（化学工程专业论文）高压聚乙烯脱气料仓安全性分析和安全对策.pdf

中文摘要 管式法高压聚乙烯装置具有压力等级高、自控连锁系统复杂、工艺设备要求 苛刻等特点，因此在生产过程中存在较高的危险性。其中脱气料仓由于经造粒后 的聚乙烯颗粒因与料仓壁摩擦而产生静电以及易燃气体乙烯的存在，极易导致爆 炸，潜藏有巨大的安全隐患。因此，高压聚乙烯料仓的安全运行成为了高压装置 安全管理的重点。 本文从聚乙烯料仓发生闪爆事故的必备条件、料仓内乙烯的浓度和静电因素 方面对高压聚乙烯料仓的危险性做出了成因分析，并运用成因分析得到的结论对 齐鲁石化塑料厂发生的料仓事故的原因做了详细的分析与总结。在成因分析的基 础上，提出了针对脱气系统的改造策略，包括通风方式改进的四种方案和对脱气 风机电机、风机入口过滤器、料仓下料阀改造的具体方案。同时，提出了针对操 作过程的改进和事故扑救措施。与此同时，采用c f d 软件对提出的针对脱气系 统通风方式改造方案分别作出了模拟研究，并对模拟结果作出了分析和评价，确 定了优化方案。基于模拟结果，最终筛选出最佳的改造方案为在距仓底1 7 米高 的位置处增加二路风口。优选方案在生产中得以实施，根据改造前后对比，发现 乙烯含量明显下降，料仓的安全程度大为改善，表明通过c f d 模拟，对于筛选 工业装置的改造方案具有较强的指导意义。 最后，基于脱气仓实际生产改造成果，结合c f d 模拟研究，提出了保障料 仓安全的准则。准则对于国内外的高压聚乙烯装置的安全生产同样具有重要的指 导意义。 关键词：高压法聚乙烯脱气料仓安全c f d 模拟 a b s t r a c t h i g h - p r e s s u r ee t h y l e n ep o l y m e r i z a t i o nt u b u l a rr e a c t o rr e q u i r e se x t r e m e l yh i g h p r e s s u r ed u r i n gp r o d u c t i o np r o c e s s t h ew h o l ei n d u s t r i a lp l a n th a sac o m p l i c a t e d a u t o m a t i cc o n t r o la n dl i n k a g es y s t e m t h e r e f o r e ，t h ep r o d u c t i o np r o c e s sh a sh i g h r i s k s b e c a u s eo ft h ef l a m m a b l ee t h y l e n ei nl d p ep a r t i c l e sa n dt h ee l e c t r o s t a t i c p r o d u c e db yf i i c t i o n , s i l o sh a v eh i g hp o t e n t i a lh a z a r do fe x p l o s i o n t h u st h es a f e t yo f s i l o si so n eo f t h ek e y p o i n t so f p r o c e s sm a n a g e m e m i nt h i sa r t i c l e ，t h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h es a f e t yo fs i l o sa r ea n a l y z e d ，i n c l u d i n g t h ee s s e n t i a lc o n d i t i o mw h i c hc a nl e a dt oa ne x p l o s i o n , c a l c u l a t i o no fe t h y l e n e c o n c e n t r a t i o na n de l e c t r o s t a t i c t h er c a s o e l $ f o rs e v e r a la c c i d e n t so fs i l osi n p r o d u c t i o nw h i c hh a p p e n e di nq p e ch a v eb e e na n a l y z e da n de x p l a i n e di nd e t a i l s b a s e do nt h ea n a l y s i sm e n t i o n e da b o v e ，p l a n sf o rt h ei m p r o v e m e n to f p u r g i n gs y s t e m h a v eb e e np u tf o r w a r d , i n c l u d i n gf o u rp l a n sf o ri m p r o v i n gt h ev