高塔硝基復合肥裝置危險性分析及安全控制措施

(武漢江漢化工設計有限公司，湖北 武漢 430223)

國內高塔硝基復合肥企業眾多，裝置的裝備能力、自動化水平和生產管理水平參差不齊，常引發安全、環保事故，亟待整改。在硝基復合肥生產中，常以農業用含磷型防爆硝酸銨或硝酸銨溶液為原料，其中，農業用含磷型防爆硝酸銨具有良好的防爆性能和不可復原性能，滿足GB/T20782-2006的要求。為保證硝基復合肥產品的含水量≤2.0%的要求，作為原料的硝酸銨溶液的濃度要求≥99.0%。硝酸銨的化學性質活潑，在生產過程中，因高溫、高壓、還原劑及電火花等原因，存在爆炸的隱患。

本文結合生產實際，在高塔硝基復合肥裝置工程設計中，從工藝操作、設備選型等方面出發，對其進行危險與可操作性分析，制定安全設施設計方案，提高了裝置的安全性能。

1 硝酸銨溶液危險性分析及安全控制措施

1.1 溫度及控制措施

硝基復合肥生產中常用的硝酸銨溶液含水≤1%(硝酸銨在含水3%以上時無法爆轟)、溫度<175℃、Cl-不得超過3×10-6、pH值在5～7之間，有機物的含量應控制在≤0.2%，熔點為169.6℃，易發生熱分解，在不同溫度時，發生下列反應：

在≤110°C時，NH4NO3→NH3+HNO3+173kJ；

在185～200°C時，NH4NO3→N2O+2H2O+127kJ；

在>230°C時，2NH4NO3→2N2+O2+4H2O+129kJ，同時伴有弱光；

在>400°C時，4NH4NO3→3N2+2NO2+8H2O+123kJ，分解速度急劇加快，發生爆炸。

在硝酸銨溶液在輸送、儲存過程中，操作條件及控制措施見表1。

1.2 組分及控制措施

(1)氯離子和酸類物質。氯離子和酸類物質與硝酸銨溶液的分解、爆炸關系密切，硝酸銨溶液分解速率的倒數與氯離子濃度的倒數呈線性關系。硝酸銨溶液在≤140℃的情況下，少量酸的存在對其分解有抑制作用；當溫度≥180℃時，隨著硝酸銨溶液pH值的降低，其分解速度會明顯加快[1，2]。

表1 硝酸銨溶液在輸送、儲存過程中的操作條件及控制措施

目前，生產企業在尾氣吸收、硝酸銨溶液儲運過程中，都采用氯離子含量<3mg/L的脫鹽水或者軟水作為系統的稀釋或應急冷卻水。在高位脫鹽水槽上，設置2臺電導率檢測設備設定報警、聯鎖(數據采取二取一)，同時要求操作人員1次/4h，對硝酸銨溶液儲罐中Cl-的含量進行分析，一般不得超過3×10-6，當Cl-超過10×10-6時，應立即放掉溶液。

在儲存過程中，硝酸銨溶液會緩慢分解出氨氣、硝酸和二氧化氮，其中二氧化氮與硝酸銨發生劇烈的反應，生產中要求操作人員1次/4h對其pH值進行檢測，并在儲罐上部設置氣氨管線，用于控制硝酸銨溶液pH值在5～7之間，抑制硝酸銨溶液的分解。

(2)有機物。當硝酸銨溶液溫度超過185℃時，會分解產生具有強氧化性的N2O ，N2O與有機物發生多種氧化還原反應。有機物的存在不僅降低了硝酸銨溶液的熱穩定性，還降低了其臨界爆炸溫度，溶液中有機物的含量應控制在≤0.2%。

在氣氨壓縮系統中，采用無油壓縮機，避免潤滑油與氣氨接觸。

2 設備、管道、管件的選型

(1)硝酸銨溶液儲罐。采用結構簡單的立式圓筒式，具有儲存量跟高度呈線性關系的優點。對照GB18218—2018危險化學品重大危險源辨識可知，生產中涉及重大危險源的危險化學品為硝酸銨溶液和氨氣，構成重大危險源臨界量(見表2)。

表2 硝酸銨溶液儲罐危險源臨界量

在保證裝置正常生產的情況下，應盡可能選擇較小容積儲罐，建議采用φ2 000mm×3 000mm立式儲槽。

為保證儲槽中硝酸銨溶液溫度均勻，儲槽內采用3到4層盤管分層加熱，最底層離罐底100mm，往上每隔100mm再設置一層。為了避免裸露出液面的盤管不斷升溫發生危險，應對每組加熱盤管獨立加熱，當液位(數據采取2取1)低于盤管時，自動關閉盤管蒸汽閥，停止加熱；當液位超過盤管時，再自動開啟蒸汽閥，達到分段加熱的目的。罐體外采用厚度100mm巖棉材料進行保溫，可有效減少熱量的損失。

