關于空分裝置主冷的安全運行及防爆措施研究

張皓天(內蒙古大唐國際克什克騰煤制天然氣有限責任公司，內蒙古 赤峰 025350)

1 空分裝置主冷爆炸防治的重要性

空分裝置通常應用于石油化工、鋼鐵冶金等領域，是一項極為重要的生產裝置。近些年隨著全國各地空分裝置投產數量的不斷增多，已投產裝置運行年限的不斷增長，空分裝置的相關事故也在隨之增多，尤其是已經發生多起的主冷爆炸事故，嚴重威脅了企業職工人身安全和設備安全。根據相關資料，截至目前我國小型空分裝置已發生了100多起爆炸事故，大中型空分裝置已發生了30多起爆炸事故，其中最為嚴重的就是1997年5月A石化公司乙烯化工有限公司發生的空分裝置爆炸事故。事故的主要原因就是由于主冷碳氫化合物超標導致了主冷粉碎性爆炸，導致4人死亡，經濟損失共400萬元左右。給了人們很大的教訓：即必須嚴格管理空分裝置液氧中乙炔等碳氫化合物含量，保證空分裝置安全運行。

本文就以大慶石化M廠的兩套大型空分裝置為例，對空分裝置主冷的安全運行及防爆措施進行深入探討。這兩套空分裝置都是運用分子篩吸附凈化雙級精餾技術，自投產以來，由于該裝置附近大氣中的烴含量嚴重超標，導致其主冷液氧里的碳氫化合物也相應超標。即使運用了很多方法，包括將主冷完全浸沒式操作、液氧定期排放等，卻只減少了部分碳氫化合物含量，乙烷含量依然嚴重超標，甚至有時超過停車值。一般乙烷在線值在20～50 ppm，發生事故前乙烷最高值達到了749 ppm，造成主冷爆炸的嚴重事故。由此可見，加強對空分裝置的安全管理和技術優化刻不容緩，必須嚴格控制主冷碳氫化合物含量，防止碳氫化合物濃縮、積聚，同時消除引爆源，才能以最大程度保障空分裝置安全穩定運行。

2 造成主冷爆炸的主要因素

通常主冷發生化學爆炸需同時具備以下三個因素[1]：可燃物、助燃物以及引爆源。對于空分裝置來說，其可燃物主要為乙炔等碳氫化合物以及油分等，助燃物主要為液氧。引爆源主要有四種：第一是爆炸性雜質固體微粒之間互相摩擦以及和器壁相互摩擦碰撞導致的；第二是靜電放電，如果液氧里帶有少量的冰粒以及固體二氧化碳，就會形成靜電荷，當二氧化碳的含量增加到200～300 ppm的時候，會形成3 000 V的靜電位；第三是氣波沖擊，因為流體沖擊以及氣蝕情況會導致壓力脈沖，使局部的壓力變大、溫度變高；第四是當具有化學活性極強的物質存在時，例如臭氧以及氮氧化合物，會導致液氧中的可燃物爆炸敏感性變強。總之，不論是哪種因素造成的爆炸，為了保證空分裝置的安全生產，主冷防爆是空分工作中的重中之重，必須清除所有危險因素，保證空分裝置的安全穩定運行[2]。

3 爆炸源產生的原因分析

大氣中不僅含有氧氣、氮氣和氬氣，還含有水蒸氣、二氧化碳、碳氫化合物以及灰塵等，這就需要用大中型的分子篩凈化流程，將空氣里的水分、二氧化碳、碳氫化合物等雜質吸附干凈，常用的吸附劑為硅膠或分子篩。分子篩可將空氣里的水分、二氧化碳、碳氫化合物等雜質吸附于吸附劑的表面，經過加熱再生將其去除，最終實現空氣凈化的效果[3]。本文所研究的空分裝置應用的吸附劑是13 X分子篩，因為13 X分子篩具備對孔徑相似極性分子的吸附能力，因此空氣里的水分、二氧化碳、碳氫化合物等雜質幾乎都能用分子篩吸附器進行清理。通常化工區各裝置都較為集中，一旦其它界區裝置的烴類氣體發生大量泄漏或者存在烴類氣體放空口，就會導致空分裝置吸入口處的碳氫化合物嚴重超標，空分裝置的吸氣條件嚴重惡化。當分子篩的吸附狀態趨于飽和時，會有部分碳氫化合物隨著空氣進入到空分精餾塔內，并溶解于低溫液體中[4]。在此以危險性很大的乙炔為例，其蒸發量是液體的1/24，如果液體里的烴濃度不斷上升，最終大于液氧溶解程度的時候，就會以固態方式被析出，并聚集在一起，當積聚到一定程度時，就會和液氧混合成為爆炸源，遇到上述引爆源便會產生化學性爆炸。

