空分装置中有害气体的危害与控制

田超　杨家华

摘 要：科技在快速发展，社会在不断进步，我国综合国力显著加强，空分装置冷箱泄漏存在着重大安全隐患，在一些情况下可能会产生爆炸，造成严重的后果，为了避免问题的发生，需要对泄漏原因进行分析，采取有效措施进行处理。文章介绍了空分装置及冷箱的含义，结合冷箱泄漏现象进行分析，提出了冷箱泄漏风险问题以及风险控制及处理措施，并且阐述了空分装置冷箱防爆要求以及空分装置使用的安全预防建议，更好的保障空分装置的使用。

关键词：空分装置;有害气体;控制

0 引言

稀有气体通常指氦、氖、氩、氪、氙5种气体，它们属于元素周期表中的零族，在常温和常压下均为气体状态。因其在大气层和地壳中的含量很少，所以被称为稀有气体，又因其化学性质稳定，又称为惰性气体。这5种气体中，氩在空气中的体积含量相对最多，可达0.932%，其余4种稀有气体之和在空气中的体积含量也不足0.003%，尤其是氙气特别稀少，故氙与氪有时被称为黄金气体。氦主要来源于天然气，少部分来源于空气;核反应堆裂变有不少氙，但具有放射性，故除氦外其他稀有气体主要来源于空气分离装置（空分）。干燥大气的主要组分是氮、氧和氩，并含有少量的氦、氖、氪、氙、二氧化碳、一氧化碳、氢、氧化亚氮、烃类等。常规的空分设备以分离提取高纯度的氧、氮、氩产品为主，其他少量的物质通常以产品中的杂质气存在，或混合在废气当中排放，又或在预处理系统中被吸附器吸附后排放。现在，越来越多的空分设备可对稀有气体氦、氖、氪、氙进行粗提取，为稀有气体的精制提供高品质的原料，很大程度上提高了空分装置的运行经济性。与其他加工行业不同，工业气体行业处理环境空气以生产其最终产品。因此，空分设备的安全与空气中的微量污染物密切相关。由于无法控制环境空气的状况，了解污染物去除技术以及装置现场的空气成分对于装置的设计和安全运行至关重要。这些微量物质与稀有气量的含量相对较为接近，其高度浓缩对粗制稀有气体的影响不能忽略。这些微量杂质与当地大气环境因素有关，下述表中列出的仅为典型空气分离装置中大气的含量，稀有气体的含量相对较为固定。

1 冷箱泄漏风险分析

1.1 冷箱超压喷砂、鼓包

泄漏的液体在流动过程中会受热不断气化，导致冷箱内压力逐渐升高，可能会引起冷箱超压喷砂，严重时会造成冷箱局部鼓包、破裂。若气体泄漏量大也可能使冷箱超压。

1.2 可燃物（碳氢化合物的浓缩积聚）

固体物质主要是指CO2、N2O、C2H2，這些类物质在液氧中溶解度比在液空中的溶解度低，所以这三种组分很容易在液氧中析出。有研究表明，N2O的溶解度还和CO2的含量有关，CO2含量越高，N2O的溶解度越低。同时这三种物质在液氧中的K值非常低，被氧气带走的含量几乎可以忽略不计，在外压缩流程中，随着氧气的不断抽出，液氧中有害杂质会不断浓缩，如果主冷液氧不能有效排出，或者主冷中存在死角，这些杂质以固体形式析出的可能性就非常大。这三种物质中C2H2和CO2可以被分子筛吸附，而N2O不能被分子筛完全吸附，所以N2O的危险是最大的。

2 控制和处理冷箱泄漏风险的对策

2.1 加强危险应急处理效果

在当前的各个工业领域中，发生了安全事故的时候，需要将人群撤离，之后应由专业的人员开展事故抢险工作，将危险源以及故障源排除，还应鼓励现场的人员在保证自身安全的情况下，通过专业人员指导来协助事故抢险，将危险因素进行有效的控制。在空气分离领域中，也应利用专业的应急处理方式进行处理，还应培训工作人员专业的技术能力，使其能够在处理问题的时候具有快速的反应能力，还能进行自救及逃生。当产生了火灾或者气体泄漏等情况的时候，应保证人员的安全，减少事故造成的影响，为空分装置的使用带来了有效的保障。

