关于空分装置主冷的安全运行及防爆措施研究

张皓天(内蒙古大唐国际克什克腾煤制天然气有限责任公司，内蒙古 赤峰 025350)

1 空分装置主冷爆炸防治的重要性

空分装置通常应用于石油化工、钢铁冶金等领域，是一项极为重要的生产装置。近些年随着全国各地空分装置投产数量的不断增多，已投产装置运行年限的不断增长，空分装置的相关事故也在随之增多，尤其是已经发生多起的主冷爆炸事故，严重威胁了企业职工人身安全和设备安全。根据相关资料，截至目前我国小型空分装置已发生了100多起爆炸事故，大中型空分装置已发生了30多起爆炸事故，其中最为严重的就是1997年5月A石化公司乙烯化工有限公司发生的空分装置爆炸事故。事故的主要原因就是由于主冷碳氢化合物超标导致了主冷粉碎性爆炸，导致4人死亡，经济损失共400万元左右。给了人们很大的教训：即必须严格管理空分装置液氧中乙炔等碳氢化合物含量，保证空分装置安全运行。

本文就以大庆石化M厂的两套大型空分装置为例，对空分装置主冷的安全运行及防爆措施进行深入探讨。这两套空分装置都是运用分子筛吸附净化双级精馏技术，自投产以来，由于该装置附近大气中的烃含量严重超标，导致其主冷液氧里的碳氢化合物也相应超标。即使运用了很多方法，包括将主冷完全浸没式操作、液氧定期排放等，却只减少了部分碳氢化合物含量，乙烷含量依然严重超标，甚至有时超过停车值。一般乙烷在线值在20～50 ppm，发生事故前乙烷最高值达到了749 ppm，造成主冷爆炸的严重事故。由此可见，加强对空分装置的安全管理和技术优化刻不容缓，必须严格控制主冷碳氢化合物含量，防止碳氢化合物浓缩、积聚，同时消除引爆源，才能以最大程度保障空分装置安全稳定运行。

2 造成主冷爆炸的主要因素

通常主冷发生化学爆炸需同时具备以下三个因素[1]：可燃物、助燃物以及引爆源。对于空分装置来说，其可燃物主要为乙炔等碳氢化合物以及油分等，助燃物主要为液氧。引爆源主要有四种：第一是爆炸性杂质固体微粒之间互相摩擦以及和器壁相互摩擦碰撞导致的；第二是静电放电，如果液氧里带有少量的冰粒以及固体二氧化碳，就会形成静电荷，当二氧化碳的含量增加到200～300 ppm的时候，会形成3 000 V的静电位；第三是气波冲击，因为流体冲击以及气蚀情况会导致压力脉冲，使局部的压力变大、温度变高；第四是当具有化学活性极强的物质存在时，例如臭氧以及氮氧化合物，会导致液氧中的可燃物爆炸敏感性变强。总之，不论是哪种因素造成的爆炸，为了保证空分装置的安全生产，主冷防爆是空分工作中的重中之重，必须清除所有危险因素，保证空分装置的安全稳定运行[2]。

3 爆炸源产生的原因分析

大气中不仅含有氧气、氮气和氩气，还含有水蒸气、二氧化碳、碳氢化合物以及灰尘等，这就需要用大中型的分子筛净化流程，将空气里的水分、二氧化碳、碳氢化合物等杂质吸附干净，常用的吸附剂为硅胶或分子筛。分子筛可将空气里的水分、二氧化碳、碳氢化合物等杂质吸附于吸附剂的表面，经过加热再生将其去除，最终实现空气净化的效果[3]。本文所研究的空分装置应用的吸附剂是13 X分子筛，因为13 X分子筛具备对孔径相似极性分子的吸附能力，因此空气里的水分、二氧化碳、碳氢化合物等杂质几乎都能用分子筛吸附器进行清理。通常化工区各装置都较为集中，一旦其它界区装置的烃类气体发生大量泄漏或者存在烃类气体放空口，就会导致空分装置吸入口处的碳氢化合物严重超标，空分装置的吸气条件严重恶化。当分子筛的吸附状态趋于饱和时，会有部分碳氢化合物随着空气进入到空分精馏塔内，并溶解于低温液体中[4]。在此以危险性很大的乙炔为例，其蒸发量是液体的1/24，如果液体里的烃浓度不断上升，最终大于液氧溶解程度的时候，就会以固态方式被析出，并聚集在一起，当积聚到一定程度时，就会和液氧混合成为爆炸源，遇到上述引爆源便会产生化学性爆炸。