預混合槽、一混槽、二混槽采用外蒸汽夾套加熱，并采取100mm巖棉材料進行保溫，槽內部采取同硝酸銨儲槽內盤管分層加熱的方式。

(2)管道。夾套伴熱分為全夾套和半夾套兩種型式(見圖1)，全夾套型蒸汽能覆蓋所有管道和管件，可減少死端，降低內管熱損失，但造價較高。半夾套型便于焊縫的檢測，保溫效果不如全夾套。綜合考慮，采用法蘭焊縫外露+其他管件焊縫隱藏的局部半夾套伴熱方式，既可以達到保溫效果，又便于法蘭處焊縫的檢測。

圖1 夾套管的型式

為保證系統停車時管道內的物料能全部排凈，管線應設計與介質流向相同的坡度(≥0.003)，并在彎頭處設置一個低壓蒸汽吹掃口。

為避免管道中硝酸銨溶液流速過快，引起管道靜電積聚，物料分解爆炸，管內物料流速應<1m/s，管道和設備采取靜電接地措施。

(3)設備法蘭。在設備法蘭選型時，為了防止硝酸銨溶液結晶(低于熔點169.6℃)將法蘭堵塞，應選擇蒸汽加熱的夾套法蘭(見圖2)。

圖2 帶蒸汽加熱夾套的排污口法蘭

(4)攪拌方式。硝酸銨溶液靜止貯存，儲槽內溶液易產生上下溫差，應進行連續攪動消除隱患。建議采用頂裝式攪拌器，不僅滿足細長軸的強度要求，還不必考慮軸密封的問題。

(5)輸送泵。在生產中，長時間運行的硝酸銨溶液輸送泵宜采用安裝維修方便、效率高的離心泵，而地下事故槽輸送泵宜采用液下泵。

3 產品配方及控制措施

在生產硝氯基復合肥時，會形成AN(硝酸銨)/KCl體系，在KCl催化作用下，混合體系會發生“緩慢燃燒”現象。

NH4NO3+KC1=NH4Cl·KNO3+Q

NH4NO3·KNO3+KC1=2KNO3+NH4Cl+Q

如圖3所示，隨著KCl含量的增加，混合物的初始反應溫度逐漸升高，但其峰值溫度在逐漸降低，說明KCl能在一定程度上降低AN的熱敏感度，加速AN的分解，混合物體系的安全溫度區間逐漸變窄[3]。

圖3 AN/KCl混合物體系熱分解

有文獻表明，農業用磷酸一銨對硝酸銨具有鈍化作用，當MAP含量達到25%時，硝酸銨將不再具備傳播爆轟的能力[4]，當有效磷(P2O5)質量分數≥4.0%，pH值(質量分數10%水溶液)≥4.0時，改性后的硝酸銨具有不可復原的防爆性能。

在硝基復合肥生產中，應先在預混槽、一混槽中分批加入農業用磷酸一銨，利用硝酸銨與磷酸銨形成低共熔點化合物特點，不但可以降低混合體系熔融溫度，而且會使其具有不可復原的防爆性能。

為確保生產安全，應選擇合理的生產配方，如圖4所示，當硝酸銨-磷酸銨(N/P=1.6)-氯化鉀的配比為N∶P2O5∶K2O =1.0∶1.0∶1.5、1.5∶1.0∶2.0、2.0∶1.0∶3.0、1.0∶0∶1.0和3.0∶0∶2.0時，會產生緩慢燃燒；生產中也應盡量避開其鄰近的配比1.5∶1.0∶1.0、3.0∶1.0∶2.0和1.0∶1.0∶1.0，保證在安全配比范圍為1.0∶2.0∶2.0、2.0∶2.0∶1.0、1.0∶2.0∶1.0和2.0∶1.0∶1.0等[4]。

圖4 硝酸銨-磷酸銨(N/P=1.6)-氯化鉀配比范圍

4 供電方案及電氣儀表元件的選型

(1)供電方案。為保證電源的可靠和經濟性，控制室內的儀表電源采用單獨電源+UPS供電方式；電梯、航空障礙燈、消防穩壓裝置采用兩路獨立電源供電方案。

(2)電氣、儀表元件的選型。硝酸銨溶液輸送、預混槽、一混槽的電氣、儀表元件應滿足危險爆炸危險2區要求，防爆等級不低于ExdIIBT4，防水、防塵、防腐應滿足WF2等級要求，以避免次生災害的發生。

5 本質安全設計

針對硝酸銨的危險特性，高塔硝基復合肥采取了如下安全設計：高塔內僅設置混合槽、一混槽、二混槽，并減小混合槽、一混槽、二混槽容積，減少硝酸銨的存量；硝酸銨儲存設備、輸送管道采用180℃蒸汽加熱，防止硝酸銨過熱分解；混合槽、一混槽、二混槽加熱蒸汽采用溫度參數控制，簡化控制系統設置，減少因控制系統故障造成的超溫風險。

6 結語

本文結合國家現行的法律、法規和企業生產經驗，分析了硝基高塔復合肥設計和生產中存在的隱患，提出了相應的安全設施、操作要求、設備選型等方面的優化設計和防范措施，保證了人、機安全，為裝置的安全、穩定、長周期、優質生產提供了強有力的技術保障。