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大型空分设备主冷防爆

   2024-10-18 66
导读

20世纪70年代末至80年代初,据不完全统计,国内大中型空分设备爆炸30余台次,小型空分爆炸100余台次。鞍钢、包钢、武钢、兰化等

20世纪70年代末至80年代初,据不完全统计,国内大中型空分设备爆炸30余台次,小型空分爆炸100余台次。鞍钢、包钢、武钢、兰化等单位均发生过多次事故,1986年7月27日,北京燕山石化3200m3/h空分设备大爆炸比较典型。1987年2月12日,安阳钢铁公司6000m3/h空分主冷也发生局部爆炸。进入20世纪90年代中期后,似乎又到了一个主冷爆炸的高发期,国内外连续几台大型空分主冷爆炸,损失惨重。1996年3月2日,江西新余钢铁厂6000m3/h空分主冷爆炸,空分塔报废。1997年5月16日,辽宁抚顺乙烯化工公司6000m3/h空分主冷爆炸,空分塔毁损,死亡4人。
   尤其是1997年12月25日圣诞之夜,马来西亚宾特鲁壳牌石油公司80000m3/h空分主冷爆炸,空分设备全毁,伤12人,损失惨重,世界震惊。该设备为法国液化空气公司制造,分子筛吸附,降膜式主冷,外压缩流程。事故的直接诱因是印度尼西亚森林大火,环境严重污染,分子筛前端净化已无能为力,大量碳氢化合物、二氧化碳、氧化亚氮等可燃组分和堵塞组分穿透分子筛吸附器进入空分没备,未及时采取停机措施。当时膨胀机存在故障,未排液体。降膜式主冷液氧循环倍率设计偏小,易“干蒸发”。大量二氧化碳、氧化亚氮堵塞膜式主冷氧通道,形成“死端沸腾”;大量碳氢化合物浓缩、析出、积聚,与液氧形成爆炸性混合物后引爆。之后,再引起铝材与液氧混合物的威力更大的“二次燃爆”,从而造成严重后果。V~
   这次事故后,有四个问题引起了空分行业的关注:①降膜式主冷的安全性受到质疑;②氧化亚氮在主冷浓缩析出,堵塞氧通道,容易引起碳氢化合物的“干蒸发”与“死端沸腾”,造成主冷爆炸;③浸入液氧中的铝材“二次燃爆”(这是法国液化空气公司与美国气体化工产品公司的观点,德国林德公司不赞同);④严格空分操作与管理。+OSVcE
   由以上论述可知,大型空分主冷防爆,是空分设备安全的关键与要害,是第一要务。AO4g
2 主冷防爆机理!z
2. 1 燃爆三要素分析&s
©空分之家 -- 这是空分操作与管理人员的交流园地。 

 (1)可燃组分与堵塞组分Qd\#m
   可燃组分主要是乙炔等碳氢化合物.乙炔最危险,乙炔在液氧中的溶解度很低(5.6×10-6),很容易以固态析出并引爆。"XpT
   堵塞组分主要是二氧化碳、水分和氧化亚氮等,它们本身虽不可燃,但结晶析出后易堵塞主冷通道,造成主冷“干蒸发”和“死端沸腾”,进而造成乙炔等碳氢化合物可燃组分浓缩、积聚、析出,引发主冷燃爆事故。尤其是氧化亚氮的危害,日渐引起关注。   (2)主冷内的大量液氧,是强氧化剂。"VL
   (3)引爆源有多种因素构成:①爆炸性杂质固体微粒的机械撞击引爆,如液氧中析出的固态乙炔微粒互相摩擦、与器壁摩擦、受液氧冲击等;②静电放电引爆,液氧中含有的微量冰粒、固态二氧化碳会产生静电荷,二氧化碳含量提高到 (200~300)×10-6时,产生静电压可达3000V;③化学敏感性特强的物质(如臭氧和氮的氧化物等)引爆;④气流冲击、压力冲击、气蚀现象引起的压力脉冲,造成局部压力升高而温度升高引爆。

