注册安全工程师考试备考辅导空分化学性爆炸机理及防爆措施

空分化学性爆炸机理及防爆措施空分设备是石化、冶金等行业重要的生产装置之一，由于其特殊的结构和介质的理化性质，发生爆炸的危险性较大。近年来，因空分设备制造缺陷和管理不善等原因，已发生多起空分设备的爆炸事故，据不完全统计，全国共发生小型空分设备的爆炸事故0多起，大中型空分设备事故30多起，特别是空分主冷凝蒸发器中烃类物质超标引起的爆炸是近几年来事故频发的主要原因，不仅影响了生产装置的平稳运行，而且给企业和国家造成重大的经济损失。以下从我们装置的实际运行经验出发，浅谈空分装置主冷蒸发器发生爆炸的机理和防爆措施。 1 空分化学性爆炸机理 11 主冷凝蒸发器爆炸机理 空分塔的爆炸原因很多，也比较复杂， 但基本可分为物理性爆炸和化学性爆炸。从 大多数爆炸的实例分析来看，化学性爆炸是 主要的。形成化学性爆炸的主要因素有三个 方面：一是可燃物，二是助燃物，三是引爆 源。在空分设备主冷凝蒸发器中，可燃物主 要是乙炔、碳氢化合物或油分等爆炸危险杂 质；助燃物为气氧、液氧；引爆源主要有： (1)爆炸性杂质固体微粒相互摩擦或与器壁 摩擦；(2)静电放电。当液氧中含有少量冰 粒、固体二氧化碳时，会产生静电荷，如果 二氧化碳的含量提高到200300-4， 所产生的静电位可达到3000V；(3)气波冲 击、流体冲击或汽蚀现象引起的压力脉冲， 造成局部压力高而使温度升高；(4)化学活 性特别强的物质(臭氧、氮的氧化物等)存 在，使液氧中可燃物质混合物的爆炸敏感性 增大。 12 爆炸源形成条件 空气中除氧气、氮气外，还会有少量的 水蒸气、二氧化碳、乙炔和其它碳氢化合物 等气体以及少量的灰尘等固体物质，国内大 中型分子筛净化流程清除空气中水分、二氧 化碳和乙炔等杂质的方法多采用吸附法，即 利用分子筛或硅胶等作吸附剂把空气(液 空、液氧)中所含的水分、二氧化碳和乙炔 等杂质分离出来，浓缩在吸附剂表面上，加 温再生时进行脱除，从而达到净化的目的。但由于化工装置比较集中，如果装置泄 漏量过高或烃类产品直接放空，就会造成空 分设备吸人口的碳氢化合物含量超标，对分 子筛流程空分装置，X分子筛具有孔径相 近的极性分子吸附性强的特点，水分、二氧 化碳和乙炔基本上可以在分子筛吸附器中脱 除，其它烃如甲烷、乙烷绝大部分随空气进 入空分塔中，这些物质大部分溶解在液体 中，少量随氧气的蒸发带走。当液体中烃的 浓度不断增加，并超过其溶解度时，就会以 固体形式析出并聚集，在一定条件下与氧混 合形成爆炸源，当引爆因素存在时就会发生化学性爆炸。 大量事实证明，液氧中乙炔的爆炸敏感 性。因为乙炔在空气中的分压很低，即 使将空气冷却至-3，乙炔也不会以固 态形式析出，它将随空气带人空分塔内，而 乙炔在液空中的溶解度较大，约为20cm3dm3。因此一般不会在液空中析出，而随液 空进入上塔，乙炔在液氧中的溶解度极低， 约为52cm3dm3。当液氧在主冷凝蒸发器中 蒸发时，随气氧带的乙炔量仅为液氧中乙炔 总量的124左右，这样随着液氧的蒸发， 液氧中乙炔浓度就不断增高，当乙炔超其溶 解度时，过剩的乙炔就会以白色固体微粒悬 浮在液氧中，而乙炔又是不饱和的碳氢化合 物，具有很高的化学活泼性，性质极不稳 定，这些固体乙炔或其它碳氢化合物颗粒与 塔壁及通道壁发生摩擦或液氧沸腾产生压力 脉冲，以及臭氧与氮氧化物的促进作用所产 生的能量都将可能使空分塔致爆。但在实际 生产中有时液氧中乙炔及其它碳氢化合物并 不超标而发生爆炸，这主要是由于冷凝蒸发 器的结构不合理，存在某些制造缺陷若因某 些通道堵塞和操作不当，造成液氧的局部流 动性不好，产生乙炔局部浓缩而发生爆炸。 