的真实压力，设定压力为罐正常操作压力。这种氮封阀执行机构的膜片面积一般较大，对长期使用的可靠性和控制精度有一定影响[9]。

本项目氮封阀入口压力一般在600kPa 左右，出口压力只有0.3kPa，阀压差较大，同时还需要当切断阀使用，选用Globe 阀是比较理想的选型。当压力高0.5kPa 时，将调节器设置手动模式输出0%开度，强制关闭阀门；当压力低于0.2kPa 时，将调节器设置手动模式输出100%开度，强制阀门全开；当压力在0.2kPa ～0.5kPa 之间时，将调节器设置自动模式，进行PID 控制。此方案响应速度快、调节效果和可靠性得到显著提高。

3.2 VOCs收集和控制

储罐的气相通过连通管道并入收集总管，在每个罐顶连通管上设置切断阀。当罐顶压力超过0.9kPa 时，打开此阀，向收集总管排放VOCs；当罐顶压力小于0.765kPa 时，关闭此阀。各路收集总管在缓冲罐前汇总，然后进入VOCs回收处理设施。

VOCs 的主要组份是氮气和其他多组份烃类物质，如果储罐或管道密封损坏，大量空气将同VOCs 一同进入后续设施，从而导致危险。因此，需要在缓冲罐出口设置一台氧浓度分析仪，采用向缓冲罐里补氮气的方法稀释氧浓度。缓冲罐出口上还设置有紧急切断阀，如果补氮气无法将氧浓度稀释到安全浓度以下，需关闭紧急切断阀，防止发生闪爆事故。

如果储罐的氮封系统失效，将导致大量浓度超限的VOCs 进入后续设施，超出后续系统的处理能力，从而造成潜在危险。因此，还需在缓冲罐入口总管上设置一台总烃分析仪，用于监测VOCs 的总烃排放量。当总烃排放量超限时，关闭缓冲罐出口上的紧急切断阀。

缓冲罐出口的高浓度VOCs，经过吸收塔回收浓度降低后，通过风机送入CO 炉。为防止CO 炉出现闪爆，需在炉子入口处设置可燃气体检测仪。当进入CO 炉的VOCs 浓度超限时，联锁VOCs 切断阀、紧急排放阀等动作，确保安全。

3.3 氧浓度测量和控制

缓冲罐出口氧浓度分析仪的报警联锁值需满足GB/T 37241-2018 标准[5]中的要求，采用三级安全裕量，依次递减作为下一级的设定值，如图1 所示。

图1 惰化氧浓度安全裕量设定Fig.1 Safety margin setting for inerting oxygen concentration

本项目VOCs 主要由氮气、苯和甲苯等物质组成，工程上为简化起见，不作繁琐的混合气体LOC 计算。依据表2 可知，甲苯9.5Vol%最低，取其作为VOCs 在氮气稀释条件下的LOC 值，该值低于计算出的混合气体的LOC 值。由此可以得到MAOC 值是7.5Vol%，依据表4，TPSS 值取5.5Vol%；SPIS 值在标准里没有规定，一般由工艺根据具体流程确定。本项目在综合考虑了氮气注入流速、仪表及控制系统的响应时间，以及紧急切断阀的关闭时间等参数后，SPIS 值取4.0Vol%。

表4 惰化保护时联锁停机的氧浓度取值[5]Table 4 Oxygen concentration values for interlock shutdown during inerting protection[5]

当氧浓度大于4.0Vol%时，DCS 控制系统开启氮气阀补氮稀释；当氧浓度低于3%时，关阀氮气阀停止补氮；当氧浓度大于7.5Vol%时，联锁切断缓冲罐出口紧急切断阀。

对于有条件的设计单位或业主，可以通过风险分析来却确定氧浓度分析仪的报警值及安全裕量，合理确定氧分析仪的安装位置，确保充足的过程安全时间，防止氧浓度超限的VOCs 进入后续设施发生闪爆事故。

本项目氧分析仪选用激光氧分析仪，该仪表传感器采用半导体激光吸收光谱（DLAS）原理[10]。选用某进口品牌，测量范围0%～10%；线性误差≤ ±1F.S；配氮气吹扫盘，满足工艺要求，使用效果较好。

3.4 总烃测量和控制

高浓度的VOCs 进入缓冲罐，正常情况下氮气占98%，其他烃类物质占2Vol%。当总烃超过8Vol%时高报警；当总烃超过10Vol%时高高联锁，关闭缓冲罐出口紧急切断阀并停输送风机。

总烃测量有多种分析仪可选，这里比较两种分析仪的优缺点如下：

1）采用氢火焰离子化检测器（FID）原理的总烃分析仪是比较理想的选择，在VOCs 治理项目中广泛应用。对几乎所有VOCs 均有响应，测量精度高，线性范围宽，抗污染能力强。如果极速响应采用大流量采样泵直接进样的方式，T90最快≤2s。但价格较高，需要配置载气，往往一个VOCs 项目就有可能用到多台，大大增加了项目成本。

