常見VOCs燃燒的爆炸下限和絕熱溫升

燃燒技術是當前處理VOCs的主流技術，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。由于燃燒技術的基本原理是VOCs在高溫下發生氧化反應，氧化反應其本質就是燃燒反應，燃燒反應是放熱反應。VOCs燃燒過程的放熱量與VOCs種類和濃度有關。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氣體爆炸下限，有利于提高催化燃燒技術的安全性。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

可燃氣體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）。空氣中可燃氣體濃度達到其爆炸下限值時，我們稱這個場所可燃氣環境爆炸危險度為，即100％LEL。如果可燃氣體含量只達到其爆炸下限的百分之十，這個場所此時的可燃氣環境爆炸危險度為10％LEL。表1是常見VOCs在標準狀態下爆炸下限值。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有機物的爆炸極限的25%以下。

為什么可燃氣體濃度要控制25%LEL以下呢？首先可燃氣體燃燒的爆炸下限濃度與可燃氣體的初始溫度有關，圖1是溫度對正己烷爆炸下限濃度的影響（姚潔等，工業安全與環保，2012，38（2）：48）當可燃氣體初始溫度提高，爆炸下降濃度下降。當氣體溫度達到600K（327oC），爆炸下降濃度為室溫的75%，可見提高溫度導致爆炸下限濃度的明顯下降。其二是時間工況中大多數是混合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。

二、VOCs燃燒過程的絕熱溫升

VOCs在燃燒過程是強放熱反應，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處理VOCs，在設備和催化正常情況下，催化劑反應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，溫升達到320oC，那么甲苯濃度大約達到了10000mg/m3，已經達到了甲苯的25%LEL值，此時已經非常不安全了，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。很多可燃氣體濃度報警器就是利用這一原理的。