e n t i l a t i o na n d s p e c i f i c p l a n sf o rm o d i f y i n gt h em o t o ro ft h ef a n , t h ef i l t e ri nt h ee n t r a n c eo ft h ef a na n dt h e d i s c h a r g i n gv a l v eo ft h es i l o a tt h es a m et i m e ，p l a n sf o ri m p r o v i n gt h eo p e r a t i o n p r o c e s sa n df i r ef i g h t i n gm e a s u r e si nc a s eo fa c c i d e n t sa r ep u tf o r w a r dt o o p l a n sf o r i m p r o v i n gt h ev e n t i l a t i o nh a v eb e e ns i m u l a t e db ys o r w a r ec f d b a s e do nt h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ep l a no fa d d i n ga ne x t r aa e r a t i o np i p ea tt h eh e i g h to f1 7m f i o mt h eb o t t o mo ft h es i l oi sc o n s i d e r e dt h eb e s to n e a f t e rt h i sp r o c e d u r eb e i n g i m p l e m e n t e di np r a c t i c e ，i th a sb e e no b s e r v e dt h a tt h ee t h y l e n ec o n c e n t r a t i o nh a s l o w e r e da n dt h es a f e t yd e g r e eh a sb e e nr a i s e ds i g n i f i c a n t l y t h e r e f o r e ，t h i sp r o c e d u r e i sp r o v e de f f e c t i v ea n dh a sag u i d 啦s i g n i f i c a n c ef o rs e l e c t i n gi m p r o v i n gp l a n sf o r i n d u s t r i a lp l a n t s a tl a s t ，s e v e r a lm o s ti n f l u e n c i n gf a c t o r so nt h es a f e t yo fs i m m sa r ec o n c l u d e d b a s e do nt h ep r o d u c t i o ne x p e r i e n c ea n dt h ec f ds i m u l a t i o n t h e s ec o n c l u s i o n sa r e a l s ou s e f u lf o rt h es a f ep r o d u c t i o no fo t h e rh i g h - p r e s s u r ee t h y l e n ep o l y m e r i z a t i o n p l a n t si nc h i n aa n da r o u n dt h ew o r l d k e yw o r d s ：h i g h - p r e s s u r ee t h y l e n ep o l y m e r i z a t i o n , p u r g i n g ，s a f e t yo fs i l o s ， c f ds i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：占醐 签字日期：一呻年f 月2 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。 特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 幻咋孕偶 导师签名： 签字日期：上一年罗f 1 a 7 日 谎劣毫 签字日期：2 广年立月习日 第一章前言 第一章前言 高压聚乙烯作为通用树脂，以其良好的透明性和优异的加工性能被广泛地应 用于国民生活中，近年来，随着我国树脂工业的高速发展，高压聚乙烯装置的数 量与产能也得到了迅速的提高，至2 0 0 7 年底，国内高压聚乙烯装置已达1 2 套， 年生产能力达到2 1 3 8 万吨。