2. 2 主冷防爆原则 ^
   清除和防止乙炔等碳氢化合物可燃组分和二氧化碳、水分、氧化亚氮等堵塞组分的积聚,消除激发能源即多种引爆因素,是主冷防爆的原则。JUO
3 主冷防爆措施ieU
   总结以往事故教训。结合近期国内外研究成果,参考与德国林德公司、美国气体化工产品公司、液空(杭州)公司、俄罗斯深冷机械公司关于引进武钢60000m3/h空分技术谈判与交流资料,特对大型空分主冷防爆提出如下简要措施%/cL
3.1 氧站总图位置和空分设备周边环境的安全~tTJ
   氧站应在工厂的常年上风向,距乙炔发生站300米以上,远离有害气体源。加强原料空气质量监控,一旦污染严重要采取措施。c`
   空气质量标准见表1,其中只列人了几种敏感和主要的杂质。表1 空气中部分有害杂质允许的最大含量(×10-6) 标准 杂质欧洲气体协会EIGA分子筛净化林德法液空APCI前苏联/(mgC/m3)中国GBW=S$<
乙炔C2H20.3一般1分子筛100.510.5一般0.5分子筛5mgC/m3Y
甲烷CH45 81010石化标准3>J
二氧化碳CO2400 400400735石化标准350;
氧化亚氮N2O0.35 0.6 氮氧化物1.25石化标准氮氧化物1n"
粉尘/(mg/m3)   2.53030h7e,
   注:目前,欧洲国家多半参照欧洲工业气体协会 (EIGA)标准。!GL
3.2 加强前端净化,采用分子筛吸附BGG
   对于大型空分设备,目前都采用前端净化分子 筛吸附流程。分子筛吸附器为双层床,第一层床氧 化铝(Al203),主要吸附水分,保护第二层床;第 二层床为分子筛,完全吸附二氧化碳、乙炔等碳氢 化合物,部分吸附氧化亚氮、乙烯、丙烷等,基本 不吸附甲烷、乙烷等。原料空气通过双层床分子筛 吸附器后,基本上完全清除了水分、二氧化碳和乙 炔等碳氢化合物。一般在吸附器出口设置二氧化 碳、水分在线监测,超过1×10-6报警,立即倒换 吸附器。hlVJ
   近些年来对氧化亚氮的堵塞危害引起了充分重 视,而分子筛对氧化亚氮只能部分吸附。为了减少 其危害,国外对氧化亚氮吸附剂进行了研究,并取 得了成果和应用。在分子筛吸附器内加上氧化亚氮 吸附剂,或加一层5A分子筛,均能达到良好效 果。若氧化亚氮进入冷箱内,则需靠液空吸附器或 液氧吸附器来清除。i1
3.3 必要时设置液氧循环吸附器N~52E
   (1)非分子筛前端净化流程,必须设置液空吸 附器和液氧吸附器。otr%Rr
   (2)分子筛前端净化流程,采用浸浴式主冷, 一般可不设液氧吸附器(环境恶劣例外)。v,&eEy
   (3)分子筛前端净化流程,采用降膜式主冷。内压缩流程空分,主冷安全性好,可不设置液氧吸 附器。外压缩流程空分,当提取氪气与氙气时,能 提高主冷安全度,达到内压缩流程水平,故可不设 置液氧吸附器。武钢拟引进的60000m3/h空分没 备,就是这种情况。外压缩流程空分,不提取氪气 与氙气时,应设置液氧吸附器。r
3. 4 采用高、精、尖、新检验检测仪表,实现在 线与离线监测,重点为主冷液氧)_
   (1)随着空分设备大型化、自动化、智能化的 发展,为满足安全生产的需要,各种磁氧、电化 学、红外线、电容式、热导、氢焰、氦离子化等高 新技术、高精密度尖端检测仪表广泛应用。为了测 量极微量组分,甚至用到了ppb级(10-6)精度的 带放电离子化鉴定器气相色谱仪,一台近百万元, 价格昂贵。为了大型空分设备各个重要环节(特别 是主冷)的安全控制,实现在线连续和离线定时监 测,这种投入是必需的。|WZA@
   (2)原料空气监测。这个工作要正常化、制度 化,定期进行。若环境有恶化,需随时进行,并采 取有效措施。控制标准见表1。/4#MM
   (3)前端净化分子筛吸附器后二氧化碳和水分 的监测。在线连续监测,控制标准:吸附器后原料 空气中二氧化碳和水分含量均小于1×10-6,基本 为无。表2 液氧中部分有害杂质允许的最大含量(×10-6) 标准 杂质欧洲气体协会EIGA分子筛净化林德法液空APCI前苏联/(mgC/m3)中国GBp*5:
乙炔C2H20.50.5120.22≤300m3/h空分,1>300m3/h空分,0.1Z#
甲烷CH4500120500450430 ^{0T!{
总碳(以CH4计)500155    S+#r
