VOCs治理工程安全研究现状、经验总结及案例分析

日期: 2021-09-01
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挥发性有机化合物在光照条件下会与大气中的其他物质发生化学反应生成臭氧和二次有机颗粒物,是我国目前区域性大气复合污染的主要污染物之一 。随着我国经济规模不断扩大VOCs 年总排放量将持续攀升,估计 2020 年将达到 4100 万 t 左右 。近年来,我国VOCs 治理行业蓬勃发展,但 VOCs 治理工程事故频发,其安全性却并没有引起足够重视,其安全研究工作严重不足。

本文对近年来国内公开报道的典型 VOCs 治理工程安全事故进行了统计,总结归纳了 VOCs 治理工程安全的研究进展,从安全研究和安全管理两方面提出了解决 VOCs 治理工程安全问题的建议,以期为国内同行提供借鉴。


一、VOCs 治理工程典型事故

近年公开报道的 VOCs 治理工程安全事故统计结果汇总见下表。由下表可知,这 16 起大小事故共造成了 11 人死亡,超过 30 人不同程度受伤,经济损失达数千万元。从地域来看,事故主要集中分布在江苏、山东、广东、天津等地区,这些地区都是 VOCs 治理工程建设密度较高的区域。从发生频率来看,VOCs 治理工程安全事故呈逐年上升的态势。在多种常用的治理技术中,蓄热式焚烧(RTO)、活性炭吸附和低温等离子体为事故高发技术,危险性较高,当然,这与其建设数量较多也有一定的关系。由于 VOCs 具有易燃易爆性,导致绝大多数事故都为爆炸类事故,所造成的后果往往较严重。



VOCs治理工程安全研究现状、经验总结及案例分析

二、VOCs 治理工程安全研究

近年来,尽管 VOCs 治理工程的各类安全事故频发,但国内外针对 VOCs 治理工程安全的研究工作却鲜有报道。在为数不多的研究中,绝大部分还停留在经验总结归纳阶段,小部分研究利用工程安全评价方法和工具对 VOCs 治理工程进行了安全分析。

另外,国家或有关行业发布的技术规范已对有机废气治理技术的全过程进行了详细规定,起到了较好的安全治理指导作用。

2.1 治理工程安全经验总结

目前,大部分关于 VOCs 治理工程安全的研究都是基于一些具体的技术和案例开展的,根据经验分析事故发生的原因,并提出相应的安全改进措施。从这些经验总结的结果来看,导致事故发生的原因大致可分为三类 :治理技术选择不合理、工艺设计有缺陷、人为操作失误。

2.1.1  技术选择不合理

VOCs 排放涉及的行业众多,排放特征复杂,不同行业排放的有机废气组成和理化性质差异很大,很多企业都是由于在选择治理技术时未充分考虑待处理有机废气的具体情况,从而导致事故的发生。

栾志强等人结合生态环境部发布的《重点行业挥发性有机物综合治理方案》和VOCs的实际排放情况和治理需求,对不同排放条件下的技术选择及技术适用性提出建议:

● 高浓度废气,优先进行溶剂回收,难以回收的,宜采用高温焚烧、催化燃烧等技术进行净化处理;

● 低浓度、大风量的VOCs废气,宜采用沸石转轮吸附、活性炭吸附等浓缩技术,提高VOCs浓度后再净化处理;

● 恶臭异味推荐用低温等离子体、光催化、光氧化和生物法来治理。

关超敏对常用 VOCs废气处理工艺的优缺点进行了总结,并提出在进行技术选择时应综合考虑物理性质、浓度、排放量、排放标准以及有无回收价值等因素,在取得较好治理效果的同时,保证运行安全 。在上述治理技术中,低温等离子体是近年来飞速发展的新兴技术,具有装置简单、动力消耗低、易启动和关闭、占地面积小、抗干扰能力强等优点。但一系列爆炸事故的发生,不得不让人们重新审视该技术的适用性和安全性。

郭亚逢结合两起低温等离子体治理 VOCs 的安全事故,从工程设计要求、技术选择、设备运行、安全防护措施等方面进行了分析,结果发现,导致事故发生的根本原因在于治理技术选择不恰当,相关企业利用低温等离子体技术处理含有大量高沸点物质和固体微粒的废气,这些物质和微粒在设备内部不断积累,最终导致设备高压电极短路,起火爆炸。许铭杨等人在总结低温等离子体处理VOCs的进展时,再次强调设备积碳是导致爆炸事故发生最主要的原因之一 。活性炭吸附是经典的有机废气净化技术,但由于活性炭本身不耐高温且具有一定催化活性,在使用时尤应注重安全问题。

黄维秋等人根据国内外的工程案例,详细总结了活性炭治理 VOCs 时存在的一些安全注意事项:

● 活性炭本身的耐火性较差,在实际操作中需将温度控制在 120℃以下;

● 吸附热效应高,在吸附高浓度的VOCs时,床层升温可达50℃以上,在设置温度参数时,应充分考虑这点;

