2021年4月23日，美國一家活性炭工廠發(fā)生爆炸，導致2人受傷。在行業(yè)中，還報道過多起活性炭床相關(guān)的火災事故。
一、案例-1
美國一家工廠在執(zhí)行管道維修時，將活性炭吸附過濾器從工藝系統(tǒng)拆除后，進出口未封閉，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
易燃液體儲罐在進料時，罐內(nèi)液位升高，氣相部分壓力隨之升高（氣相中有不凝氣，進料時氣相空間縮減），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?，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（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，造成表面溫度進一步升高，形成局部高溫，當含有機蒸氣的空氣流過活性炭床層時就可能引燃。新安裝的活性炭床，當活性炭在室溫下接觸空氣時會發(fā)生氧化反應。當活性炭快速暴露于氧氣和水分時，也會發(fā)生氧化反應，該反應持續(xù)幾分鐘或數(shù)小時?；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致火災，因為氣體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)生燃燒的風險會增大。
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)計和安裝活性炭吸附系統(tǒng)時充分考慮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)的反應特性等。
對于某些化學物質(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、醛類、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，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，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)計了阻火器但未安裝，當活性炭床著火后，就蔓延到了儲罐里，導致罐區(qū)火災。
措施-4
在儲罐上設(shè)置安全閥，以防止活性炭床阻塞時導致儲罐超壓。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，在儲罐進料時，隨著液位上升，儲罐內(nèi)的不凝氣（如氮氣）會被壓縮，導致儲罐壓力升高甚至超壓破裂，因此需要在儲罐上設(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裝置運行時在儲罐內(nèi)形成真空，導致儲罐真空破壞。如果儲罐本身有呼吸閥，或在活性炭下游沒有引風裝置，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：一方面降低安全風險（降低火災爆炸風險），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），風險會更高。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，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，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(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氣體。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，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，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裝置（如引風機），則可以理解在活性炭床中是常壓或微正壓，因此空氣不會逆流進入其中，此項措施可以忽略。如果在活性炭床的下游有引風裝置，在正常運行時，活性炭床內(nèi)通常有一定的負壓，如果連接活性炭床的閥門處泄漏，空氣會進入床層。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)生燃燒的應急反應計劃，并開展培訓。這一點是常規(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急計劃，并通過培訓讓相關(guān)人員了解應急反應的要求。
此外，活性炭床在停車期間的風險往往更高，因為停車期間沒有氣流流過來帶走熱量（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氣，或者持續(xù)維持引風裝置運行，在床層中保持足夠的氣流速度。
