田 震 戴 卓 宋博達(dá)

(華南理工大學(xué)化工機(jī)械與安全工程研究所)

符號說明

c——t時刻設(shè)備內(nèi)可燃?xì)怏w濃度，%；

D——t時刻設(shè)備內(nèi)可燃?xì)怏w體積，D=c·V0，m3；

k——蒸發(fā)速率研究中的經(jīng)驗(yàn)常量，k= 9300 s/℃；

L——通風(fēng)速率，m3/s；

n——工件表面附著涂料總量，mol；

T——設(shè)備運(yùn)行時間，s；

t——設(shè)備運(yùn)行溫度，℃；

V0——設(shè)備內(nèi)氣體總體積，m3；

v1——溫度為T時的氣體摩爾體積，v1= 0.0224×(1+T/273)，m3。

熱風(fēng)循環(huán)干燥工藝被廣泛應(yīng)用于化工、制藥及涂裝等行業(yè)。當(dāng)干燥物料含有易燃有機(jī)成分時，干燥過程中可燃?xì)怏w不斷積聚，如果其濃度達(dá)到爆炸濃度下限，遇點(diǎn)火源(如設(shè)備內(nèi)高溫及設(shè)備接地不良引起靜電火花等)時就可能產(chǎn)生爆炸[1]。為預(yù)防熱風(fēng)循環(huán)干燥事故發(fā)生，GB 14443-2007等標(biāo)準(zhǔn)要求烘干室工作時應(yīng)不斷排出廢氣并補(bǔ)充新鮮空氣，以滿足室內(nèi)可燃?xì)怏w不發(fā)生積聚的要求。這種方法雖能有效降低干燥過程中設(shè)備火災(zāi)爆炸風(fēng)險，但存在干燥效率低及能耗高等問題[2]。

本質(zhì)安全(Inherent Safety)從過程設(shè)計和流程開發(fā)源頭上消除或降低過程的危害，能更有效防止事故發(fā)生[3]。本質(zhì)安全設(shè)計理論與方法在近些年得到較大的發(fā)展，如通過采用新的工藝路線以替換危險原料、改善過程條件苛刻度、增加設(shè)備可靠性或減少危險介質(zhì)量等。Goraya A等通過案例研究證明了強(qiáng)化本質(zhì)安全的設(shè)計思路有利于事故預(yù)防[4]；Hendershot D C等將本質(zhì)安全設(shè)計技術(shù)推廣至現(xiàn)有裝置改造研究[5]；Carvalho A等從本質(zhì)安全角度研究間歇生產(chǎn)過程工藝變更的風(fēng)險預(yù)防[6]。梁瑞等基于風(fēng)險與壽命的設(shè)計(RBD)理念，在設(shè)計階段分析承壓設(shè)備在建造和使用過程中可能出現(xiàn)的失效模式并實(shí)現(xiàn)設(shè)備本質(zhì)安全[7]；余文翟等通過提高反應(yīng)溫度、改變反應(yīng)混合性以及強(qiáng)化反應(yīng)器加料模式3種設(shè)計方案來降低硝酸氧化醇反應(yīng)工藝危險性[8]。上述研究雖然都遵循本質(zhì)安全化設(shè)計原則探討化工設(shè)備和過程工藝本質(zhì)安全改進(jìn)，但未全面考慮化工過程特征及事故風(fēng)險因素。

熱風(fēng)循環(huán)干燥設(shè)備具有干燥速率快、產(chǎn)量高及加熱均勻等優(yōu)點(diǎn)，但這種設(shè)備目前仍存在節(jié)能減排能力低的問題。目前干燥設(shè)備節(jié)能改造主要是通過優(yōu)化干燥工藝參數(shù)[9，10]、改進(jìn)工藝流程[11]或設(shè)備結(jié)構(gòu)[12]等傳統(tǒng)手段，然而從本質(zhì)安全化設(shè)計角度出發(fā)的節(jié)能改造研究尚不多見。筆者以某公司發(fā)生爆炸的熱風(fēng)循環(huán)干燥設(shè)備為研究對象，通過應(yīng)用強(qiáng)化、替代、緩和及簡化等本質(zhì)安全化設(shè)計技術(shù)[13，14]，從源頭上消除或減弱爆炸事故風(fēng)險，同時實(shí)現(xiàn)節(jié)能改造，對提升干燥設(shè)備安全性和節(jié)能水平具有重要的理論和工程應(yīng)用價值。

