2021年4月23日，美國一家活性炭工廠發(fā)生爆炸，導(dǎo)致2人受傷。在行業(yè)中，還報(bào)道過多起活性炭床相關(guān)的火災(zāi)事故。
一、案例-1
美國一家工廠在執(zhí)行管道維修時(shí)，將活性炭吸附過濾器從工藝系統(tǒng)拆除后，進(jìn)出口未封閉，空氣可以自然流過活性炭床層。
此后不久，監(jiān)控視頻拍到有濃煙產(chǎn)生，之后整個(gè)工藝系統(tǒng)和廠房都被燒毀（如圖-1所示）。
二、案例-2
易燃液體儲罐在進(jìn)料時(shí)，罐內(nèi)液位升高，氣相部分壓力隨之升高（氣相中有不凝氣，進(jìn)料時(shí)氣相空間縮減），需要對外排氣。為了滿足環(huán)保要求，一種常見的做法是利用活性炭床吸附儲罐排出的揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC），以減少污染物排放并減輕氣味。這種做法對環(huán)境是好的，但必須采取安全措施防止活性炭床發(fā)生燃燒和避免儲罐爆炸。圖-2所示是一臺發(fā)生火災(zāi)的易燃液體儲罐。該儲罐使用了活性炭床吸附尾氣中VOC?；钚蕴看蚕戎?，然后燒回到儲罐，在儲罐內(nèi)發(fā)生了爆炸（在儲罐和活性炭床之間設(shè)計(jì)了阻火器，但沒有安裝）。消防人員奮戰(zhàn)了3天才將罐區(qū)的火撲滅。事故發(fā)生后，對類似儲罐所采用的活性炭床的溫度進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)溫度在49℃至66℃之間，此溫度并不足以引燃易燃蒸氣。據(jù)活性炭床廠家介紹，在活性炭床內(nèi)存在局部高溫點(diǎn)（Hot Spots），它們足以引燃易燃蒸氣。
三、燃燒機(jī)理和危害
活性炭的比表面積非常大，氣體物質(zhì)吸附到固體的活性炭上是放熱過程。熱量釋放會加熱活性炭床層和流經(jīng)它的氣體物質(zhì)。如果溫度足夠高且有氧存在（常見是氣體中的氧氣），活性炭床、所吸附的可燃物和流經(jīng)床層的氣體就會發(fā)生氧化。一旦氧化發(fā)生，所釋放的熱量就會呈現(xiàn)數(shù)量級的增長，造成表面溫度進(jìn)一步升高，形成局部高溫，當(dāng)含有機(jī)蒸氣的空氣流過活性炭床層時(shí)就可能引燃。新安裝的活性炭床，當(dāng)活性炭在室溫下接觸空氣時(shí)會發(fā)生氧化反應(yīng)。當(dāng)活性炭快速暴露于氧氣和水分時(shí)，也會發(fā)生氧化反應(yīng)，該反應(yīng)持續(xù)幾分鐘或數(shù)小時(shí)?；钚蕴看策€可能自己產(chǎn)生熱，主要是碳發(fā)生氧化所導(dǎo)致的，這是一個(gè)緩慢的過程，可能持續(xù)數(shù)周。在通常的操作條件下，活性炭表面的溫度升高不易導(dǎo)致火災(zāi)，因?yàn)闅怏w流速在正常的范圍內(nèi)，會帶走熱量使得活性炭表面的溫度不至于達(dá)到引起著火的溫度。相反，工作中的活性炭床停下來以后，發(fā)生燃燒的風(fēng)險(xiǎn)會增大。以下三種情形，活性炭床著火風(fēng)險(xiǎn)較大：
四、安全措施
如何防止儲罐尾氣吸附的活性炭床發(fā)生燃燒事故？建議考慮以下措施（如圖-3所示）：
措施-1
了解所處理的VOC的成分，在設(shè)計(jì)和安裝活性炭吸附系統(tǒng)時(shí)充分考慮VOC的組分和濃度等因素。活性炭吸附是放熱過程。放熱量和幾種主要因素密切相關(guān)，包括所處理的尾氣的物性、氣流速度、氣體中雜質(zhì)含量、氣體的濕度以及所處理物質(zhì)的反應(yīng)特性等。
對于某些化學(xué)物質(zhì)，在活性炭表面吸附能釋放大量的熱，例如含氧的碳?xì)浠衔?。此外，酮類、醛類、丙酸和丁酸等酸性物質(zhì)、有機(jī)硫的化合物如硫醇，這些物質(zhì)吸附在活性炭床也都能發(fā)生燃燒。
因此，在確定活性炭床的危害時(shí)，需要先了解所處理的工藝介質(zhì)的情況，特別是組分。
在活性炭床和儲罐之間安裝止回閥和破真空閥。安裝止回閥是為了避免空氣進(jìn)入儲罐和活性炭床；安裝破真空閥是為了防止儲罐遭受真空損壞。
措施-3
