以砂爆事故为例分析空分装置设备运行风险及预防措施

霍泉龙

(中国石化 洛阳分公司 ， 河南 洛阳 471012)

1 砂爆事故概况及分析

2019年7月19日，河南省三门峡市某气化厂C套空气分离装置发生爆炸事故，造成15人死亡，16人重伤。该气化厂共有A、B、C三套空分装置，本次事故发生于C套空分装置。C套空分装置的产氧量20 800 m3/h，产氮量11 000 m3/h，产氩量为720 m3/h，采用内压缩流程，2007年投用。

2019年6月6日，C套空分装置冷箱保温层检测到冷箱内氧含量上升；7月7日密封气压力也上升至800～900 Pa(正常值400～500 Pa)，氧含量达到58%(正常应<5%)，冷箱顶部西侧、北侧出现外部结霜情况；7月12日冷箱四层北侧出现长250 mm的裂纹，开始有冷气冒出；7月19日17时43分珠光砂发生外喷，冷箱失稳坍塌，砸裂东侧8.5 m处500 m3液氧储槽，随即发生爆炸。

空分装置爆炸事故的直接原因是：C套空分装置冷箱内富氧液体长期泄漏至珠光砂中，发生砂爆，冷箱内碳钢构件在低温作用下发生脆断，在自身重量作用下发生坍塌，冷箱出现倾斜，并砸裂东侧500 m3液氧贮槽，大量液氧迅速外泄到周边区域，氧气与铝制材料和其它可燃物在冲击能的作用下发生爆炸。

2 空分装置安全风险分析

2.1 空分装置工艺流程简介

空分装置，也称为空气分离装置，通过将空气中各种组分气体分离，从而生产出氮气等气体的一整套工业设备。空分装置采用深冷空气精馏法制取所需气体，先将空气压缩、冷却，并使空气液化，利用氧、氮组分的沸点不同(在大气压下氧的沸点为90 K，氮的沸点为70 K)，在精馏塔板上使气、液相互接触，进行质、热交换，高沸点的氧组分不断从蒸气中凝结成液体，低沸点的氮组分不断地转入蒸气中，使上升的蒸气中氮含量不断提高，下流的液体中氧含量越来越高，从而实现氧氮分离。

图1 空分装置工艺过程系统组成

空分装置因为其独特的设备结构和工艺，要求更加注意其设备管理，科学合理地进行设备运行的危险性分析、评价，并制定相应的安全措施。现结合砂爆事故对空分装置设备运行的风险进行分析。

2.2 空分装置冷箱“砂爆”风险

空分装置由于其内部管道和换热器温度很低，基本维持在-175 ℃，造成冷箱内外温差大，为降低冷量损失，需要在冷箱内装填大量的保温材料。目前保温材料均采用珠光砂，该物质是通过膨化珠光岩而得到的固体颗粒，有密度小、间隙大、流动性好、保温性能好等优点。同时根据深冷空分的工艺原理，冷箱内管道和换热器中储存着大量的低温液态的空气、富氧和氮气，这些低温液态气体一旦泄漏将会急剧膨胀，例如，1 m3液氮气化可形成689 m3的氮气[1]。

“砂爆”产生的主要原因是冷箱内管道或设备泄漏，使珠光砂中含有一定量的低温液体。珠光砂由于其独特的结构，当泄漏的低温液体在封闭的冷箱内急剧汽化，造成冷箱内压力突然升高，珠光砂在低温液体汽化膨胀的作用下，随膨胀气流通过冷箱泄压口喷射而出，这就是“砂爆”[2]。“砂爆”是非常严重的设备事故，当严重时冷箱结构会出现坍塌，在珠光砂大量喷出后会对冷箱周边的人员造成吸入性伤害。

事故案例：2009年7月15日上午7点30分左右，无锡某公司6 000 m3/h氧气站，出现冷箱“砂爆”事故，导致大量珠光砂从冷箱撕裂口处喷出，导致11名在场作业人员吸入珠光砂粉尘，其中3人抢救无效死亡。

空分装置冷箱“砂爆”出现前一般会有冷箱密封气压力突然升高、冷箱壁结霜、密封气氮气或氧气含量大幅度波动、冷箱壁鼔胀或撕裂等现象；而且冷箱内液体管道出现泄漏到大量泄漏引起“砂爆”需要一定的时间，所以只要对空分装置加强日常巡检和运行数据监测，均能够及时发现，同时要第一时间采取停运、泄压、液体排放和检修等工作，杜绝“砂爆”事故的重演[3]。