与此同时，高压聚乙烯料仓事故也开始增多，事故 的发生不但给企业造成大的经济损失，产生较坏的社会影响，而且由于事故表现 形式的多样性和难预知性，也给企业的安全生产带来了极大的干扰和隐患，因此， 高压聚乙烯料仓的安全运行成为了高压装置安全管理的重点。 1 1 齐鲁高压聚乙烯装置的特点及料仓的特殊性 中石化齐鲁分公司的高压聚乙烯装置投资9 2 亿元，引进荷兰d s m 公司的 无脉冲高压管式法工艺，装置于1 9 9 8 年1 1 月1 3 日建成投产，设计生产能力1 4 万吨年，可生产5 4 个牌号的产品，为当时国内单线生产能力最大的装置，是齐 鲁4 5 万吨年乙烯改扩建工程的主要配套装置。 装置的简要工艺流程如下：原料乙烯经一次压缩机和二次压缩机升压至 2 5 0 m p a 后进入管式反应器，反应采用有机过氧化物作为引发剂，分四点注入反 应器，反应温度为2 6 5 - 2 9 5 ，单程转化率为2 5 - - 3 5 。熔融的呈粘流态的聚 乙烯和未反应的乙烯单体一起经反应器出料阀减压至2 5 m p a 后，进入高压分离器 分离。大部分未反应的乙烯经高压分离器分离后进入高压循环系统，经过冷却和 净化分离，高压循环气体返回二次机入口循环使用。从高压分离器底部出来的含 有部分乙烯单体的熔融聚乙烯再次减压至0 3 m p a 后，进入低压分离器，在低压 分离器中乙烯单体和聚乙烯进一步分离，分离出的乙烯气体返回到增压机入口循 环使用。熔融状态的聚乙烯进入挤压造粒机组造粒，产品颗粒首先进入干燥器离 心干燥，然后送到脱气料仓，在脱气料仓中，采用从料仓底部通风的方式脱除产 品中残余的可燃气体。然后，产品再送到掺混料仓掺混均匀，分析合格后，送至 包装料仓，产品经包装出厂。简单工艺流程见图1 1 。 第一章前言 - q 吾阻线包糕 图1 1 齐鲁高压聚乙烯装置简易流程 - 2 r - - 第一章前言 装置共有料仓1 6 个，材质均为铝镁合金。其中脱气料仓6 个：t 3 0 1 - t 3 0 4 每个容量为6 0 t ，t 3 0 5 t 3 0 6 每个容量为4 0 t ；掺混料仓2 个：m 3 0 1 m 3 0 2 每个容 量1 8 0 t ；包装料仓8 个，t 3 1 l - t 3 1 8 每个容量1 8 0 t 。为保证料仓的安全，所有 料仓都设计了底部通风进行脱气，底部通风的结构基本一致。自1 9 9 8 年装置投 产后，曾发生过三次料仓闪爆燃烧事故，其中两次分别发生在脱气料仓t 3 0 6 和 t 3 0 1 ，另一次发生在掺混料仓m 3 0 1 。所有六个脱气料仓t 3 0 1 t 3 0 6 均被中石 化列为i 类料仓【l 】，即为聚烯烃料仓中危险级别最高的、较危险料仓。相对于其 他聚烯烃料仓，高压聚乙烯料仓之所以危险，是由其生产工艺决定的，由于高压 聚乙烯的生产过程不同于其它聚烯烃，没有形成粉料脱气的过程，而是聚合后一 直以熔融状态存在，直至切粒，因此，其料仓内可燃气含量及料仓的危险性较其 它聚烯烃料仓明显偏高，基于此，对高压聚乙烯料仓闪爆起火的研究显得尤为 重要。 1 2 同类装置料仓事故背景 事故统计说明，绝大多数事故都是由i 隐患+ 触发因素i 共同作用造成的。其 中隐患可能包括固有隐患、交变隐患、单调增长隐患等。触发因素包括不安全状 态、不安全行为等。从安全经济学来说，寻找特定装置具体隐患部位和危险形式 是至关重要的。而吸取同类装置的事故教训，则是寻找隐患部位和危险形式的最 好捷径。 1 2 1 燕山l 群高压聚乙烯装置事故背景 北京燕山石化l 撑高压装置为三条生产线，单线生产能力6 万吨年，采用日 本住友公司的高压釜式法工艺，其料仓采用集中供风和分批量预处理净化的工艺 设计，但在具体结构设计上存在缺陷，当维护不善或操作出现偏差时，就会使气 体控制逐渐失效而发生爆炸。该装置1 9 7 6 年投产后，至9 8 年先后发生7 次闪爆 事故。其中计量斗h 一1 0 1 发生一次事故，掺混仓h 1 0 2 a 发生4 次事故，料仓 o h 2 5 1 发生的2 次爆炸事故基本属重复事故。事故统计见表1 1 。 h 1 0 2 掺混仓事故特点：事故频率较高、但事故规模不大；闪燃主要发生在 3 线h 1 0 2 仓、3 0 t 料位附近；仓内被内筒和隔板分成7 个间隔，闪燃熔痕和熔 料只发生在一个间隔内。以下通过调查数据分析上述现象，并确认事故成因。 ( 1 ) 静电调查：h 1 0 2 a 进料荷质比实测值：0 6 1 6 0 3 8 6 f c k g ，料仓间 隔临界荷质比计算值为0 2 5 ：c k g ，说明料仓间隔存在静电放电条件。 第一章前言 1 9 7 9 1 2 3 1 计量斗h 1 0 1 闪爆，事后检查发现进风管多处老化、断裂 1 9 8 4 5 1 5 掺混仓h 1 0 2 a 闪燃、着火 1 9 9 7 1 8 掺混仓h 一1 0 2 a 闪燃、熔料 1 9 9 8 2 6 掺混仓h 1 0 2 a 闪燃、熔料 1 9 9 8 4 2 0 掺混仓h 1 0 2 a 闪燃、熔料 1 9 9 7 1 4 料仓0 1 - i - 2 5 1 1 2 # 进料6 0 t ，净化1 7 h ，停l h ，送料1 5 h 时发生爆炸 1 9 9 8 1 6 料仓o h 2 5 1 3 5 婀莲料6 0 t ，净化1 4 h ，停3 5 m i n ，向包装车间送料2 5 m i n 时 发生爆炸着火 ( 2 ) 混合仓可燃气调查：料仓共进6 斗料，每斗5 t ，进最后_ 斗料时，在 排气孔可测到2 0 2 8 l e l ( 爆炸下限) 乙烯气。 ( 3 ) 料仓结构调查：h 1 0 2 a 结构简图见图1 2 ，从中可以看出两个缺欠： 一是底部反吹风口只有5 个，因此有2 个间隔净化效果不好( 料满时更差) 。如 前所述，料满时料仓乙烯平均浓度在2 0 2 8 l e l ，而在此间隔堆面上方，气体 浓度肯定超出安全控制范围( o 5 w t 或2 0 l e l ) 。事实上现场观察到的事故间隔 正好是上述2 个：盲区i 中的一个。二是内外筒间6 个隔板用l 6 5 i 6 5 i 6 角钢做加 强筋板，它们在接近堆面时很容易诱发火花放电。在现场观察发现，在多次出现 闪燃间隔的3 0 t 料位附近刚好有一突出筋板，在该筋板相邻的侧壁处可以看到 1 0 0 i s 0 0 m m 的闪燃熔痕。 4 第一章前言 图1 - 2h - 1 0 2 a 结构示意图 由以上调查可以确认，仓内静电放电和个别空间乙烯浓度超标，是h 1 0 2 发生闪燃的根源。至于事故主要发生在3 线系统，主要和3 线计量斗h 1 0 1 净化 效果有关。h 1 0 1 兼有计量、分析和净化脱挥功能。调查发现，3 线h 1 0 1 净化 风管( 4 8 只) 的连接软管，老化断裂最为严重( 4 个料斗损坏率约为1 5 4 ) 。 h 1 0 1 净化效果对h 1 0 2 气体状态的影响可以通过现场气体检测数据得到验证： 在h 1 0 1 断裂软管更换前，h 1 0 2 实测乙烯气为2 0 2 8 l e l ，h 1 0 1 更换软管 后，h 1 0 2 实测乙烯气降到8 9 l e l 。 o h 2 51 料仓事故特点：料仓爆炸冲击破坏较大，事故规模大；2 次事故均 发生在冬季最冷季节( 1 月) ；事故均发生在送料过程中。以下通过调查数据， 确认了事故原因。 ( 1 ) 静电调查：进料荷质比实测值：0 8 l l c k g ，料仓临界荷质比计算值： 0 0 8 c k g 。但事故过程发生在净化1 4 - - 一1 7 h 后的送料过程中，应与送料静电基 本无关。此外仓内无孤立导体和金属突出物，可以排除金属导体的火花放电几率。 在无其他热源情况下，现场只有一种可能，即物料堆面在冬季出现结霜、板结现 象，在送料时出现破碎静电或粘壁料的剥离。根据操作工反映，在冬季有时可以 看到堆面结霜现象。 第一章前言 ( 2 ) 冬季对o h 2 5 1 料仓爆炸的影响：该影响与装置集中供风系统有关， 国内同类装置一般采用分散的风机送风，风温受环境气温影响小( 一般在4 0 5 0 ) ，而集中供风系统管线长，冬夏温差变化较大。例如：两次爆炸时的环境 温度分别为1 l ，1 0 ，物料温度只有1 0 左右，而物料挥发分逸出速率通常 是粒子形状、温度和时间的函数，通过检测发现，冬季脱气效果至少减少2 0 以上，亦即增加了o h 2 5 1 料仓乙烯气的积聚。 1 2 2 金山l 撑高压聚乙烯装置事故背景 上海金山石化l 撑高压装置采用日本三菱油化公司的专利，属于管式法工艺， 与齐鲁高压装置较为类似。该装置原设计生产能力6 万吨年，1 9 7 6 年投产后， 于1 9 7 8 1 9 8 7 年进行了5 次扩容改造，年产量提高至7 8 万吨年，但因反吹净 化风没有作相应调整，料仓先后发生1 5 次爆炸，其中抽气料仓发生5 次爆炸( 1 9 8 8 1 9 9 3 年) ，不合格品料仓发生4 次爆炸( 1 9 9 7 1 9 9 8 年) ，这些事故都与料仓 可燃气浓度偏高有关。事故分析发现装置负荷提高后，料仓反吹风量严重不足 ( 1 4 4 0 m 3 h ) ，料仓可燃气体浓度高达0 8 w t ( 3 0 4 l e l ) ，比危险控制指标高 6 0 左右。事故统计见表1 2 【2 。 表1 - 2 金山l 群高压装置闪爆事故统计 第一章前言 ( 1 ) 料仓静电调查：对o t 4 0 1 抽气贮槽进行了7 个月2 2 次抽查，风送物料荷 质比分布为0 2 7 - 2 1 6 - , c k g ，平均值为0 7 ：c k g ，是临界荷质比( 0 1 2 ：c k g ) 的3 5 倍，说明堆面存在明显的沿面放电条件( 放电能量约为1 0 a d ) 。 ( 2 ) 料仓可燃气体调查：图1 3 中l 、2 、3 三条曲线分别是是o t 4 0 1 贮槽于 1 9 9 3 、1 9 9 4 、1 9 9 9 年三次气体检测记录，表明进料期间料仓乙烯浓度大都超出 安全控制范围( 0 5 w t 或2 0 l e l ) ，平均值分别为1 0 5 w t ( 4 0 l e l ) 、0 6 8 w t ( 2 6 l e l ) 、0 8 w t ( 2 9 l e l ) ，与粉尘混合的最小点火能分别为7 、9 、8 4 m j ， 均为 l o( 3 2 4 ) u 通过环线对料仓通风脱气可以获得较好的通风分布【2 3 1 1 2 4 。