二氧化碳CO2浸浴主冷4降膜主冷更小浸浴主冷4降膜主冷更小2降膜主冷0.5 100(参考值)K7
氧化亚氮N2O浸浴主冷100降膜主冷更小浸浴主冷100降膜主冷l60降膜主 冷2  A0sy
   注:目前,欧洲国家多半参照欧洲工业气体协会 (EIGA)标准Pb
   (4)主冷液氧监测。这是重点,在线监测与 离线监测并举。液氧中有害的可燃组分和堵塞组分 的控制标准见表2。超过标准要迅速分析原因,采 取措施,排放液氧或提前大加热。表2只列入了几 种敏感和主要的有害杂质。-
3.5 主冷设计制造防堵塞,改善液氧流动和严格 接地,AIQ_
   (1)主冷板翅式单元设计时,翅片翅距要稀疏 一些,以防止运行时液氧中可燃组分与堵塞组分结 晶,可能产生堵塞。主冷板翅式单元制造时,环境 要清洁,防止机械杂质进入通道,造成流道不畅或 堵塞,埋下重大隐患。R?P
   (2)大型主冷液氧的进出,设计时要考虑均衡 布置的双口或多口,改善主冷液氧的流动性与混 合,避免产生死角,防止有害杂质在局部沉积。w1!
   (3)主冷要严格接地,防止静电积聚。其接地 电阻应低于10Ω。g
3. 6 降膜式主冷的特殊要求b0Gw
   由于工作原理、结构形式、操作状况的不同, 降膜式主冷比浸浴式主冷出现“干蒸发”或“死端 沸腾”的概率大一些。但是,通过在设计、制造、 操作和管理方面采取必要措施,安全是可以确保 的,笔者同意林德公司这个观点。近年来,法国液 化空气公司和美国气体化工产品公司对这个观点也 有所认可。)?%2
   针对降膜式主冷的特点,为确保其安全,特提 出如下特殊防爆要求:T
   (1)提高降膜式主冷液氧循环倍率,加大液氧 对降膜式主冷通道自上而下的冲刷,能有效防止乙 炔等碳氢化合物和氧化亚氮、二氧化碳等结晶的堵 塞,杜绝“干蒸发”与“死端沸腾”,消除主冷燃爆事故。根据林德公司的标准,降膜式主冷液氧循 倍率必须大于3,即降膜式主冷液氧循环量要为液 氧蒸发量(氧气产量)的3倍以上。这是降膜式主 冷安全防爆的前提。武钢60000m3/h空分主冷液氧 循环倍奉提高到6以上。*%_&
   (2)主冷上部液氧分配盘设置液氧液位指示 计,掌握液位高度,保证完善溢流和氧通道液氧膜 的形成。"H5p}N
   (3)降膜式主冷液氧循环泵的进出口,要设置 100微米孔径的过滤网(铜质),以防止各种固体 结晶与杂质进入主冷,堵塞通道,确保安全。Z
3.7 浸浴式主冷的特殊要求}
   (1)全浸操作,使主冷完全淹没在液氧中,杜 绝“干蒸发”,防止燃爆,这是浸浴式主冷安全操 作的真谛。X
   (2)大型空分设备浸浴式主冷,一般设置双液 位计,全面准确掌握液氧液面高度,确保全浸操 作。当一个液位计故障时,也能保证安全运行。"
   (3)主冷连续排放大于氧产量的百分之一的液 氧量,防止乙炔等碳氢化合物浓缩积聚,这是有效 的安全措施。,7Ap
3.8 设备选定后,主冷操作是关键RZY'K
   氧站总图位置、空气净化方式、空分工艺流 程、主冷结构型式、在线离线监测等因素按上述要 求确定后,只是创造了一个良好的先决条件。但 是,诸如各种吸附器的倒换,空气和液氧中有害杂 质的监控,主冷液氧循环倍率的调节,主冷全浸操 作及液氧排放,空分操作工况的稳定,异常情况的 判断与处置,甚至大量排放液氧或提前大加热等, 这都是要通过人的操作来实现的。因此,在设备选 定后,抓好人员技术培训,提高人员综合素质,遵 章守制,强化空分及主冷操作,是主冷安全防爆的 关键。BPmF
4 结 论Z&
   (1)大型空分设备主冷爆炸事故后果严重,损 失巨大,影响面广,时有发生,杜绝此类事故有重要的现实意义。文中所述主冷爆炸机理与防爆措 施,是简要和提纲式的,还嫌粗糙,有待今后深入研究与探讨,仅供参考。纵观以往主冷爆炸事故, 总结经验教训,无一不是或多或少违反了上述防爆 措施的有关规定。若能严格贯彻执行文中所列防爆 措施,主冷爆炸事故基本可以避免。p
   (2)降膜式主冷的安全已引起争议与关注,应 特别重视。如果能按文中所述防爆措施要求办理, 尤其是满足主冷液氧循环倍率提高到3以上等特殊 要求,其安全性是可以确保的。降膜式主冷的采用 可使空分设备节能2%~3%,不可小视。


 
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