有害废气 VOCs的爆炸下限与绝热温升

燃烧技术是当下处理VOCs的主流技术，其中包含催化燃烧、热力燃烧、蓄热催化燃烧、蓄热热力燃烧、浓缩催化燃烧等。燃烧技术的基理是VOCs在高温下发生氧化反应，氧化反应的本质就是燃烧反应，是一种放热反应，VOCs在燃烧过程的放热量与VOCs的种类和浓度有关。
" b& y% i7 L5 {* q2 @5 `( v
因而，从安全方面考虑，VOCs燃烧的安全使用浓度显得尤为重要。了解VOCs燃烧过程的温升和可燃气体爆炸下限，有利于提高RTO、RCO设备技术的安全性能。
' m" X% d' @/ Y: Z4 _
; j) P) G( }6 F8 E
6 v* A( }, G$ v: o5 _/ A

1、VOCs的爆炸下限是什么？
  d2 G( w! n( J  v5 X
5 y7 I6 j7 k, r: W* S) O可燃气体在空气中遇明火火种爆炸的最低浓度，称之为爆炸下限，亦称燃烧下限，英文名称Lower Explosion Limited，即%LEL。空气中可燃气体浓度达到其爆炸下限值时，这个场所可燃气环境爆炸危险度就达到了百分之百，即100％LEL；如果可燃气体含量只达到其爆炸下限的百分之十，那这个场所此时的可燃气环境爆炸危险度为10％LEL。

下表是常见VOCs在标准状态下爆炸下限值。为了确保VOCs处理设备的安全运行，VOCs废气的浓度必须控制在对应有机物爆炸极限的25%以下。

/ f- f$ E# |; o! r
6 @8 A1 t, P7 ^+ d( g& w8 h

为什么要控制在25%LEL以下呢？首先，可燃气体的爆炸下限浓度与可燃气体的初始温度有关：以正己烷为例，下图是温度对于正己烷爆炸下限浓度的影响（姚洁等，工业安全与环保，2012，38（2）：48），可见当可燃气体初始温度提高，相应爆炸下限浓度下降。
  B! @# y7 S. l! Z% m# m0 C# p" z



1 L( K' W! K0 d, R0 T  ?当气体温度达到600K（327°C）时，爆炸下限浓度达到室温的75%，所以提高温度会导致爆炸下限浓度明显下降。而且实际工况中大多数是混合VOCs，混合VOCs的爆炸下限浓度具有不确定性。所以，实际操作中要控制在LEL浓度的25%内。

2、VOCs燃烧过程中的绝热温升

什么是绝热温升？绝热温升指放热反应物完全转化时所放出的热量可以使物料升高的温度。其表达式为：



5 H9 a3 c5 B3 [: B! J- @* t3 d
4 a9 W! j3 P4 A! r# v' d式中分子为反应热（J/mol）与物料摩尔浓度(mol/L)的乘积；分母为物料平均密度(kg/L)与物料平均比热容(J/kg*K)的乘积。
5 D- D4 ~4 j& c0 [  }- D
VOCs的燃烧过程是强放热反应，因放热使得气体温度的升高。下表是几种常见VOCs浓度1000mg/m3时完全燃烧的绝热温升。
' h4 e3 \3 r  h3 O
9 L6 p9 e9 F+ f' X  f
( E2 J$ E- \( ?( S

如果采用催化燃烧技术处理VOCs，在设备和催化正常的情况下，催化反应前后气体温度的变化（温升）则反映了VOCs的浓度变化。如1000mg/m3甲苯完全燃烧的绝热温升为31.95°C，如在实际使用过程中，温升达到320°C，那就说明甲苯浓度大约达到了10000mg/m3，此时已经非常接近甲苯的25%LEL值，已经是非常不安全了，必须及时降低甲苯浓度。
: u& X( S  _, X/ q4 K9 n) v
9 N' i0 e+ _5 _( p) L+ w在活性炭浓缩-催化燃烧系统中，在活性炭脱附过程，可以通过VOCs催化剂床层的温升，来检测VOCs浓度的变化，很多可燃气体浓度报警器就是利用这一原理。

3、VOCs设备的防爆注意点

1、处理装置设计和采用的电器元件必须按照规范要求符合防爆等级
0 m+ o1 O  i/ y0 ]1 p! }% e# p
2、设备布置要满足安全距离的要求

3、与气体接触的自动控制阀必须使用气动阀
( q  s  X! r- e. L
# `$ t, Y! O) L: M4、必须选用防爆风机
1 o2 K- e; @/ W
; S5 u* g7 d  V5、在所有处理系统中必须在适当位置安装符合国家标准的阻火器

6、在处理装置中的敏感部位（超温、超压等）要按照规范设置报警装置及应急处理措施
: B6 n( d' p' D! ~) B
7、为确保运行安全，必要时可采用连锁设计
- w) q2 ?& g3 y3 }5 |
8、要考虑现场整体的安全、环境应急预案


/ u/ G  C; P0 E+ B0 Q4、VOCs的爆炸下限基本概念及求解案例
1 y5 g/ |* x0 X5 P
7 v5 ], F9 Y8 K. ^( O5 }/ e有机废气大多为易燃易爆物质，被处理的VOCs混合气的爆炸性问题更是方案设计不可或缺的部分。

首先，分享几个基本概念。①闪点是指可燃气体挥发出的蒸气和空气的混合物与火源接触能够闪燃的最低温度。闪点越低，引发火灾事故的危险性越大。如常见的VOCs类汽油、苯、酒精等闪点在28℃以下，容易引发火灾事故。②爆炸极限也称爆炸浓度极限，是指可燃物质（可燃气体、蒸气和粉尘）与空气（或氧气）必须在一定的浓度范围内均匀混合，形成预混气，遇着火源才会发生爆炸，这个浓度范围。

# {5 L7 [' D7 E3 c4 |$ H
/ ]3 l4 \- P( N4 ]2 n* p1 n
. s+ F0 f/ H- d$ s0 Z
! Y0 q' m+ I6 A$ W/ N( g" D例如常见的VOC：苯，其与空气混合的爆炸极限为1.5%～9.5%，前后两个数字分别称为爆炸下限和爆炸上限，这两者有时亦称为着火下限和着火上限。在低于爆炸下限时不爆炸也不着火；在高于爆炸上限时不会爆炸，但能燃烧。这是由于前者的可燃物浓度不够，过量空气的冷却作用，阻止了火焰的蔓延；而后者则是空气不足，导致火焰不能蔓延的缘故。常见物质的爆炸极限如下，仅供参考：


: D$ f5 o8 I4 H  c
, x6 z2 k; P; S# O* L* s! g, d* i8 n
: x, v9 ~) g, z附：混合气体的爆炸极限计算（仅供参考）
1 E1 b+ E! g% |  V9 X
公式为：Lm=1/（Y1/L1+Y2/L2+Y3/L3），式中：
( A1 r  F, z* J) m4 D7 u+ y* X' k
Lm——混合VOCs爆炸极限（%）；

& Y5 J4 a) F$ k  ]% [4 ^4 |Y1、Y2、Y3——混合物中组成（%）；

2 T- y4 h0 [) x0 lL1、L2、L3——混合气体各组份相应的爆炸极限（%）。

& x# @! Z# g& z$ h例如：一天然气组成如下：甲烷80%（L下=5.0%）、乙烷15%（L下=3.22%）、丙烷4%（L下=2.37%）、丁烷1%（L下=1.86%）

求该天然气的爆炸下限。解：Lm=1/（80/5+15/3.22+4/2.37+1/1.86）= 4.369%