此外，必须考虑 风通过床层后压力的减弱。环形分布通风在料仓内形成良好的通风分布，比单独 直接从锥部通风压力降要小。这也可以防止料仓内底部树脂的流化，能够给全部 树脂进行通风。另外，空气输送和粉尘收集系统引起的压力变化必须在设计通风 系统时加以注意。 第三章高压聚乙烯料仓危险性成因分析 3 3 静电因素的分析 料仓事故中的点火源一般为静电，所以在控制料仓可燃气的基础上，还要分 析静电对料仓安全的影响。 3 3 1 产品颗粒输送过程中的静电分析 聚乙烯经过造粒形成颗粒后，由压缩空气送入料仓，在送料管线内，物料移 动的过程中，颗粒与管壁之间发生激烈的摩擦和碰撞，该过程中颗粒会带静电。 理论和实验都证实，颗粒移动时冲撞速度越高，带电越高。但物料流量越高，其 单位质量的电荷量往往越少。图3 5 是一组典型的实验曲线，实际现象与上述结 论相符。为减少粒子在输送过程中由于摩擦过热而产生的的：拉丝i 现象，物料输 送管线内壁通常被做成麻点状，使颗粒采以跳跃式方式向前运动。对3 5 m m 颗 粒，物料轴向输送速度一般不低于1 2 m s 。由图3 5 可以看出，颗粒流动达到一 定速度之后，速度的变化对物料荷电的影响变得不再明显，相对来说处理物料量 的多少，要比移动速度的影响更为明显。 图3 5 粒子输送量、输送速度速度与起电量的关系 产品颗粒输送过程中，颗粒与输送管线各自带上数量相等、极性相反的静电 荷，即使输送管线有良好的接地，也只能导出管壁上的静电荷，而不能将颗粒所 带的静电导出。这是因为大多数聚乙烯颗粒的电阻大于1 0 1 , 0 ，有良好的绝缘性。 在颗粒风送过程中，颗粒输送速度越快，颗粒的摩擦和碰撞越剧烈，其带电 量越高，然而，当颗粒上的电荷积累到一定数量后，颗粒的带电量则不再增加， 颗粒带电量呈饱和状态。实验证明，随着运动速度的增加，颗粒静电带电量呈饱 和状态所需时间愈短。在气力输送工艺中，当气流速度高达每秒数米至数十米时， 颗粒静电能很快达到饱和状态。而达到静电饱和状态所需管道长度，一般不超过 第三章高压聚乙烯料仓危险性成因分析 数米。 在颗粒风送过程中，每立方米气流中颗粒的含量称为载荷量，而单位重量颗 粒所带静电电量( 荷质比) 在一定范围内大致与载荷量成反比。因为当运动速度 一定时，单个颗粒在管道内停留时间一定，而载荷量越大，颗粒数量也就越多， 这样，势必使得每个颗粒在管道内摩擦和碰撞的机会越少。于是，颗粒上的平均 电量或单位重量的颗粒所带电量随载荷的增加而减少，这一点如图3 5 已经被大 量实验结果所证实。 在颗粒风送操作过程中，刚下料和下料结束时，由于载荷量较低，颗粒带电 量急剧增加，高于正常输送时的带电量，使得装置开停车过程成为静电事故易发 的过程，许多静电事故也证明了这一点。 在颗粒风送过程中，管壁上的电场强度可以通过计算而得到。假如管道内半 径为丫( m ) ，颗粒与输送气体混合的等效介电常数为e = e o c r ，空间电荷密度为 p ( c m 3 ) ，则管壁上的电场强度e ( v m ) 为： e = p 7 2 o r = i ，2 删0 rv 式中：二一流动电流( a ) ，j = 万而1 ， 弘物流速度( m s ) 管道轴向空间中心电位( 为： v = 4 枯产1 4 7 5 8 0 f , r v 颗粒风送作业是颗粒静电引发料仓粉尘爆炸事故较多的作业环节之一，因 此，应该尽可能在带电颗粒进入料仓前将其所带的静电除去或使其降低。 3 3 2 料仓内颗粒堆表面的放电及电位分析 图3 - 6 是齐鲁高压聚乙烯脱气料仓t 3 0 1 的颗粒堆表面电场和电位分布的典 型模型。图3 7 是料仓壁附近实际电位模拟测量数据，料仓内堆表面的放电，大 多数是从罐壁附近开始，然后向中间发展或延伸，这种独特的放电机理与现场实 际观察和照片相吻合。 第三章高压聚乙烯料仓危险性成冈分析 2 04 0讯j8 l 1 0 01 2 uh oi 1 8 0 礴于l 舟中心赞离c m 图3 6t 3 0 1 料仓e 一r 曲线图 网 l 6 5 u c l | - 1o u ci l - c2 5 u c i _ _ _ _ _ _ 图3 - 7 料仓壁附近实际电位模拟测量数据 判断料仓是否会出现放电现象的依据，国际上目前都将3 m v m 作为临界判 据。而出现3 m v m 场强的荷电量通常称作临界荷质比( i _ t c k g ) 。显然该值主要 与料仓尺寸( d ) 有关。直径越大，临界荷质比就越小。 料仓内电位分布与电场分布正好相反。电位分布是仓中心电位最高，越靠近 罐壁电位越低，而电场分布则相反。这一现象表明，如果在料仓中部有接地的金 属突出物，如垂直伸下来的延长管线，或罐壁伸出的料位计等，由于处于高电位 和强电场区域，因此最容易诱发放电。 在很长一段时间，人们怀疑粉尘空间的静电放电( 雷状放电) 是仓内主要危 险。近年来看法基本趋于一致，料仓内的静电放电通常主要集中在料堆表面附近 的沿面放电。