4 主冷總碳指標控制的標準

對于林德公司操作手冊來說，其只有乙炔的分析頻率以及控制指標，明確規定必須每天至少測量一次主冷液氧乙炔濃度。正常情況下，分子篩系統出口乙炔含量要低于0.1 ppm，當液氧里乙炔含量為1 ppm的時候必須立即停車，其中沒有對其它碳氫化合物的指標明確規定。在燕山石化公司的空分裝置主冷爆炸后，中石化就特別規定了液氧里乙炔等碳氫化合物的指標控制值。對指標控制值的確定主要依據了如下幾個方面，首先，依據液氧里危險雜質許可量的控制范圍得出了某個數值，隨后依據流程、設備結構和特點展開修正。其次，參照林德、日本以及法國等相關標準，對各項指標進行參照制定，其中乙炔參照林德標準，總碳控制值參照日本標準，單項碳氫化合物參照法國標準。最后，根據我國空分裝置運行狀況以及生產企業的環境條件將總碳停車值擴大為500 ppm。根據指標要求規定，除了乙炔之外，其它碳氫化合物溶解度都要在50 000 ppm以下，指標警戒值的計算公式為許可含量乘以安全系數，如乙烷警戒值就為：20 000×1/20×0.015=15 ppm。不過此指標制定較為苛刻，因為許可含量應用的是溶解度最小值，即1/20，這已經具有一些安全系數，要是將許可含量乘以更小的安全系數，就如同雙安全系數。現階段在制定主冷控制指標的時候，應當從各生產企業環境條件的實際情況出發，使主冷總烴的指標控制既安全又可行[5]。

5 空分裝置主冷爆炸的有效預防措施

由上述內容可知，該公司空分裝置主冷爆炸的主要原因是由于乙烷含量嚴重超標，最大值為749 ppm，指標沒有滿足公司要求。另外，控制引爆源也是極為關鍵的部分。要想保證空分裝置安全運行，就必須結合實際情況，采取有效的預防措施。

5.1 嚴格控制空分裝置主冷碳氫化合物含量

為了有效控制主冷碳氫化合物含量，首先要優化設計。在企業建設初期，相關設計院應該對廠區的大氣環境做深入調研，在全廠各界區合理布局的前提下，應盡可能將空分界區選址在常年風向的上風向進行建設，避免建設在烴類氣體放空口的下風向，在根源上優化了吸氣條件，降低了主冷總烴超標的次數。同時在主冷內部結構設計時，必須考慮改善主冷內部液體的流動性問題，防止產生局部死角，避免乙炔等碳氫化合物在局部死角產生積聚，造成局部輕微爆炸而破壞液氧純度，無法維持正常生產。當空分裝置原料空氣中碳氫化合物超過規定值，同時液氧里的總烴也超標時，就需要按照空分裝置總烴超標的相關處置規定，對空分系統進行降負荷處理，降低系統進氣量，縮短單側分子篩吸附劑的吸附時間，從而降低分子篩的吸附負荷，達到防止主冷液氧中總烴超標的目的。同時還要研究如何清除污染源，通過設置風向標，做好風向、風力、氣壓和碳氫化合物含量的記錄，并統計分析，為以后清除污染源提供數據支持。其次，應大力研發新型吸附劑以及優化分子篩吸附器。大慶石化M廠為了降低空分裝置吸附器吸附后的乙烷含量，還研發出了對乙烷具有強選擇吸附性的專用吸附劑，并裝于13 X分子篩上，專門用于清理乙烷雜質，有效降低了分子篩系統后的乙烷含量。當低液位操作以及液位波動較大時也會導致液氧里的有害雜質析出和積聚，為了避免液氧里的有害雜質析出和積聚，應采取主冷全浸式操作，同時要定期連續排放相當于氣氧產量1%的液氧，如果液氧中的有害雜質超標，則應適當加大液氧排放量。

5.2 控制引爆源

首先，降低二氧化碳進塔量。因為二氧化碳對分子篩流程的空分裝置傷害很大，不僅會導致換熱管道發生堵塞，還會導致有害物質吸附，所以必須對二氧化碳進行在線監測，以確保分子篩系統出口二氧化碳含量小于0.5 ppm。其次，避免靜電。為了避免靜電產生，應嚴格按照技術要求在主冷上安裝防雷以及防靜電的接地裝置，接地電阻應小于10歐姆。同時應將氧氣管道上的法蘭跨接電阻應小于0.03歐姆。最后，降低壓力脈沖。當空分裝置需要冷態開車的時候，一定要防止因液氧大量蒸發而產生雜質積聚，造成加溫啟動時發生爆炸；冷態開車時，精餾塔必須慢慢升壓，以減少壓力脈沖，避免因操作不當，產生液懸現象。

5.3 采取實時監測措施，加強指標監控

為隨時監測主冷液氧中碳氫化合物含量，并且能夠及時采取防范措施，必須投用主冷總碳在線分析儀表，以便崗位人員24小時實時監測碳氫化合物的變化情況，并根據碳氫化合物的實時超標情況，主動采取對應的處置措施。

6 結語

通過上述內容可知，主冷防爆對空分裝置來說非常重要，所以必須引起重視，防患于未然。要想使主冷防爆工作落到實處，就必須采取有效的預防措施，要將主冷液氧中碳氫化合物的含量控制在正常范圍內，防止其在主冷液氧中濃縮、積聚；同時還要控制好引爆源。只有嚴格落實好主冷防爆的各項預防措施，才能有效防止主冷爆炸事故的發生，保障企業的人身安全和設備安全。