1 爆炸危險因素及本質(zhì)安全化改進(jìn)必要性分析

某公司熱風(fēng)循環(huán)干燥工藝流程如圖1所示。

圖1 熱風(fēng)循環(huán)干燥工藝流程

干燥罐采用半埋地立式設(shè)計。將罐底進(jìn)入的空氣加熱至預(yù)定工作溫度后，通過風(fēng)機(jī)輸送至干燥罐內(nèi)對工件表面涂料進(jìn)行干燥，然后在風(fēng)機(jī)帶動下從罐頂抽出，一部分通過排氣管路排出，另一部分通過循環(huán)管路再次回到罐底進(jìn)行加熱后循環(huán)利用。干燥設(shè)備和烘干涂料參數(shù)如下：

干燥罐規(guī)格φ2000mm×2000mm

干燥罐材料 16MnR

設(shè)備總?cè)莘e 7.80m3(干燥罐 6.28m3, 管路及其他1.52m3)

通風(fēng)換氣速率 1 200m3/h

工作壓力 不高于0.10MPa

工作溫度 150℃

繞組體積 0.342 m3

涂料質(zhì)量 23.262kg

涂料密度 1.72g/cm3

涂料成分 苯乙烯65.0%, 環(huán)氧樹脂28.0%, 桐油酸酐7.0%

該公司干燥車間的熱風(fēng)循環(huán)干燥設(shè)備爆炸現(xiàn)場如圖2所示。事故發(fā)生時干燥車間內(nèi)電梯繞組線圈表面涂料固化工序正在進(jìn)行中，造成兩名工人重傷，直接經(jīng)濟(jì)損失360余萬元人民幣。事故主要原因是干燥罐內(nèi)積聚的高濃度苯乙烯-空氣爆炸性混合氣體遇點(diǎn)火源發(fā)生爆炸[15]。

a. 罐內(nèi)被炸毀的繞組線圈

b. 爆炸時掀開的罐蓋

為分析干燥罐內(nèi)可燃性氣體濃度變化規(guī)律，利用Stolpe F和F?rster H提出的KLF模型模擬干燥過程中苯乙烯氣體濃度的變化[16]，KLF模型的具體表達(dá)式為：

V0dc=dD-cLdt

(1)

(2)

一次放入12組繞組、干燥溫度150℃條件下通風(fēng)速率對苯乙烯氣體濃度的影響模擬結(jié)果如圖3所示，通風(fēng)速率1 200m3/h、干燥溫度150℃條件下繞組表面涂料總質(zhì)量對苯乙烯氣體濃度的影響模擬結(jié)果如圖4所示。當(dāng)通風(fēng)速率遠(yuǎn)大于1 200m3/h時能避免干燥過程中最大苯乙烯濃度出現(xiàn)在爆炸范圍，但會造成極高的能耗。減少一次干燥的繞組數(shù)(即表面涂料量)可有效降低苯乙烯濃度，但會大大降低生產(chǎn)效率。

圖3 通風(fēng)換氣速率對苯乙烯氣體濃度的影響

為控制設(shè)備內(nèi)可燃物爆炸危險性，需對物料、工藝和設(shè)備3方面進(jìn)行本質(zhì)安全化改進(jìn)。

2 安全節(jié)能改進(jìn)研究

2.1 本質(zhì)安全節(jié)能改進(jìn)思路

熱風(fēng)循環(huán)干燥設(shè)備本質(zhì)安全節(jié)能改進(jìn)思路為

圖4 繞組表面涂料總質(zhì)量對苯乙烯

通過加入惰性氣體降低干燥過程中可燃性混合氣體爆炸危險性[17]；通過設(shè)置氮?dú)怆p進(jìn)氣回路和雙排氣回路，維持干燥系統(tǒng)微正壓，防止空氣進(jìn)入罐內(nèi)；同時簡化工藝過程，去除原來的間歇通風(fēng)換氣工序，將干燥系統(tǒng)改造為密閉全循環(huán)形式，從而綜合改善干燥工藝的安全和節(jié)能水平。本質(zhì)安全節(jié)能改進(jìn)思路涉及的具體事項(xiàng)列于表1。

表1 設(shè)備本質(zhì)安全節(jié)能改進(jìn)事項(xiàng)