放电形式可能有电晕放电、刷形放电、锥形放电、火花放电、传播 唧 蛳 瓣 啪 嘲 渤 3 2 2 l i ；8鸱船签牾俦0 0 立v毯署运姑磐音*霉 第三章高压聚乙烯料仓危险性成国分析 型刷形放电等。它们的放电频率、放电能量、以及产生放电的条件等都币一样， 其中： 电晕放电：属微焦耳型放电( “) ，放电频率可归为连续放电类型。 刷形放电：放电能量通常可达1 34 m ，属间歇性放电但频率较高。 锥形放电：放电能量通常在i o m j 以内也属间歇式放电，放电周期约在几 秒几分钟之内。 传播型刷形放电：当罐壁有小导电涂层或粘壁料时( 厚度在4 , - - 8 m m ) 如果 颗粒荷质比较高，且涂层出现局部绝缘破坏现象，则可诱发传播型刷形放电放 电能量可达上千m j 至l o j 。 火花放电：通常发生在金属与金属之间的放电。放电能量可达几十m j 。但 如果粉体荷质比较高，有金属诱发电极条件时，也可产生火花放电，放电能量可 达3 0 l o o m l 。 对齐鲁高压聚乙烯装置，南r 料仓中设计有突出的金属风嘴，因此具备诱发 火花放电的条件。而且实际事故也证明，火花放电在齐鲁高压装置的料仓内确实 存在，并且，引发了料仓起火事故。 图3 - 8 、圈3 - 9 、图3 一l o 分别为锥形放电、火花放电和传播型刷形放电的示 意图片或实物照片。 图3 - 8 堆面锥形放电 j ，。1 。1 。 。；弧i 习，元。j 掣孽警 匿3 - 9料位计火花放电 圈3 - 1 0 料仓内传播型尉形放电的实拍照片 从放电几率和放电能量来说，锥形放电是国际上研究毋多的放电类型。表 3 - 1 数据是瑞士c b a 公司在3 m 直径料仓( 5 3 一) 、( p 0 0 r a m 管线测到的热型数 据( 风量：1 0 8 0 m l m 物料：p 34 m m 聚乙烯料) 。 表 】c i b a 公司在3 m 童径辩仓( 5 3 m 3 ) 、i 帅叫n 管线涓到的致据 实验中发现对卜1 0 m m 粒抖负荷在2 - - 5 t ，h 当进料i t 左右时就可以观 察到放电现象。对锥形放电而言，通过罐壁处环形电极捕捉的单次放电电荷转移 量约在2 以3 0 , c ，最大为4 8 = c 。通过不同料仓的实验统计，最大放电电荷转移 第三章高压聚乙烯料仓危险性成因分析 量( q ) 约是料仓直径( d ) 2 8 次方的函数： q = 2 3 d 2 8 ( i c ) 这就说明料仓直径越大，放电危险性也就越大。为此，c i b a 公司提出了料 仓静电放电危险性的统计式： d 0 6 12 ( m i e 0 2 9 8 m o 4 3 5 ) 其中m i e 是爆炸混合物的最小点火能( “) ，m 是颗粒的中值尺寸( n u n ) 。 不同的放电痕迹对应不同的放电能量，而放电痕迹显然主要取决于物料的电 场分布，超过3 m v m 临界电场区域越大，放电痕迹就越长。表3 2 给出了t p 3 6 m 和p 5 m 料仓放电痕迹的计算结果。表3 3 是不同料仓放电痕迹为d 2 的计算值。 图3 1l ( a 、b ) 是聚烯烃料仓放电痕迹计算表。 表3 - 2 3 6 m 和叩5 m 料仓放电痕迹计算结果 料仓直径：9 3 6 0 0 m m 料仓直径：t p 5 0 0 0 m m 荷质比( ：c k g )放电痕迹( 衄)荷质比( ：c k g )放电痕迹( 衄) o 1 64 00 1 l0 o 2 03 0 00 1 54 5 0 o 2 58 3 00 2 01 5 0 0 o 3 01 2 5 00 2 31 8 5 0 0 3 81 6 5 0o 2 82 3 0 0 0 4 01 8 0 0o 2 92 5 0 0 表3 - 3不同料仓放电痕迹为d 2 的计算值 荷质比( ud k g ) 图3 - 1 1 ( a )聚烯烃料仓放电痕迹计算表( 料仓直径：节3 6 0 0 m m ) 第三章高压聚乙烯料仓危险性成因分析 荷质比( i lc k g ) 图3 - 1 1 ( b ) 聚烯烃料仓放电痕迹计算表( 料仓直径：9 5 0 0 0 m m ) 物料荷电的限制与通风设计有密切的关系。目前国际上已大都采纳了1 0 m j 放电的控制界限。但对应不同料仓应控制的荷质比却没有明确结论或推荐意见。 考虑实际操作需要，例如与通风量设定相协调，上述计算值可推荐为不同料仓最 大允许的荷电界限。 3 3 3 料仓反吹风二次静电模拟实验结果 对于高压聚乙烯料仓的风量与静电的关系影响因素较多，从理论计算核定其 关系是非常困难的，因此，通过模拟料仓送风的状况，考察进风量与静电的关系， 试验结果可以作为风量控制的一个参考。 名称：料仓反吹风二次静电模拟 实验目的：通过模拟实验观察料仓反吹风二次起电现象，并对料仓二次起电 的危险性作予评估 时间：2 0 0 4 年7 月1 5 日2 0 日； 实验设备和仪器： 反吹风起电料槽：风嘴尺寸和料槽尺寸，模拟现场尺寸。料仓结构按照法拉 第桶设计，相关设备和仪器布置见图3 1 2 。 