4 主冷总碳指标控制的标准

对于林德公司操作手册来说，其只有乙炔的分析频率以及控制指标，明确规定必须每天至少测量一次主冷液氧乙炔浓度。正常情况下，分子筛系统出口乙炔含量要低于0.1 ppm，当液氧里乙炔含量为1 ppm的时候必须立即停车，其中没有对其它碳氢化合物的指标明确规定。在燕山石化公司的空分装置主冷爆炸后，中石化就特别规定了液氧里乙炔等碳氢化合物的指标控制值。对指标控制值的确定主要依据了如下几个方面，首先，依据液氧里危险杂质许可量的控制范围得出了某个数值，随后依据流程、设备结构和特点展开修正。其次，参照林德、日本以及法国等相关标准，对各项指标进行参照制定，其中乙炔参照林德标准，总碳控制值参照日本标准，单项碳氢化合物参照法国标准。最后，根据我国空分装置运行状况以及生产企业的环境条件将总碳停车值扩大为500 ppm。根据指标要求规定，除了乙炔之外，其它碳氢化合物溶解度都要在50 000 ppm以下，指标警戒值的计算公式为许可含量乘以安全系数，如乙烷警戒值就为：20 000×1/20×0.015=15 ppm。不过此指标制定较为苛刻，因为许可含量应用的是溶解度最小值，即1/20，这已经具有一些安全系数，要是将许可含量乘以更小的安全系数，就如同双安全系数。现阶段在制定主冷控制指标的时候，应当从各生产企业环境条件的实际情况出发，使主冷总烃的指标控制既安全又可行[5]。

5 空分装置主冷爆炸的有效预防措施

由上述内容可知，该公司空分装置主冷爆炸的主要原因是由于乙烷含量严重超标，最大值为749 ppm，指标没有满足公司要求。另外，控制引爆源也是极为关键的部分。要想保证空分装置安全运行，就必须结合实际情况，采取有效的预防措施。

5.1 严格控制空分装置主冷碳氢化合物含量

为了有效控制主冷碳氢化合物含量，首先要优化设计。在企业建设初期，相关设计院应该对厂区的大气环境做深入调研，在全厂各界区合理布局的前提下，应尽可能将空分界区选址在常年风向的上风向进行建设，避免建设在烃类气体放空口的下风向，在根源上优化了吸气条件，降低了主冷总烃超标的次数。同时在主冷内部结构设计时，必须考虑改善主冷内部液体的流动性问题，防止产生局部死角，避免乙炔等碳氢化合物在局部死角产生积聚，造成局部轻微爆炸而破坏液氧纯度，无法维持正常生产。当空分装置原料空气中碳氢化合物超过规定值，同时液氧里的总烃也超标时，就需要按照空分装置总烃超标的相关处置规定，对空分系统进行降负荷处理，降低系统进气量，缩短单侧分子筛吸附剂的吸附时间，从而降低分子筛的吸附负荷，达到防止主冷液氧中总烃超标的目的。同时还要研究如何清除污染源，通过设置风向标，做好风向、风力、气压和碳氢化合物含量的记录，并统计分析，为以后清除污染源提供数据支持。其次，应大力研发新型吸附剂以及优化分子筛吸附器。大庆石化M厂为了降低空分装置吸附器吸附后的乙烷含量，还研发出了对乙烷具有强选择吸附性的专用吸附剂，并装于13 X分子筛上，专门用于清理乙烷杂质，有效降低了分子筛系统后的乙烷含量。当低液位操作以及液位波动较大时也会导致液氧里的有害杂质析出和积聚，为了避免液氧里的有害杂质析出和积聚，应采取主冷全浸式操作，同时要定期连续排放相当于气氧产量1%的液氧，如果液氧中的有害杂质超标，则应适当加大液氧排放量。

5.2 控制引爆源

首先，降低二氧化碳进塔量。因为二氧化碳对分子筛流程的空分装置伤害很大，不仅会导致换热管道发生堵塞，还会导致有害物质吸附，所以必须对二氧化碳进行在线监测，以确保分子筛系统出口二氧化碳含量小于0.5 ppm。其次，避免静电。为了避免静电产生，应严格按照技术要求在主冷上安装防雷以及防静电的接地装置，接地电阻应小于10欧姆。同时应将氧气管道上的法兰跨接电阻应小于0.03欧姆。最后，降低压力脉冲。当空分装置需要冷态开车的时候，一定要防止因液氧大量蒸发而产生杂质积聚，造成加温启动时发生爆炸；冷态开车时，精馏塔必须慢慢升压，以减少压力脉冲，避免因操作不当，产生液悬现象。

5.3 采取实时监测措施，加强指标监控

为随时监测主冷液氧中碳氢化合物含量，并且能够及时采取防范措施，必须投用主冷总碳在线分析仪表，以便岗位人员24小时实时监测碳氢化合物的变化情况，并根据碳氢化合物的实时超标情况，主动采取对应的处置措施。

6 结语

通过上述内容可知，主冷防爆对空分装置来说非常重要，所以必须引起重视，防患于未然。要想使主冷防爆工作落到实处，就必须采取有效的预防措施，要将主冷液氧中碳氢化合物的含量控制在正常范围内，防止其在主冷液氧中浓缩、积聚；同时还要控制好引爆源。只有严格落实好主冷防爆的各项预防措施，才能有效防止主冷爆炸事故的发生，保障企业的人身安全和设备安全。