2.2 膨胀机的性能评估

膨胀机的工艺效率评估分为两大类，通过对气体膨胀机增压侧、膨胀侧等熵效率和液膨膨胀侧效率的计算，回顾是否在最佳运行点。另对气膨及液膨的损失功的计算，跟踪膨胀机传动损失、恶化增大的趋势，及时建立大修计划。根据膨胀机等熵膨胀原理，通过膨胀机入口压力、温度及空气组分由林德物性计算器GTC可计算出入口空气的熵值和焓值;同时根据出口压力及温度，可查出膨胀机出口的实际熵值和焓值;根据等熵原理，查出出口理论焓值并计算出等熵效率。等熵膨胀效率低，表示膨胀机效率低，可能的原因有：存在泄漏，冷量损失增大，或存在机械问题等。由膨胀机输出功和膨胀增压段输入功率或发电机功率比较，得出中间的功率损失量;损失功率大，则表示润滑不足、发电机效率下降等。膨胀机膨胀端和增压端的效率均在设计值内，能量损失略有偏大，后期需检查检查膨胀端及增压端回流阀是否有内漏，通过油品分析和状态监测等进一步分析膨胀机的运行状况，必要时进行拆检保养。

2.3 低温管道的配管

空分装置中的低温管道集中在分馏塔冷箱内部，国内选用的材料都是铝（5052-O、5083-O），通常5083-O用于公称直径小于等于125mm的管道，5052-O用于公称直径大于125mm的管道，同时仪表管采用5052-O。冷箱外的低温管道材料都是不锈钢（06Cr19Ni10，即S30408）。铝的单位线胀率在-190℃时是-3.79mm/m。对于5052-O低温下的许用应力，管材是46MPa、板材是43MPa;对于5083-O低温下的许用应力，管材是74MPa、板材是83MPa。不锈钢（06Cr19Ni10）的单位线胀系数在-190℃时是-3.10mm/m。低温下的许用应力是：管道壁厚小于等于14mm时，许用应力122MPa;管道壁厚小于等于18mm时，许用应力为90MPa。目前，业内空分装置的管道配管多采用三维软件，如PDMS、PDS、AUTOCAD 3D等，应力分析多采用COADE公司开发的CAESARⅡ。下面简要论述冷箱内低温管道的配置。

2.4 开展冷箱巡检监控工作

在检查中，需要安排人员分成小组，对冷箱的情况进行了解，还应监测冷箱结霜情况的变化，使用测温枪来监测冷箱结冰位置的温度，并且进行记录。当发现冷箱结霜的情况加剧的时候，或者冷箱的钢板产生了冻裂的问题，需要及时报告。其次，主控加强对冷箱参数的检查，将上塔的压力进行有效控制，关注冷箱的基础温度以及密封气压力等，明确冷箱的实际情况。当冷箱密封气压力上涨的时候，超出了标准范围的情况下，基础温度突然降低，冷箱密封气中的氧含量增大，都需要立即进行报告。

2.5 扒砂

事先制定扒砂方案，严格按方案进行扒砂。冷箱顶部人孔打开后装上安全铁栅，以防意外。卸砂人员严格按防护要求戴好防护面罩，分班作业，在冷箱周围设警戒线，安排专人进行安全管理，并设置在紧急情况下的安全撤离通道。在扒砂初期，发现局部珠光砂温度仍有-20℃左右。由于复温不彻底，扒砂进程缓慢、谨慎，在多个卸砂口分步交替进行卸砂，以防止“砂爆”发生，确保安全。并继续向分馏塔内通入仪表空气加温，冷箱适当加氮气加温。

3 结语

为了更好地跟踪和计算装置运行状态，需修正或校准流量计;发现气体膨胀机功率损失偏大，考虑运行时间较长了需提出检修保养计划。在对压缩机的过滤器、导流叶片、冷却器、比功率、防喘振控制等一系列参数和运行状态进行评估和分析后，发现部分增压机、氮压机的换热器趋近温度偏离正常状态，发现增压机和氮压机均存在一、二段压力比偏离设计值，影响压缩机效率;研究还发现氮压机的喘振阀动作频繁，影响效率，需要优化调整。

参考文献：

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