静电电压表：k s 4 t 1 电量表：2 邶 实验方法： 将预先秤量好的高压聚乙烯粒料放入实验料槽中，通过风机向料槽中物料吹 扫、模拟物料冲撞起电，并记录物料起电量和表面电压。 第三章高压聚乙烯料仓危险性成冈分析 实验记录： 图3 - 1 2 科仓反吹风二次静电模拟实验 u c 风压：1 9 k p a风量：1 2 0 0 m 3 h温度：2 4 c湿度? 8 4 r h 实验结论： 由于实验条件限制，很难完全模拟现场料仓中反吹风的起电现象，但模拟实 验数据说明： 料仓中确实存在二次起电现象，起电大小与反吹风压力和流量有关。 当反吹风流量不大，物料沸腾现象较轻时，堆面电荷一般不会诱发火花放电： 但当反吹风流量较大，物料沸腾和冲撞现象较剧烈时，起电量级接近现场风送起 电量级，在风嘴处可能诱发火花放电。 3 4 齐鲁高压聚乙烯料仓事故分析 齐鲁高压聚乙烯装置自1 9 9 8 年投产以来，共发生3 起料仓事故。分别为1 9 9 9 第三章高压聚乙烯料仓危险性成田分析 年5 月2 5 日不合格产品脱气料仓t 3 0 6 着火事故、2 0 0 0 年1 0 月1 5 日掺混料仓 m 3 0 l 闲爆事故、2 0 0 2 年1 1 月2 2 日脱气料仓t 3 0 i 闲爆着火事故。三起事故虽 未造成人员伤害，但都造成了较大的经济损失，影响了装置的正常生产，三次事 故分别分析如下： 3 4 9 9 9 年5 月2 5 日脱气料仓t 3 0 6 着火事故 ( 1 ) 事故经过 1 9 9 9 年5 月2 5 目1 6 ：0 0 ，装置根据生产计划安排，产品牌号从n c 9 0 1 切换 至1 9 2 2 t 开始时产品进t 3 0 5 仓1 7 ：2 0 因t 3 0 5 满仓，产品切垒t 3 0 6 ，t 3 0 6 当时为空仓。1 7 ：3 5 产品合格，当时熔融指数为2 5g 1 0 m i n ，产品从t 3 0 6 切至合 格仓3 3 0 1 进料1 7 ：4 2 现场人员发现t 3 0 6 仓筒体与锥底部接台部位着火烧穿 现场市即给t 3 0 6 料仓通入氨气，并_ | ； j 灭火器、消防炮进行扑救消防人员赶到 后1 8 ：0 5 火被扑灭。事故使t 3 0 6 仓从反吹风带上部被烧穿，断面金属熔化。 事故现场情况见| 墨| 3 - 1 3 。 田2 - 1 3t 3 0 6 料仓事故现场厩片 ( 2 ) 事故原因分析 t 3 0 6 底部通风分为两股，主风道为9 3 0 0 r a m 管线，连接到料仓简体与锥底 部接台部位的环形风带上，环形风带上有1 2 支1 一的反吹风管，通入料仓。 另一股风通到料仓底部，为l o o m m 管线。料仓通风结构示意图见图3 1 4 。 由料仓尺寸( 筒体直径36 m ，底部锥度6 0 0 ) 可训算出锥底部分的容积为 1 06 m 3 聚乙烯颗粒的堆积密度约为5 0 0 k g m 3 所以当时所生产的5 t 物料基本 第三章高压聚乙烯料仓危险性成丙分析 处于料仓的锥底部内，颗粒堆面正好处在这1 2 只反吹风管的管口附近。这一特 定位置存在如下隐患： a 由于物料都在料仓的锥底部，造成料仓底部脱气风的阻力较大，且底部通 风管管径较细，所以底部通风量很小。而主风道的1 2 只反吹风管( l o o m m ) 管 口总面积大于主风管( 9 3 0 0 m m ) 管口面积，且没有物料阻挡，因此脱气风大部 分被放空，5 t 料基本上得不到脱气，可燃气含量较高。 b 带电荷物料的堆表面刚好处于反吹风管口附近，容易诱发火花放电。 图3 1 4 料仓通风结构示意图 恢复生产后，检测t 3 0 6 料仓正常进料时产品的带电情况。测得的2 l 组数据， 产品的荷质比平均值为- o 8 5 1 c k g 。其中，最大值为一1 0 4 c k g ，最小值为 - 0 6 2 ：c k g ，见表3 4t 3 0 6 进料时物料的荷质比。 表3 - 4t 3 0 6 进料时物料的荷质比 组数l23 4 567891 0l l 荷质比7 8- o 弱 _ o 9 5 4 1 7 6- 0 8 lo 6 71 0 50 9 5旬9 4- o 8 60 8 7 ( c ，k g ) 组数1 21 31 41 51 61 71 81 92 02 1平均值 荷质比 1 0 4 加9 6 - 0 8 40 7 3 m 7 50 8 6 0 8 4 o 8 8- 0 7 86 2- o 8 5 ( ：c k g ) 如前所述，目前将3 m v m 作为料仓是否会出现放电现象的临界判据。而出 现3 m v m 场强的荷电量称作临界荷质比( p c k g ) 。由表3 3 不同料仓放电痕迹 为d 2 的计算值可知，t 3 0 6 料仓( 0 3 6 x 1 1 7 m ) 产生堆表面放电的最小临界荷 质比为o 1 6 。, c k g 。现场检测数据表明，t 3 0 6 料仓中物料的荷质比平均值 一0 8 5 1 c k g ，远高于料仓能产生堆表面放电的荷质比。由于堆表面放电的能量较 第三章高压聚乙烯料仓危险性成园分析 低，约为1 0 m j ，而普通聚烯烃粉尘的摄小点火能约在1 5 - 3 0 m j ，所以当料仓内 可燃气体含量 氐于0 , 5 w t 时，这种放电形式不会产生燃爆性事故。