常見VOCs燃燒的爆炸下限和絕熱溫升

燃燒技術(shù)是當(dāng)前處理VOCs的主流技術(shù)，包括催化燃燒、熱力燃燒、蓄熱催化燃燒、蓄熱熱力燃燒、濃縮-（催化）燃燒等。由于燃燒技術(shù)的基本原理是VOCs在高溫下發(fā)生氧化反應(yīng)，氧化反應(yīng)其本質(zhì)就是燃燒反應(yīng)，燃燒反應(yīng)是放熱反應(yīng)。VOCs燃燒過程的放熱量與VOCs種類和濃度有關(guān)。此外，從安全考慮，很有必要了解VOCs燃燒的安全使用濃度。了解燃燒過程溫升和可燃?xì)怏w爆炸下限，有利于提高催化燃燒技術(shù)的安全性。下面通過常見VOCs，對這兩方面做簡單介紹。

一、VOCs的爆炸（燃燒）下限

可燃?xì)怏w在空氣中遇明火種爆炸的低濃度，稱為爆炸下限，也稱燃燒下限，簡稱為"LEL"（LowerExplosionLimited）。空氣中可燃?xì)怏w濃度達(dá)到其爆炸下限值時，我們稱這個場所可燃?xì)猸h(huán)境爆炸危險度為，即100％LEL。如果可燃?xì)怏w含量只達(dá)到其爆炸下限的百分之十，這個場所此時的可燃?xì)猸h(huán)境爆炸危險度為10％LEL。表1是常見VOCs在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下爆炸下限值。為了確保VOCs燃燒處理過程安全，VOCs廢氣的濃度必須控制在相應(yīng)有機(jī)物的爆炸極限的25%以下。

為什么可燃?xì)怏w濃度要控制25%LEL以下呢？首先可燃?xì)怏w燃燒的爆炸下限濃度與可燃?xì)怏w的初始溫度有關(guān)，圖1是溫度對正己烷爆炸下限濃度的影響（姚潔等，工業(yè)安全與環(huán)保，2012，38（2）：48）當(dāng)可燃?xì)怏w初始溫度提高，爆炸下降濃度下降。當(dāng)氣體溫度達(dá)到600K（327oC），爆炸下降濃度為室溫的75%，可見提高溫度導(dǎo)致爆炸下限濃度的明顯下降。其二是時間工況中大多數(shù)是混合VOCs，混合VOCs也帶來爆炸下限濃度的不確定性。因此，實際工程中要控制在LEL濃度的25%內(nèi)。

二、VOCs燃燒過程的絕熱溫升

VOCs在燃燒過程是強放熱反應(yīng)，由于放熱使得氣體溫度的升高。表2是VOCs濃度1000mg/m3時*燃燒的絕熱溫升。如采用催化燃燒技術(shù)處理VOCs，在設(shè)備和催化正常情況下，催化劑反應(yīng)前后氣體溫度的變化（溫升）反映了VOCs的濃度的變化。如1000mg/m3甲苯*燃燒的絕熱溫升為31.95oC，如果在實際使用過程中，溫升達(dá)到320oC，那么甲苯濃度大約達(dá)到了10000mg/m3，已經(jīng)達(dá)到了甲苯的25%LEL值，此時已經(jīng)非常不安全了，要及時降低甲苯濃度。在活性炭濃縮-催化燃燒系統(tǒng)中，在活性炭脫附過程，可以通過VOCs催化劑床層的溫升，來檢測VOCs濃度的變化。很多可燃?xì)怏w濃度報警器就是利用這一原理的。