天然二氧化碳提纯工艺中氨危险性分析

2016-03-15李文俊

中国高新技术企业 2016年9期

关键词：蒸馏塔沸器液氨

摘要：文章以天然二氧化碳提纯工艺中氨介质为研究对象，以某车间为例，对工艺中涉氨单元进行危险性和可操作性分析，并对氨储罐进行危险物质爆炸和中毒模型安全评价，为企业制定安全防范措施和有效监管提供科学性依据。

关键词：天然二氧化碳；提纯工艺；氨危险性；氨储罐；危险物质爆炸；中毒模型安全评价文献标识码：A

中图分类号：TQ441 文章编号：1009-2374（2016）09-0068-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.09.032

液氨由于其良好的热力学性能，作为制冷剂被广泛用于制冷系统。近几年，氨泄漏导致的事故频发，氨列为重点监管的危险化学品，对氨的危险性分析和安全对策研究具有重要的意义。

1 氨的特性及危险性分析

1.1 氨的特性

氨属于第2.3类有毒气体，危规号：23003，CAS号：7664-41-7，是无色有刺激性恶臭的气体。液氨为液化状态的氨气，是一种无色液体，具有腐蚀性且容易挥发。

1.2 危险性分析

与空气混合形成爆炸性混合物，遇明火、高热能引起爆炸。与氟、氯等接触会发生剧烈的化学反应。遇高热，容器内压增大，有开裂和爆炸的危险。禁忌物：卤素、酰基氯、酸类、氯仿、强氧化剂。人体吸入氨气后，可引起急性中毒，低浓度皮肤接触对黏膜有刺激作用，高浓度可造成组织溶解坏死。

2 二氧化碳提纯工艺中主要涉氨设备危险性和可操作性分析

2.1 氨在系统中的分布

在天然二氧化碳提纯工艺中，氨主要分布于蒸馏塔再沸器、冷凝器、贮氨罐、氨螺杆压缩机组等设备中，在生产、储存和设备检修过程中，涉氨设备、管道或储罐及其阀门的意外爆破将导致氨气大量泄漏，引起火灾爆炸和中毒事故。

2.2 危险和可操作性分析

以车间蒸馏塔再沸器为例，塔底再沸器热源的冷冻机组压缩出来的气氨发生泄漏，有可能造成人员中毒。本系统操作过程全系统压力为：4.0～4.4MPa，如果没有控制好操作压力，可能造成系统超压，造成设备物理爆炸。在再沸器内二氧化碳被加热汽化，如果温度控制不好，超温会引起系统压力超高，同样有可能引起设备物理爆炸，以上爆炸会造成加热物料气氨发生泄漏，引发中毒、火灾、爆炸事故。

流程概述：二氧化碳经减压至工作压力送至蒸馏塔再沸器的壳程，再沸器壳程中的二氧化碳被管程高温的氨加热汽化而沸腾，送至蒸馏塔分离油气；再沸器壳程中高沸点的油、水由底部进入二氧化碳汽化器。

例：要素（压力），引导词（高）。可能原因1：仪表错误，后果：无法正常指示，造成操作失误，管线或后续生产设备超压爆炸，现有安全措施：DCS控制系统上壳程出口管线现场设计了压力表；再沸器E301的壳程现场设计了安全阀。可能原因2：上游来的CO2压力较高，后果：发生管线或后续生产设备超压爆炸，现有安全措施：原料管线上设计有压力表，再沸器的壳程现场设计了安全阀。可能原因3：加热汽化用的氨温度较高，后果：发生管线超压爆炸，现有安全措施：DCS控制系统上壳程出口管线现场设计了压力表，DCS控制系统上用来加热的氨气管线设计了温度计，再沸器的壳程现场设计了安全阀。可能原因4：安全阀失效，不能正常起跳（憋压），后果：设备超压爆炸，现有安全措施：DCS控制系统上壳程出口管线现场设计了压力表。

以上为例再分别对要素温度、流量进行分析。分析结论：通过对蒸馏塔再沸器单元危险和可操作性分析，蒸馏塔再沸器设置了防止超压、温度监测等安全措施，目前能够满足安全操作要求。

3 液氨储罐危险性分析

以某车间液氨储罐为例，数量1，型号6.2m3，最大贮存量为3280kg，属于中压二类压力容器，爆炸分为储罐本身的物理爆炸和化学爆炸。

引起物理性爆炸的危险有害因素为：安全装置不齐、装设不当或失灵；液氨储罐由于温度升高而超压；液氨储罐超装；内外介质腐蚀造成壁厚减薄等。引起火灾、化学性爆炸的危险有害因素为：液氨储罐、法兰、阀门、管道以及充装液氨时泄漏，氨气与空气混合达到爆炸极限时，遇到明火、静电火花等火源。氨气中毒危险有害因素为：液氨储罐及附件爆炸、泄漏，空气中氨气浓度超过安全阈值，人员进入液氨储罐进行检修时，内部氨气浓度没有达到安全范围，也会引起中毒事故发生。