但当粉尘空 间同时存在0 , 5 w l 以上可燃气体时，混合物的燃爆能量就会降至1 0 z n j 以下， 因此出现燃爆几率。气体浓度越高，燃爆几率就越大，表3 - 5 列出了乙烯气台量 对高压聚乙烯粉尘最小点火能( m i e ) 影响的计算值 表 5 乙烯气古量对高压聚乙烯粉尘最小点火能( m i e ) 彤响的计算值 另外，料仓反吹风管的管口距仓壁约2 0 0 r a m ( 见图3 - 1 5 料仓的反吹风管照 片) ，数据表明( 参见图3 7 料仓壁附近实际电位模拟测量数据) ，当物科荷质 比10 9 c k g 时，在距仓壁1 8 0 r a m 处可测到2 1 k v 的电位。而事故时的料位正好处 在反吹风管口附近，管口的尖端部位有的刚刚被料面淹没，有的距离料面只有 1 - 3 在整个避料的动态过程中，诱发风管与带电物料发生火花放电的可能性 是存在的，而火花放电的能量可达几十甚至几百m j ，引燃几率更高。 圈，一1 s 科仓的反吹风管照片 c事战发生耐正下着雨南于脱气风机吸风口位置过低并且入口滤网遮 雨设计不合理致使滤网被陌水淋湿，风机风景有所下降，使脱气效果进一步变 差。 3 4 22 0 0 0 年1 0 月1 5 日掺混料仓m 3 0 1 闪爆事故 ( i ) 事故过程 第三章高压聚乙烯料仓危险性成因分析 2 0 0 0 年1 0 月1 5 日生产牌号为2 0 0 8 x c 4 1 ，掺混料仓m 3 0 1 从0 ：3 5 7 ：3 0 共 从t 3 0 2 、t 3 0 3 、t 3 0 4 进了三仓料，共约1 9 0 t 。7 ：3 0 进行掺混，掺混合格后， 1 0 ：0 0 开始向包装料仓送料，至1 4 ：5 5 时m 3 0 1 料仓突然发生闪爆，未着火( 事 故发生时m 3 0 1 料仓内尚余约1 3 t 物料未送完) 。事故造成料仓顶盖与仓壁焊接 处脆性断裂，顶盖及附件整体脱落。料仓底部有少量粘连焦料，仓体内壁有碳黑 敷层，局部呈散射状。 ( 2 ) 事故原因分析 m 3 0 1 进的三批料都经过脱气处理，至爆炸前物料脱气时间最短的的也有 1 2 h 以上，可燃气基本逸出，m 3 0 1 闪爆基本可以排除气体条件的影响。 出现闪爆过程，必须满足三个条件：一是料仓内有高能放电条件；二是静电 放电间隙处存在可燃性粉尘：三是燃烧波阵面有加速增长和形成爆炸的条件。结 合事故现场勘察情况，m 3 0 1 放料至1 3 t 左右时，有可能存在上述三条件： 掺混料仓的反吹风结构形式与t 3 0 6 相同。事故发生时剩余的1 3 t 料充满了 料仓的锥底部，物料的堆表面刚好处于反吹风管附近。 当物料料位降到反吹风管口附近时，在风嘴内外可以产生很强的粒子与金属 体冲撞起电过程，随着料面下移，这部分带电物料很容易与马蹄形风嘴产生火花 放电。金属突出物的火花放电，能量高达几十至几百毫焦，完全可以点燃空间粉 尘云。 m 3 0 1 在掺混过程会产生较多粉尘，由于底部反吹风作用，料仓中细粉尘会 越积越多，在仓内很容易形成空间粉尘云。特别在送料时，随着物料的送出，粉 尘云空间越来越大。当1 9 0 t 物料降到1 3 t 左右时，荷电物料与露出的短风管发生 了高能放电，1 7 m 高的简体空间，有充分的火焰加速和爆炸条件。现场调查也发 现1 7 m 筒体壁几乎全部存在碳黑敷层，从筒仓壁燃烧痕迹来看，上部三分之二 以上空间的冲击熔痕为上下垂直方向分布，下部三分之一仓壁只有五只风嘴上部 有较明显的冲击熔痕，其中一处冲击熔痕方向为散射状，散射中心在该风嘴附近， 其它熔痕均为垂直方向。由上述熔痕分布来看，该风嘴基本可以认定是爆炸中心， 即放电引燃是在该风嘴附近说明闪爆前确实存在较大粉尘飞扬空间。 通过分析可以确定，m 3 0 1 闪爆事故主要与料仓的通风结构设计不合理及反 吹风风嘴有关。在送料至料仓锥底部时，既有金属突出物的火花放电条件，又有 较大的粉尘飞扬空间，极易引发粉尘爆炸。 第三章高压聚乙烯料仓危险性成田分析 3 4 32 0 0 2 年1 1 月2 2 日脱气料仓t 3 0 1 闪爆着火事故 ( 1 ) 事故过程 2 0 0 2 年1 1 月2 1 日2 2 ：5 5 装置因仪表原因停车，仪表故障解除后，装置于 2 2 日6 ：5 0 开车。产品牌号2 1 0 2 t n 0 0 ，7 ：0 6 产品指数合格为2 5 1 0 m i n 产品 切至合格品脱气料仓t 3 0 1 仓。7 ：4 1 现场_ 作人员发现t 3 0 1 排风几冒烟料仓 腰部已被烧穿，仓内着火。7 ：5 0 火势被扑灭，8 ：0 0 装置停车。 事故发牛前后装置各项有关工艺参数均正常，现将丰要丁艺参数见袁3 - 6 ： 衰3 - 6 事被前各主要工艺参教 参数名称参数值 乙烯进丰l 增加机八n 压力 低压分离器压力 一次机入u 压力 = 扶帆入口压力 反应器压力 低压分离器抖位 低压分离器下料阀开度 低循流量 遗粒水流晕 造粒水温度 事故现场情况见图3 - 1 6 圈3 1 6t 3 0 1 料仓事故照片 第三章