其它不饱和碳氢化合物也能发生爆炸分 解反应，虽然它们在液氧中的溶解度比乙炔 高，但由于吸附器对这些碳氢化合物的吸附 能力极小，因此也有在液氧中积聚而构成爆 炸的可能。大量研究表明，碳氢化合物由于 各组分在液氧中的溶解度及化学活性不同， 其爆炸敏感性也不同，爆炸敏感性按以下顺序递增：甲烷乙烷丁烷乙烯丙烯丁烯乙炔，可见乙炔的敏感性。 2 空分防爆措施 由于空分装置在运行过程中存在着诸多 不安全因素和危险性，为确保空分装置的安 全运行，降低烃类物质进入液氧中的可能 性，加强监控手段，我们坚持实行“六关” 管理。 21 抓住空气关 空分装置的原料就是大气，大气质量的 好坏直接关系着主冷液氧中烃类的变化。我 厂空分装置所处地理位置不好，被三个化工 装置包围，空气质量较差，尤其是刮北风时 能明显闻到一股有机物气味，通过液氧的离 线、在线分析也可以发现烃类物质的上升趋 势。为此我们采取的措施是： (1)建立了大气质量监测，每周分析一 次； (2)设立了风向标，随时掌握四季风向 的变化，遇到刮北风时，我们加强监护，及 时排放液氧； (3)由总厂调度室制定了周边装置紧 急排放联系制度，如有其它装置不正常排 放，及时通知调度，调度再通知车间，加强 液氧分析监护； (4)对相邻的环氧装置富含烃类物质的 循环气排放口进行移位，由原来的0米移 到5米处。 22 把住空气压缩关 从空分装置的流程来看，进入分馏塔系 统的空气于空压机系统，在此过程中就 不可避免的存在润滑脂，这些油脂是非常危 险的，因为液氧中的油脂能附着在主冷的翅 片上形成油膜，当油膜达一定厚度时，它将 与不饱和烃、氮氧化物和氧气的混合物在低 温下起化学反应生成灵敏度较大的可燃物， 这些可燃物一旦遇火源就会发生爆炸。另外 空气中的灰尘等杂质被带人分馏塔中也是危 险的，一是它可以在板式换热器中堵塞；二 是进入分馏塔中的固体悬浮在液氧液面上， 摩擦产生静电打火，这就形成了引火源。为 了避免这些物质的进入，我们采取以下措 施： (1)在空气吸人口增加了卷帘过滤器和 干袋式过滤器，滤掉杂质和灰尘，确保空气 干净； (2)空压机轴封采用石墨环密封无油润 滑，确保空压机出口空气不带油； (3)空压机设置了自保联锁和在线振动 监测系统，可以随时记录第一触发联锁点， 确保空压机的正常运行，防止因频繁开停机 而将油脂或杂质带人系统。 23 加强空气净化关 压缩后送来的无油、干净的空气中含有 大量水、乙炔、甲烷、二氧化碳、乙烷、乙 烯、丙烯、碳四等物质，这些物质在净化过 程中要尽量脱除：水分和二氧化碳带人冷箱 就会造成冻堵；不饱和烃在分子筛中能大部 分被吸附，饱和烃不易被吸附就会带人分馏 塔内，为了使这些物质降低到最低程序，我 们采取了如下措施： (1)水洗塔设置了高、低液位联锁，防 止在除沫器损坏或空压机异常的情况下，水 洗塔的液位失控而使空气中带水； (2)由于在水洗塔中循环直接与空气接 触，它不但降低了压缩空气的温度，而且通 过洗涤可清除掉空气中的酸性物质，这样若 循环水中存在油类或烃类物质，则会将这些 物质带人系统，为此我们对循环水质每8小 时分析一次，确保外界杂质无法进入系统。 同时为了防止在总厂的循环水场出现问题时 影响空分装置的正常运行，我们又增设了独 立的循环水场，专供水洗塔使用。 (3)增设了一台制冷机组，确保空气出 塔温度由原来的25下降到以下，这 样使空气中含水量大大下降，有效地提高了 分子筛对烃类和二氧化碳的吸附能力，出分 子筛的空气中二氧化碳含量基本趋向于零。 (4)根据我们所处环境的实际情况，对 分子筛吸附器内X分子筛和氧化铝的装 填量进行调整，在确保露点-70的情况 下，适当减少氧化铝量，这样通过增加分子 筛装填量提高了对烃类及二氧化碳的吸附能 力，限度地减少烃类及二氧化碳带人分 馏塔中； (5)分子筛出口设置了二氧化碳在线检 测仪，随时检测空气中二氧化碳的变化情 况，防止因二氧化碳超标引起设备冻堵。离 线通过对出分子筛的空气露点分析，确保水 含量不超标。 24 强化深冷分离关 空分装置的最危险点是分馏塔部分，由 于分子筛对饱和烃基本不吸附，这样烃类物 质就会带人馏塔中，对安全生产造成极大的 威胁，为了确保主冷的安全运行，我们采取 了以下措施： (1)主冷凝蒸发器结构设计为防爆型， 特殊结构防止烃类析出堆积在翅片的某些部 位上，使局部烃类超高。目前，各国通过对 主冷爆炸的研究，一致认为由于空分主冷凝 蒸发器中液氧的不断沸腾、蒸发，使可燃物 在此浓缩积聚，且摩擦冲击烈，所以容 易在主冷中形成爆炸中心，通过采用新型防 爆结构，可限度地降低其爆炸的可能； (2)主冷板式单元采用全浸式操作，防 止烃类析出发生危险； (3)增设了1液氧连续排放，使主冷 液氧始终保持部分更新，防止烃类积聚增 浓； (4)增大液氧吸附器的能力，增加其脱 炔和脱极性有机物的能力，并定期按规程进 行再生； (5)设立了在线分析仪，分别对主冷液 氧中甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烯、丙 烷、碳四和总烃八个组分进行检测，各检测 数据每9分钟循环一次，可随时监测液氧中 烃类的变化；另外离线有直接法和浓缩法两 种形式的色谱分析，做到每8小时分析一 次。通过在线法、离线直接法、离线浓缩法 三种分析方法对比，更准确地掌握液氧中的烃类动态，确保装置安全运行。 25 树立产品贮存、输送安全关 空分装置不但生产过程中存在不安全因 素，其气、液产品的贮存、输送也尤为重 要，因为氧气与可燃气体能形成爆炸危险的 爆鸣性气体，一旦达到了引燃引爆所需的能 量，就会发生激烈的、威力巨大的爆炸。当 压力高于2941h的氧气直接与油脂接 触时，就会发生激烈的氧化反应，并放出大 量的热，由于化学反应速度极快，因而很快 就能达到油脂的燃点而使油脂迅速燃烧，如 果燃烧发生在管道、容器中，其温度会急剧 升高，压力可增加倍，势必造成爆炸。 而氮气浓度高时易使人窒息，也是十分危险 的。化工企业中氧气、氮气又直接与下游装 置的烃类物质接触，一旦失控则有可能造成 反窜，其后果也是十分危险的，去年年底宁 夏某化肥厂的空分爆炸事故在这方面也为我 们敲响了警钟。为此我们采取了以下措施： (1)对活塞式氧压机的密封及刮油系统 定期进行检验，确保无油、无泄漏； (2)氧气用户增设了停车严密联锁系 统，通过三个快速切断阀防止因氧压机停车 而造成烃类气体的反窜； (3)氮气送出管线上设有单向阀和联锁 快速切断阀； (4)对液氧贮槽中的烃类物质坚持每天 分析一次，发现超标现象及时进行排放； (5)高压氧气送出阀增设小旁路，避免 因压差过大使流速过快而发生危险。 26 深化人员培训关 随着空分安全技术的不断完善，管理问 题显得极为重要，只有全面提高操作人员的 素质，不断完善各种管理制度，才能适应装 置变化的需求。为此我们采取了以下措施： (1)随着装置运行条件的变化定期修改 操作规程，使操作有章可循； (2)组织编写了空分装置技术培训大 纲，定期对人员进行培训； (3)操作人员不但要通过装置的上岗考