4 氨气中毒事故后果模拟分析

4.1 对人员危害程度的决定因素分析

氨一旦泄漏，有可能对人体会造成一定伤害。对作业人员的危害取决于氨的性质、浓度和人员接触的时间等因素。氨泄漏初期，其形成气团密集在泄漏源周围，随后由于环境温度、地形、风力和湍流等影响气团飘移、扩散，扩散范围变大，浓度减小。在后果分析中，往往不考虑氨气泄漏的初期情况，即工厂范围内的现场情况，主要计算氨气团在空气中飘移、扩散的范围、浓度、接触氨气的人数等。

4.2 有毒气体扩散毒害半径计算

液化介质在容器破裂时会发生蒸汽爆炸。当液化介质为液氨，爆炸后如不燃烧，便会造成大面积的毒害区域。

已知液氨参数：比热C=4.6kJkg-1℃-1，容器破裂前器内介质温度t=30℃，介质标准沸点t0=-33℃，介质分子量M=17，气化热q=1.37×103kJkg-1，W为介质质量，则液氨在沸点下蒸发蒸气的体积Vg（m3）为：

车间液氨贮氨器体积为6.2m3，最大贮存量为3280kg。代如数据计算为：Vg6.2m3=841.98（m3）。

按有毒气体的危险浓度，当氨气在空气中的浓度（C）达到0.5%时，人吸入5～10min即致死，若其扩散以半球形向地面扩散，则扩散半径为：

代入数据计算为：R6.2m3=43.16（m）。

综上所述，液氨贮氨器爆炸后如不燃烧，便会造成大面积的毒害区域。车间氨储罐有毒气体扩散毒害半径为43.16m。

4.3 分析结论

根据毒害半径的计算，当车间氨储罐发生氨气泄漏时，有毒气体扩散毒害半径为43.16m，在此范围内的人员必须全部撤离。同时，在此范围内的抢险人员必须佩戴正压式空气呼吸器等个人防护用品。

5 液氨储罐爆炸事故后果模拟分析

5.1 爆炸能量E

E=[（H1-H2）-（S1-S2）T1]×W。式中参数H1、S1分别为爆炸前饱和液体的焓和熵，H2、S2分别为大气压下饱和液体的焓和熵，T1为介质大气压下的沸点，W为饱和液体的质量。

查表可知：H1=639.01kJ/kg·K；H2=364.76kJ/kg·K；

S1=2.4786kJ/kg·K；S2=1.4775kJ/kg·K，

T1=273.15-33.5=239.65K。

以车间氨储罐为例：W=3280（kg），则E6.2m3=[274.25-239.91]×3280=112635.2（kJ）。

5.2 TNT当量q

q6.2m3=E/4500=112635.2/4500=25.03

5.3 爆炸模拟比a

a6.2m3=0.1q6.2m31/3=0.1×25.031/3=0.293

5.4 计算爆炸冲击波对人体和建筑物的破坏作用

Δp为0.02时，R0=56m，R6.2m3=R0×a6.2m3=56×0.293=16.41（m），即车间储罐爆炸时，16.41m范围内人的危害程度为轻微损伤，对建筑物的危害程度为墙裂缝；以此类推，12.45m范围内，人的听觉器官损伤或骨折，建筑物墙体裂缝，屋瓦掉下；9.52m范围内人内脏严重损伤或死亡，建筑物房架松动甚至砖墙倒塌；6.65m范围内大部分人员死亡的范围内，建筑物防震钢筋混凝土破坏，小房屋倒塌。

6 主要安全预防措施

液氨的泄漏将会导致火灾、爆炸、中毒事件发生，因此杜绝一切可能的泄漏源和明火是防止事故的关键，应考虑以下主要预防措施：

储罐物理爆炸预防控制措施：储罐防腐、安全阀失效控制、储罐环境温度控制、压力表的选择与保养等。

储罐火灾、化学爆炸预防控制措施：采用防爆设计、设置气体检测器、管道和设备的选材必须耐腐蚀等。

应急要求：设置风向标、设置氨气浓度报警装置及风机连锁、防爆型电动机及灯具的选择、应急设备等。

静电接地要求：氨压缩机房内的管道各种金属管做等电位联结，建议对氨螺杆压缩机组及氨储罐、蒸发式冷凝器和氨液分离器等制冷辅助设备做等电位联结。

加氨过程安全要求：加氨量应满足系统的设计要求，严格控制装氨量，避免过量充装；加氨前应对制冷系统抽真空；向系统充氨时，应采用耐压3.0MPa以上的连接件，与其相接的管头须有防滑沟槽；加氨时严禁加热，夏季加氨时防止氨瓶暴晒，引起内部压力升高。

其他要求：如DCS控制室应与机器间隔开；作业现场应配备洗眼器和淋浴喷淋装备；人员的培训、取证；重大危险源管理等。

参考文献

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[2] 朱小红，张慧明，周德红.爆炸与中毒模型在液氨储罐安全评价中的应用[J].安全与环境工程，2007，3（14）.

[3] 冷库设计规范（GB50072-2010）[S].