2）采用非分光红外原理（NDIR）的可燃气体检测仪是一种经济合理的选择。VOCs 中主要组份是氮气和烃类物质。红外线对无极性对称的双原子分子结构没有反应，N2对测量没有影响。烃类物质主要含有C-H 键，红外线对C-H 键有良好的吸收性，可以对各种烃组份进行测量。通常选择特定波长范围在1µm～15µm，把光源发出的连续光谱全部投射到待测气体上，待测组份吸收其各个特征波长谱带的红外线，其吸收具有积分性质，从而能够测量总烃含量[10]。

红外可燃气体检测仪的测量范围宽，可以测量0Vol%～100Vol%气体浓度。响应时间一般在4s 以内，最快可以做到1s，测量精度虽不如FID 总烃分析仪，但在上游储罐氮气密封系统失效时，能够测量出总烃浓度超限，从而判断出早期故障的发生。

3.5 可燃气体检测和控制

在CO 炉VOCs 入口管道上应安装可燃气体检测仪，其VOCs 可燃介质的总量不能超过其在空气中的最低爆炸下限的25%LEL。以甲苯为例，甲苯在空气中的最低爆炸下限浓度（100%LEL）是1.2Vol%，25%LEL 是0.3Vol%，与缓冲罐入口处的高高限浓度（10Vol%）相比低了很多。在线检测仪一般需1oo2 或2oo3 配置。当进入CO 炉的VOCs 浓度超过25%LEL 时，联锁动作，确保安全。

在线可燃气体检测仪选用红外型可燃气体检测仪[11]，与总烃分析仪的原理和安装要求基本一致，不同的是测量范围。这里测量的是可燃物在空气中的爆炸下限LEL，总烃分析仪测量的是在无氧或少氧下的烃浓度，其量程相差很大。可燃气体检测仪同样选用某进口品牌的红外型可燃气体检测仪，其产品最大的特点是具有0 Vol%～100Vol%量程，而其他品牌的产品只有0%LEL ～100%LEL，这一点很容易被忽视。

3.6 安全总体时间的要求

仪表的安装位置应考虑采样管线长度，分析仪测量响应时间、切断阀关闭时间、VOCs 流速等参数，确保有充足的安全总体时间，防止VOCs 浓度超限发生闪爆事故。

氧分析仪采用在线原位安装。总烃分析仪和可燃气体检测仪就近安装在现场仪表箱内，并配备取样泵和样品处理系统，具备在线标定功能。

氧分析仪的测量响应时间应小于等于2s，总烃分析仪和可燃气体检测仪响应时间应小于等于3s。

3.7 风机压力控制

罐组排放的VOCs 压力只有微压，收集系统需要通过输送风机抽吸才能进入后续系统，风机一用一备，采用变频调速来控制抽吸压力。风机抽力过大会导致罐被抽瘪，VOCs 量又是非常不稳定的，采用变频调速控制正常情况下没有问题。但是，在较低风量下变频器无法稳定运行，变频器的最佳调频范围在20Hz ～50Hz 频率，如果将最低频率设置在20Hz，当VOCs 量较小时，可能会将罐抽瘪。

本项目采用风机变频+回流阀相结合的超驰控制方案，能够始终维持风机入口处的压力稳定，避免频繁联锁启停风机的问题[12]。风机入口操作压力设定为－3.0 kPa，如果VOCs 气量较小，当变频器频率低于20Hz 时，调节器变手动模式，输出保持变频器20Hz 的频率不变，将回流阀设置成自动模式，打开回流阀进行PID 控制，稳定入口压力不变；如果VOCs 气量增加，当入口压力高于－2.5kPa 时，将回流阀设置成手动模式，输出0%开度关闭回流阀门，将变频器恢复自动模式，进行PID 控制，保持压力稳定；如果入口压力低于－4.7kPa，则联锁停风机。

3.8 炉子安全控制

目前，VOCs 治理的“最终解决方案”都是进炉子，无论何种类型的炉子，安全都是其最重要的问题。工程项目中炉子一般都是有专业的炉子公司成套供货，本项目CO炉也是如此。CO 炉的安全控制由成套厂根据相关标准规范负责设计，但项目设计单位和业主需要根据相关标准和规范的要求审查炉子的设计是否符合。

4 VOCs治理中的安全管控

针对VOCs 治理项目中的风险认识不足，缺乏有效的安全管控的问题，《炼化企业VOCs 协同治理安全管控指导意见（试行）》中石化炼安（2021）525 号文，对相关问题做了明确的规定，可以作为设计依据，本项目中的一些参数值也来源于此。

设计阶段，项目需要委托第三方专业公司做HAZOP分析和SIL 定级。依据SIL 报告，确定是否采用SIS 系统。

5 结束语

仪表设计对整个VOCs 治理装置的安全生产至关重要。本文从防爆原理出发，分析了相关仪表设置的原因及报警联锁设定值的由来，并结合标准规范介绍了仪表及控制方案的选型，对工程设计人员有一定参考价值。