2.2 干燥過程充氮控氧工藝設(shè)計

改進(jìn)后干燥設(shè)備以氮?dú)獯婵諝庾鳛檠h(huán)介質(zhì)進(jìn)行干燥。抑制干燥過程爆炸危險性。充入的氮?dú)饬啃枰３衷O(shè)備內(nèi)氧氣濃度低于苯乙烯氣體爆炸的最大允許氧含量[18]?，F(xiàn)將干燥罐內(nèi)最大允許氧含量控制為7%[19]。維持罐內(nèi)惰化環(huán)境和氧濃度則需不斷向罐內(nèi)充入氮?dú)獠⒈３窒到y(tǒng)微正壓。為適應(yīng)充氮控氧工序，對設(shè)備進(jìn)、出氣管路進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。

進(jìn)氣回路：如圖5所示，在干燥罐罐底設(shè)置雙氮?dú)饣芈愤M(jìn)氣，充氮管路在氮?dú)庵脫Q空氣和應(yīng)急充氮時使用；微充氮管路保證系統(tǒng)處于微正壓狀態(tài)并維持干燥罐內(nèi)始終處于惰化環(huán)境。

圖5 氮?dú)膺M(jìn)氣回路簡圖

排氣回路：在干燥罐罐頂設(shè)置雙排氣回路，一個排氣管路裝設(shè)重力閥，保證設(shè)備內(nèi)壓力超標(biāo)時能自動泄壓；另一排氣管路上裝設(shè)排氣閥，在罐內(nèi)氧濃度超標(biāo)時能及時排出一部分氣體，并在總排氣管路安裝防止氣體回流的止回閥。

2.3 干燥作業(yè)前后抽真空排氣

為解決原干燥系統(tǒng)干燥周期較長和尾氣處理措施缺陷問題，干燥作業(yè)前增加抽真空排氣工序，其目的是可加速罐內(nèi)空氣抽離，減少充氮置換過程中氮?dú)獾氖褂昧?，?jié)約干燥全過程消耗的時間和成本，提高干燥效率；干燥完成后增加抽真空排氣工序，其目的是可迅速將干燥過程中產(chǎn)生的可燃性混合物排出罐內(nèi)，保證開罐時可燃性氣體和氮?dú)鉂舛确习踩?。另外，還對設(shè)備氣體濃度檢測系統(tǒng)及其他安全輔助裝置進(jìn)行改良，得出改進(jìn)后干燥工藝流程如圖6所示。

圖6 改進(jìn)后的充氮控氧熱風(fēng)循環(huán)干燥工藝流程

3 改進(jìn)前后設(shè)備本質(zhì)安全度及節(jié)能對比分析

3.1 本質(zhì)安全化改進(jìn)效果對比研究

本質(zhì)安全指數(shù)ISI(Inherent Safety Index)評價法在國內(nèi)外被廣泛應(yīng)用于設(shè)備和工藝的物質(zhì)、反應(yīng)、過程和結(jié)構(gòu)危害評價[20]。改進(jìn)前后干燥設(shè)備與工藝各本質(zhì)安全指數(shù)取值和總體本質(zhì)安全度見表2。改進(jìn)后設(shè)備總體本質(zhì)安全程度較改進(jìn)前有明顯提高，I值(I=ICI+IPI)由26降至17。干燥工藝由于采用充氮控氧保持氧氣濃度低于安全限值，ICI從14降至7；在過程類指標(biāo)方面，由于干燥罐內(nèi)無法形成爆炸性氣體混合物，工藝過程安全性也得以提升，IPI從12降至10。

表2 改進(jìn)前后設(shè)備本質(zhì)安全指數(shù)對比

3.2 節(jié)能情況對比研究

改進(jìn)前后干燥系統(tǒng)的一次干燥用時和能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表3。改進(jìn)后能耗大大降低，繞組線圈(型號: PMEⅡ-11.7kW)干燥節(jié)能達(dá)82.5%。改進(jìn)后設(shè)備干燥全過程密閉循環(huán)，克服了原干燥系統(tǒng)因間歇通風(fēng)換氣造成大量熱損失的問題；設(shè)備由原來利用導(dǎo)熱油加熱改進(jìn)為純電加熱，可有效降低能耗。另外，設(shè)備干燥效率也提高約66.7%。干燥作業(yè)前后先進(jìn)行抽真空排氣，作業(yè)時間可大大縮短。

表3 改進(jìn)前后熱風(fēng)循環(huán)干燥系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)對比

4 結(jié)論

4.1針對熱風(fēng)循環(huán)干燥設(shè)備安全性低和能耗高的缺陷，提出充氮控氧、抽真空排氣、密閉全循環(huán)式的本質(zhì)安全和節(jié)能改進(jìn)思路，采用雙充氮進(jìn)氣回路，維持干燥罐內(nèi)始終處于惰化環(huán)境，同時設(shè)置自動泄壓排氣雙回路，以保持干燥過程中系統(tǒng)處于微正壓狀態(tài)(不大于0.1MPa)。