● 活性炭本身具有一定的催化活性,一些酮类物质(如环己酮)在活性炭表面会发生剧烈的氧化反应,释放出大量的反应热,导致床层局部升温过快,引发着火甚至爆炸。

许伟、李守信等人在探讨活性炭在挥发性有机物治理中的应用时,也进行了类似的总结。

2.1.2  工艺设计有缺陷

除了技术选择不合理,工艺本身的设计缺陷也是引发事故的重要原因之一。由于技术、资金门槛相对较低,近年来涉足 VOCs 治理的企业数不胜数,市场竞争十分激烈。个别企业通过不断压低价格来争取项目,工艺设计有缺陷,运行安全难以保证。其中,较常见的设计缺陷包括 :收集系统设计不合理、设备主体材质不合格、仪表控制不可靠、报警装置和防爆设施不足、安全冗余不够等。

RTO 凭借处理效率高、二次污染小、热效率高、操作方便等优点,受到企业的热捧,常见的 RTO 工艺流程如下图所示:

VOCs治理工程安全研究现状、经验总结及案例分析

但在近年来的使用过程中,RTO 暴露出的失火、爆炸等安全问题较突出,且大部分事故都是因工艺设计缺陷导致的。

2.1.3  人为操作失误

目前绝大多数 VOCs 治理工艺系统都已实现了自动化,但仍需专人进行安装、调试、运维等现场作业。不同于其他大型过程工程,VOCs 治理的规模普遍较小,治理业务常常外包给第三方技术服务公司,业主普遍对 VOCs 治理工艺不熟悉,对系统潜在的安全隐患也并不了解,这都增加了业主工作人员不按安全规章操作或出现操作失误的概率。

2.2 VOCs 治理工程安全评价

除了上述的经验性总结,还有少数研究人员尝试将一些工程安全评价方法、工具应用到 VOCs 治理工程中。白亚龙等人利用危险与可操作性分析(HAZOP)对 RTO 装置进行了安全评价,系统地识别出 RTO 运行过程中存在的风险及保护措施,提出了具有安全性和经济合理性的建议措施。

彭光强等人提出将启动前安全检查(PSSR)应用到 VOCs 治理项目中,分析了 VOCs 处理装置在安装、使用过程中常见的安全风险及产生的原因。

Zhu 等详细介绍了目前国内外液体储罐中挥发性有机物的处理方法及存在的不足,基于人机环境管理系统工程(MMEMSE)理论建立了包含有 13 个基本元素的油轮安全系统图,系统分析了包括 VOCs 的扩散、燃烧和爆炸,船体的碰撞和晃动以及原油泄漏等主要危险的形成过程与危害。

Lee 等人利用危险与可操作性分析(HAZOP)和保护层分析(LOPA)对油轮 VOCs 回收系统进行了安全分析,确定了初始原因和现有保护措施,定量估计了各独立保护层的失效概率,提出改进措施以将风险降低到可接受的水平 。

由此可见,目前针对 VOCs 治理工程安全评价的相关研究还较少,尚处于起步阶段,采用的评价方法也较为单一,不能形成体系。

2.3 行业技术规范

目前,国家及行业发布的一些技术规范,对有机废气技术治理技术的适用范围、污染物要求、工程设计、工艺设计、安全措施、工程建设、运行与维护等全过程进行了详细规定,起到了安全治理指导作用。但现已正式发布的仅有《吸附法工业有机废气治理工程技术规范》(HJ 2026—2013)、《催化燃烧法工业有机废气治理技术规范》(HJ 2027—2013)、《蓄热燃烧法工业有机废气治理工程技术规范》(HJ 1093—2020),其他技术规范尚在制定中。

三、VOCs 治理工程安全的建议

3.1 安全研究的建议

从近几年的情况来看,尽管 VOCs 治理工程的事故时有发生,造成了大量人员伤亡和财产损失,但人们对 VOCs 治理工程的安全性仍然不够重视,相关研究还在起步阶段。目前,大量经验性总结对于复杂的VOCs治理工艺系统并没有很好的安全指导作用。众所周知,保证安全的最好方式是杜绝事故发生,这就需要做到对事故的提前发现、提前处理。

VOCs 治理工程要从根本上解决安全问题,就需要以实现本质安全为目标,开发出符合VOCs治理工程特点的理论、方法和工具,对工艺系统进行危险识别与风险评估,找到安全隐患并提出改进措施,最大程度减少技术选择不合理、工艺设计有缺陷等情况的出现。

3.2 安全管理的建议

从事故统计结果可看出,人为操作失误是导致VOCs 治理工程事故发生的主要原因之一,这与企业的安全管理工作不到位有很大的关系。对于 VOCs 治理工程来说,应尤其重视专业培训,增加员工安全意识,熟悉操作规程,减少操作失误的概率。在新建工程试车前、设备检修后、装置变更后以及发生过事故的设施再次投入使用前,都要进行开车前的安全审查,避免系统内的有机物浓度过高,进而引发燃烧爆炸事故。编制应急预案,开展应急演练,增强员工对突发事件的处理能力。


目前,针对 VOCs 治理工程安全的研究大都还处于经验总结阶段,少数研究人员应用工程安全评价方法和工具进行安全评价,且所用方法不成体系,面对复杂的 VOCs 治理工艺系统,难以保障其安全运行。因此,要从根本上解决安全问题,需加大研究力度,开发出具有系统性和科学性的安全理论、方法和工具,实现 VOCs 治理工程的本质安全化。相关企业也应当强化安全管理,降低员工操作失误的概率,提高应急处理能力。


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