大型空分设备主冷防爆

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。Sh
   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
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   (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。\-
参考文献：'
[1]马大方．氧气与相关气体的安全生产及使用技术，武昌：华中理工大学出版社，1998．`B?>
[2]德国林德公司、美国气体工业产品公司、液空(杭州) 公司、俄罗斯深冷机械公司等．武钢60000m3／h制氧机技术交流资料．作者简介：马大方(1940- )，男，1962年8月毕业于武汉钢铁学院，本科，同年分配武钢工作；曾任武钢氧气厂副厂长、热力厂厂长、能源总厂副厂长，教授级高工，2000年退休。现返聘参加武钢60000m3／h制氧机筹建，为冶金工业气体安全技术协会理事长