2021年4月23日，美國一家活性炭工廠(chǎng)發(fā)生爆炸，導致2人受傷。在行業(yè)中，還報道過(guò)多起活性炭床相關(guān)的火災事故。
一、案例-1
美國一家工廠(chǎng)在執行管道維修時(shí)，將活性炭吸附過(guò)濾器從工藝系統拆除后，進(jìn)出口未封閉，空氣可以自然流過(guò)活性炭床層。
此后不久，監控視頻拍到有濃煙產(chǎn)生，之后整個(gè)工藝系統和廠(chǎng)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(mǎn)足環(huán)保要求，一種常見(jiàn)的做法是利用活性炭床吸附儲罐排出的揮發(fā)性有機化合物（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?zhù)火，然后燒回到儲罐，在儲罐內發(fā)生了爆炸（在儲罐和活性炭床之間設計了阻火器，但沒(méi)有安裝）。消防人員奮戰了3天才將罐區的火撲滅。事故發(fā)生后，對類(lèi)似儲罐所采用的活性炭床的溫度進(jìn)行測定，發(fā)現溫度在49℃至66℃之間，此溫度并不足以引燃易燃蒸氣。據活性炭床廠(chǎng)家介紹，在活性炭床內存在局部高溫點(diǎn)（Hot Spots），它們足以引燃易燃蒸氣。
三、燃燒機理和危害
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(guò)程。熱量釋放會(huì )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(jiàn)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(huì )發(fā)生氧化。一旦氧化發(fā)生，所釋放的熱量就會(huì )呈現數量級的增長(cháng)，造成表面溫度進(jìn)一步升高，形成局部高溫，當含有機蒸氣的空氣流過(guò)活性炭床層時(shí)就可能引燃。新安裝的活性炭床，當活性炭在室溫下接觸空氣時(shí)會(huì )發(fā)生氧化反應。當活性炭快速暴露于氧氣和水分時(shí)，也會(huì )發(fā)生氧化反應，該反應持續幾分鐘或數小時(shí)?；钚蕴看策€可能自己產(chǎn)生熱，主要是碳發(fā)生氧化所導致的，這是一個(gè)緩慢的過(guò)程，可能持續數周。在通常的操作條件下，活性炭表面的溫度升高不易導致火災，因為氣體流速在正常的范圍內，會(huì )帶走熱量使得活性炭表面的溫度不至于達到引起著(zhù)火的溫度。相反，工作中的活性炭床停下來(lái)以后，發(fā)生燃燒的風(fēng)險會(huì )增大。以下三種情形，活性炭床著(zhù)火風(fēng)險較大：
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，在設計和安裝活性炭吸附系統時(shí)充分考慮VOC的組分和濃度等因素。活性炭吸附是放熱過(guò)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，例如含氧的碳氫化合物。此外，酮類(lèi)、醛類(lèi)、丙酸和丁酸等酸性物質(zhì)、有機硫的化合物如硫醇，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）。 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，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，雖然設計了阻火器但未安裝，當活性炭床著(zhù)火后，就蔓延到了儲罐里，導致罐區火災。
措施-4
在儲罐上設置安全閥，以防止活性炭床阻塞時(shí)導致儲罐超壓。在儲罐上，如果沒(méi)有安裝活性炭床，通常我們會(huì )設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(lái)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(zhù)液位上升，儲罐內的不凝氣（如氮氣）會(huì )被壓縮，導致儲罐壓力升高甚至超壓破裂，因此需要在儲罐上設置泄壓裝置，如安全閥（也可以設置呼吸閥）。此外，在儲罐和活性炭床之間，有時(shí)需要安裝破真空閥（類(lèi)似儲罐呼吸閥），其目的是避免活性炭下游的引風(fēng)裝置運行時(shí)在儲罐內形成真空，導致儲罐真空破壞。如果儲罐本身有呼吸閥，或在活性炭下游沒(méi)有引風(fēng)裝置，則沒(méi)有必要在儲罐和活性炭床之間的管段上設置破真空閥。
措施-5
為易燃液體儲罐設置氮封，消除燃燒需要的足夠濃度的氧氣。對于易燃液體儲罐，設置氮封是非常好的舉措：一方面降低安全風(fēng)險（降低火災爆炸風(fēng)險），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(méi)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)險會(huì )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置氮封。
措施-6
初次使用活性炭床時(shí)，將它打濕來(lái)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(guò)加濕來(lái)防止局部過(guò)熱。據文獻，如果所處理的氣體的相對濕度達到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
監控活性炭床的溫度；在安裝初期，監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(huì )表現出局部溫度升高，而且會(huì )氧化產(chǎn)生部分一氧化碳和二氧化碳氣體。在使用的初期，可以通過(guò)監測溫度和一氧化碳及二氧化碳濃度，來(lái)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
定期維護活性炭床的閥門(mén)，防止空氣從連接處漏到活性炭床內。安裝在儲罐上的活性炭床，如果在出口沒(méi)有引風(fēng)裝置（如引風(fēng)機），則可以理解在活性炭床中是常壓或微正壓，因此空氣不會(huì )逆流進(jìn)入其中，此項措施可以忽略。如果在活性炭床的下游有引風(fēng)裝置，在正常運行時(shí)，活性炭床內通常有一定的負壓，如果連接活性炭床的閥門(mén)處泄漏，空氣會(huì )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(mén)的密封完好。
措施-9
做好活性炭床發(fā)生燃燒的應急反應計劃，并開(kāi)展培訓。這一點(diǎn)是常規要求，活性炭床著(zhù)火是可信的、也是值得關(guān)心的事故情景，工廠(chǎng)有必要編制針對性的應急計劃，并通過(guò)培訓讓相關(guān)人員了解應急反應的要求。
此外，活性炭床在停車(chē)期間的風(fēng)險往往更高，因為停車(chē)期間沒(méi)有氣流流過(guò)來(lái)帶走熱量（通?；钚蕴看驳臍怏w流速達到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(huì )部分脫吸出來(lái)，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(cháng)時(shí)間停車(chē)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氣，或者持續維持引風(fēng)裝置運行，在床層中保持足夠的氣流速度。
