活性炭床火灾预防及安全措施详解

活性炭床火灾预防及安全措施详解2021年4月23日，美国一家活性炭工厂发生爆炸，导致2人受伤。在行业中，还报道过多起活性炭床相关的火灾事故。一、案例-1美国一家工厂在执行管道维修时，将活性炭吸附过滤器从工艺系统拆除后，进出口未封闭，空气可以自然流过活性炭床层。此后不久，监控视频拍到有浓烟产生，之后整个工艺系统和厂房都被烧毁（如图-1所示）。二、案例-2易燃液体储罐在进料时，罐内液位升高，气相部分压力随之升高（气相中有不凝气，进料时气相空间缩减），需要对外排气。为了满足环保要求，一种常见的做法是利用活性炭床吸附储罐排出的挥发性有机化合物（VOC），以减少污染物排放并减轻气味。这种做法对环境是好的，但必须采取安全措施防止活性炭床发生燃烧和避免储罐爆炸。图-2所示是一台发生火灾的易燃液体储罐。该储罐使用了活性炭床吸附尾气中VOC。活性炭床先着火，然后烧回到储罐，在储罐内发生了爆炸（在储罐和活性炭床之间设计了阻火器，但没有安装）。消防人员奋战了3天才将罐区的火扑灭。事故发生后，对类似储罐所采用的活性炭床的温度进行测定，发现温度在49℃至66℃之间，此温度并不足以引燃易燃蒸气。据活性炭床厂家介绍，在活性炭床内存在局部高温点（HOtSpOts），它们足以引燃易燃蒸气。三、燃烧机理和危害活性炭的比表面积非常大，气体物质吸附到固体的活性炭上是放热过程。热量释放会加热活性炭床层和流经它的气体物质。如果温度足够高且有氧存在（常见是气体中的氧气），活性炭床、所吸附的可燃物和流经床层的气体就会发生氧化。一旦氧化发生，所释放的热量就会呈现数量级的增长，造成表面温度进一步升高，形成局部高温，当含有机蒸气的空气流过活性炭床层时就可能引燃。新安装的活性炭床，当活性炭在室温下接触空气时会发生氧化反应。当活性炭快速暴露于氧气和水分时，也会发生氧化反应，该反应持续几分钟或数小时。活性炭床还可能自己产生热，主要是碳发生氧化所导致的，这是一个缓慢的过程，可能持续数周。在通常的操作条件下，活性炭表面的温度升高不易导致火灾，因为气体流速在正常的范围内，会带走热量使得活性炭表面的温度不至于达到引起着火的温度。相反，工作中的活性炭床停下来以后，发生燃烧的风险会增大。以下三种情形，活性炭床着火风险较大：VOC的浓度过高。特别是含有醛、酮和醋酸酯类等有机蒸气，在初始吸附后分解放热，导致进一步升温。活性炭本身。当活性炭被氢氧化钾或碱液浸渍时，这些杂质会起到催化作用，促进有机溶剂分解后的二次反应，并可能导致局部过热。气流速度过低。足够的气流将消散活性炭床吸附所产生的热。活性炭床停止运行时就不再有气流，当其它危险因素存在时，就易引发火灾。四、安全措施如何防止储罐尾气吸附的活性炭床发生燃烧事故？建议考虑以下措施（如图-3所示）：措施-1了解所处理的VOC的成分，在设计和安装活性炭吸附系统时充分考虑VOC的组分和浓度等因素。说明活性炭吸附是放热过程。放热量和几种主要因素密切相关，包括所处理的尾气的物性、气流速度、气体中杂质含量、气体的湿度以及所处理物质的反应特性等。对于某些化学物质，在活性炭表面吸附能释放大量的热，例如含氧的碳氢化合物。此外，酮类、醛类、丙酸和丁酸等酸性物质、有机硫的化合物如硫醇，这些物质吸附在活性炭床也都能发生燃烧。因此，在确定活性炭床的危害时，需要先了解所处理的工艺介质的情况，特别是组分。措施-2在活性炭床和储罐之间安装止回阀和破真空阀。