在儲罐尾氣出口管道上設(shè)置阻火器，以防止活性炭床燃燒時(shí)燒回儲罐（阻火器需定期檢查與維護(hù)）。 利用活性炭吸附處理易燃液體儲罐的尾氣時(shí)，在活性炭床發(fā)生燃燒的可能性相對較大。為了防止活性炭床的燃燒蔓延至儲罐內(nèi)，因此在儲罐至活性炭床之間（通常在儲罐尾氣出口至活性炭床之間的管道上）安裝阻火器。案例2中，雖然設(shè)計(jì)了阻火器但未安裝，當(dāng)活性炭床著火后，就蔓延到了儲罐里，導(dǎo)致罐區(qū)火災(zāi)。
措施-4
在儲罐上設(shè)置安全閥，以防止活性炭床阻塞時(shí)導(dǎo)致儲罐超壓。在儲罐上，如果沒有安裝活性炭床，通常我們會設(shè)置呼吸閥或安全閥等泄壓裝置。這里所建議的安全閥就是直接安裝在儲罐頂上的泄壓裝置。在儲罐上安裝了活性炭床用來處理尾氣后，儲罐的尾氣通常都是流經(jīng)活性炭床并排出。如果活性炭床發(fā)生堵塞，在儲罐進(jìn)料時(shí)，隨著液位上升，儲罐內(nèi)的不凝氣（如氮?dú)猓粔嚎s，導(dǎo)致儲罐壓力升高甚至超壓破裂，因此需要在儲罐上設(shè)置泄壓裝置，如安全閥（也可以設(shè)置呼吸閥）。此外，在儲罐和活性炭床之間，有時(shí)需要安裝破真空閥（類似儲罐呼吸閥），其目的是避免活性炭下游的引風(fēng)裝置運(yùn)行時(shí)在儲罐內(nèi)形成真空，導(dǎo)致儲罐真空破壞。如果儲罐本身有呼吸閥，或在活性炭下游沒有引風(fēng)裝置，則沒有必要在儲罐和活性炭床之間的管段上設(shè)置破真空閥。
措施-5
為易燃液體儲罐設(shè)置氮封，消除燃燒需要的足夠濃度的氧氣。對于易燃液體儲罐，設(shè)置氮封是非常好的舉措：一方面降低安全風(fēng)險(xiǎn)（降低火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)），另一方面也可以減少易燃液體蒸氣的揮發(fā)，對環(huán)境更有利。如果儲罐沒有氮封，對于很多易燃液體儲罐而言，在儲罐的氣相空間部分往往就是爆炸性的氣氛，倘若再增加活性炭床（潛在引火源），風(fēng)險(xiǎn)會更高。因此，如果為易燃液體儲罐安裝活性炭吸附裝置，就更有必要為儲罐設(shè)置氮封。
措施-6
初次使用活性炭床時(shí)，將它打濕來消除最初產(chǎn)生的蓄熱。
有研究表明，與使用了兩年以上的活性炭床相比較，新投用的活性炭床的氧化速率更快。對于新的活性炭床，可以通過加濕來防止局部過熱。據(jù)文獻(xiàn)，如果所處理的氣體的相對濕度達(dá)到5%，就可以有效避免活性炭床燃燒。請注意，這里的“打濕”并不是將活性炭泡在水里或直接對它噴水，而是稍微增加濕度。
措施-7
監(jiān)控活性炭床的溫度；在安裝初期，監(jiān)控活性炭床釋放的一氧化碳和二氧化碳濃度。活性炭床在發(fā)生燃燒前，先會表現(xiàn)出局部溫度升高，而且會氧化產(chǎn)生部分一氧化碳和二氧化碳?xì)怏w。在使用的初期，可以通過監(jiān)測溫度和一氧化碳及二氧化碳濃度，來了解床層是否發(fā)生異常。由于往往先是在局部形成高溫點(diǎn)，溫度的檢測有一定的難度。
措施-8
定期維護(hù)活性炭床的閥門，防止空氣從連接處漏到活性炭床內(nèi)。安裝在儲罐上的活性炭床，如果在出口沒有引風(fēng)裝置（如引風(fēng)機(jī)），則可以理解在活性炭床中是常壓或微正壓，因此空氣不會逆流進(jìn)入其中，此項(xiàng)措施可以忽略。如果在活性炭床的下游有引風(fēng)裝置，在正常運(yùn)行時(shí)，活性炭床內(nèi)通常有一定的負(fù)壓，如果連接活性炭床的閥門處泄漏，空氣會進(jìn)入床層。因此，有必要確保與活性炭床相連的管道和閥門的密封完好。
措施-9
做好活性炭床發(fā)生燃燒的應(yīng)急反應(yīng)計(jì)劃，并開展培訓(xùn)。這一點(diǎn)是常規(guī)要求，活性炭床著火是可信的、也是值得關(guān)心的事故情景，工廠有必要編制針對性的應(yīng)急計(jì)劃，并通過培訓(xùn)讓相關(guān)人員了解應(yīng)急反應(yīng)的要求。
此外，活性炭床在停車期間的風(fēng)險(xiǎn)往往更高，因?yàn)橥＼嚻陂g沒有氣流流過來帶走熱量（通?；钚蕴看驳臍怏w流速達(dá)到0.2m/s就可以有效地帶走所產(chǎn)生的熱量），而且被吸附的一些易燃蒸氣會部分脫吸出來，甚至與床層中的空氣混合（如果存在空氣）形成爆炸性混合物。
因此，在大修和長時(shí)間停車期間，可以將活性炭床與儲罐或上游工藝單元隔離，還在活性炭床中充氮?dú)?，或者持續(xù)維持引風(fēng)裝置運(yùn)行，在床層中保持足夠的氣流速度。