4.2運(yùn)用國內(nèi)外通用的ISI法對改進(jìn)效果進(jìn)行評價，改進(jìn)后在降低爆炸危險性(化學(xué)類指標(biāo)從14降到7)、提升設(shè)備安全性(過程類指標(biāo)從12降到10)等方面有明顯提高。同時改進(jìn)后設(shè)備試運(yùn)行能耗降低82.5%，干燥效率提高66.7%。該節(jié)能改進(jìn)技術(shù)對實(shí)現(xiàn)干燥過程安全、高效運(yùn)行具有重要意義。

[1] 楊志舟. 易燃液體火災(zāi)成災(zāi)機(jī)制及危險性控制技術(shù)研究[D]. 天津：天津理工大學(xué)，2008.

[2] 古國偉. 涂層烘干設(shè)備安全評價研究[D]. 廣州：華南理工大學(xué)，2012.

[3] 張帆，徐偉，石寧. 化工過程本質(zhì)安全化技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 安全、健康和環(huán)境，2015，15(1)：1～4.

[4] Goraya A, Amyotte R R, Khan F I. An Inherent Safety-Based Incident Investigation Methodology[J]. Process Safety Progress, 2004, 23(3): 197～205.

[5] Hendershot D C, Sussman J A, Winkler G E, et al. Implementing Inherently Safer Design in an Existing Plant[J]. Process Safety Progress, 2006, 25(1): 52～57.

[6] Carvalho A, Matos H A, Gani R. Design of Batch Operations: Systematic Methodology for Generation and Analysis of Sustainable Alternatives[J]. Computer and Chemical Engineering, 2009, 33(12): 2075～2090.

[7] 梁瑞，郭曉璐，姜峰，等. 承壓設(shè)備設(shè)計階段風(fēng)險評估技術(shù)方法研究[J]. 化工機(jī)械，2012，39(5)：586～590.

[8] 余文翟，華敏，潘旭海，等. 本質(zhì)安全化設(shè)計在硝酸氧化醇工藝中的應(yīng)用[J]. 化工進(jìn)展，2014，33(4)：1054～1059.

[9] 陳臻，李延軍，張璧光，等. 杉木木束熱風(fēng)循環(huán)干燥參數(shù)對干燥效率與能耗的影響[J]. 干燥技術(shù)與設(shè)備，2005，3(1)：27～31.

[10] 邱煒，王豪，袁蔡斌，等. 變性淀粉脫水及氣流干燥系統(tǒng)的控制策略優(yōu)化[J]. 化工自動化及儀表，2013，40(4)：439～442.

[12] 徐成海，張志軍，張世偉，等. 塔形連續(xù)式真空干燥設(shè)備節(jié)能方向的分析[J]. 化工機(jī)械，2009，36(3)：185～189.

[13] Amyotte P R, Pegg M J, Khan F I. Application of Inherent Safety Principles to Dust Explosion Prevention and Mitigation[J]. Process Safety and Environment Protection, 2009, 87(1): 35～39.

[14] 焦巍，劉遷，項(xiàng)曙光. 化工過程反應(yīng)路徑綜合方法的研究進(jìn)展[J]. 化工學(xué)報，2010，61(12)：3044～3050.

[15] Dou X, Tian Z. Research on Modelling and Controlling the Concentration of Combustible Solvent Vapors in Indirect Electrical Heating Circulation Dryer[J]. Procedia Engineering, 2012, 45(2): 477～482.

[16] Stolpe F, F?rster H. Investigations of the Formation of Explosive Mixtures in Dryers for Coatings[J]. Journal of Hazardous Materials, 2004, 112(3): 169～175.

[17] Chen C C, Wang T C, Liaw H J, et al. Nitrogen Dilution Effect on the Flammability Limits for Hydrocarbons[J]. Journal of Hazardous Materials, 2009,166(2/3): 880～890.

[18] 張增亮，蔡康旭. 可燃?xì)怏w(液體蒸氣)的爆炸極限與最大允許氧含量的對比研究[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報，2005，15(12)：64～68.

[19] Crowl D A. Minimize the Risks of Flammable Materials[J]. Chemical Engineering Progress, 2012, 108(4): 28～33.

[20] 葉君樂，蔣軍成，陰健康，等. 基于模糊綜合評價的化工工藝本質(zhì)安全指數(shù)研究[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報，2010，20(6)：125～130.