安装止回阀是为了避免空气进入储罐和活性炭床；安装破真空阀是为了防止储罐遭受真空损坏。措施-3在储罐尾气出口管道上设置阻火器，以防止活性炭床燃烧时烧回储罐（阻火器需定期检查与维护）。说明利用活性炭吸附处理易燃液体储罐的尾气时，在活性炭床发生燃烧的可能性相对较大。为了防止活性炭床的燃烧蔓延至储罐内，因此在储罐至活性炭床之间（通常在储罐尾气出口至活性炭床之间的管道上）安装阻火器。案例2中，虽然设计了阻火器但未安装，当活性炭床着火后，就蔓延到了储罐里，导致罐区火灾。措施-4在储罐上设置安全阀，以防止活性炭床阻塞时导致储罐超压。说明在储罐上，如果没有安装活性炭床，通常我们会设置呼吸阀或安全阀等泄压装置。这里所建议的安全阀就是直接安装在储罐顶上的泄压装置。在储罐上安装了活性炭床用来处理尾气后，储罐的尾气通常都是流经活性炭床并排出。如果活性炭床发生堵塞，在储罐进料时，随着液位上升，储罐内的不凝气（如氮气）会被压缩，导致储罐压力升高甚至超压破裂，因此需要在储罐上设置泄压装置，如安全阀（也可以设置呼吸阀）。此外，在储罐和活性炭床之间，有时需要安装破真空阀（类似储罐呼吸阀），其目的是避免活性炭下游的引风装置运行时在储罐内形成真空，导致储罐真空破坏。如果储罐本身有呼吸阀，或在活性炭下游没有引风装置，则没有必要在储罐和活性炭床之间的管段上设置破真空阀。措施-5为易燃液体储罐设置氮封，消除燃烧需要的足够浓度的氧气。说明对于易燃液体储罐，设置氮封是非常好的举措：一方面降低安全风险（降低火灾爆炸风险），另一方面也可以减少易燃液体蒸气的挥发，对环境更有利。如果储罐没有氮封，对于很多易燃液体储罐而言，在储罐的气相空间部分往往就是爆炸性的气氛，倘若再增加活性炭床（潜在引火源），风险会更高。因此，如果为易燃液体储罐安装活性炭吸附装置，就更有必要为储罐设置氮封。措施-6初次使用活性炭床时，将它打湿来消除最初产生的蓄热。说明有研究表明，与使用了两年以上的活性炭床相比较，新投用的活性炭床的氧化速率更快。对于新的活性炭床，可以通过加湿来防止局部过热。据文献，如果所处理的气体的相对湿度达到5%，就可以有效避免活性炭床燃烧。请注意，这里的“打湿”并不是将活性炭泡在水里或直接对它喷水，而是稍微增加湿度。措施-7监控活性炭床的温度；在安装初期，监控活性炭床释放的一氧化碳和二氧化碳浓度。说明活性炭床在发生燃烧前，先会表现出局部温度升高，而且会氧化产生部分一氧化碳和二氧化碳气体。在使用的初期，可以通过监测温度和一氧化碳及二氧化碳浓度，来了解床层是否发生异常。由于往往先是在局部形成高温点，温度的检测有一定的难度。措施-8定期维护活性炭床的阀门，防止空气从连接处漏到活性炭床内。说明安装在储罐上的活性炭床，如果在出口没有引风装置（如引风机），则可以理解在活性炭床中是常压或微正压，因此空气不会逆流进入其中，此项措施可以忽略。如果在活性炭床的下游有引风装置，在正常运行时，活性炭床内通常有一定的负压，如果连接活性炭床的阀门处泄漏，空气会进入床层。因此，有必要确保与活性炭床相连的管道和阀门的密封完好。措施-9做好活性炭床发生燃烧的应急反应计划，并开展培训。说明这一点是常规要求，活性炭床着火是可信的、也是值得关心的事故情景，工厂有必要编制针对性的应急计划，并通过培训让相关人员了解应急反应的要求。此外，活性炭床在停车期间的风险往往更高，因为停车期间没有气流流过来带走热量（通常活性炭床