2.3 空分装置冷凝蒸发器爆炸风险

空分装置是以空气为原料，而空分装置周边有大量炼油和化工生产装置，在生产过程中会有微量污染物排放到大气当中，如乙炔、甲烷、丙烯等碳氢化合物；二硫化碳、二氧化硫等还原性物质。虽然这些污染物在空气中含量非常低，但由于深度冷却法中空分装置的工艺特性，当这些污染物，特别是碳氢化合物进入冷凝蒸发器后，会随着富氧液空的蒸发而不断沉积，其中95%以上的碳氢化合物将富集在富氧液空当中[4]。

随着空分装置的长期运行，富氧液空中的污染物就会超出溶解度而析出聚集，“冷凝蒸发器”富氧液空中的氧含量能够达到36%以上；当碳氢化合物浓度超过100×10-6(体积分数)，一旦出现静电、碰撞、压力波动脉冲，其产生的微量能量都会引起碳氢化合物的燃烧，从而引发“冷凝蒸发器”闪爆。

为了防止碳氢化合物、二氧化碳等危害物质进入空分装置，在原料空气进入冷箱前设置有纯化系统，通过分子筛对水、二氧化碳和碳氢化合物等危害物质进行吸附。但是分子筛的吸附能力也是有限的，装置运行周期的增加、原料空气中危害物质浓度的变化、分子筛再生效果等都会影响吸附效果，直接反应就是“冷凝蒸发器”中碳氢化合物浓度的变化。中国石化洛阳分公司KDN-3000型空分装置2018年1月至2019年3月“冷凝蒸发器”中碳氢化合物监测数据如图2所示。

图2 空分装置“冷凝蒸发器”中碳氢化合物监测数据

通过图2可以明显看出，空分装置“冷凝蒸发器”中碳氢化合物含量随着时间变化有较为明显的上升趋势，其中数据峰值为57.7×10-6，说明随着运行周期的增加，吸附剂对于碳氢化合物的吸附能力逐渐减弱，空分装置“冷凝蒸发器”出现爆燃的风险逐渐增加。

逸盛大化“6·16”聚酯空分装置闪爆事故中，逸盛大化石化有限公司聚酯空分装置冷箱主冷凝蒸发器发生闪爆，引起冷箱倒塌，未造成人员伤亡，事故直接经济损失约195万元。

2.4 空分装置吸入原料异常风险

吸入原料的空气质量会对空分装置的安全造成影响，对空分装置有较大影响的主要是粉尘、硫化物和二氧化碳等物质，对于粉尘颗粒控制来说，我国国家标准规定空气中的粉尘含量控制在30 mg/m3，美国气体及化学产品公司对粉尘的控制指标在2.5 mg/m3以下[5]。

表1 GB50030-2013氧气站设计规范中关于吸风口杂质允许含量[6] mg/m3

2018年11月，公司空分装置原料空压机C101/E出现启动过程中振动值突升之后联锁停机，将设备各级蜗壳打开后发现一二级叶轮上结焦严重，三级叶轮有轻微结焦现象，入口导叶处有黑色黏泥附着，后对该部分物质进行SEM扫描电镜图和XRD晶型分析，发现结焦物质主要成分为Fe2(SO4)3/CaSO4或其混合物，同时存在少量生物黏泥，各级叶轮结焦和入口导叶附着的黏泥中都存在大量的S元素，结合空压机吸入口周边装置排放情况，分析是空压机吸入口附近的硫氧化物类物质扩散，与空压机本体金属在高温高湿环境下生成的盐类所致。

空分装置吸入口附近有空分装置冷箱、压缩空气干燥器、纯化系统和炼油化工装置，这些设备和装置都有固定的排放口。表2为空分装置常用的净化材料和珠光砂成分。通过成分分析可以看出，空压机吸入口及叶轮上的结焦附着物和上述净化材料及珠光砂成分构成不同。

表2 空分装置常用净化材料和珠光砂的主要成分

而通过对空分装置周边环境进行分析，四周有硫黄回收、溶剂再生、催化裂化、聚酯、PTA等装置，通过日常观察，2#催化装置脱硫脱硝设施排放的烟气在西南风作用下经常飘至空压机吸入口，而该烟气中粉尘含量平均值为15 mg/m3，有时能达到40 mg/m3，二氧化硫平均值66 mg/m3，最大能达到81 mg/m3。2019年2#催化脱硫脱硝装置“消白烟”改造后，排放的SO2含量明显下降，空分装置空压机再未出现上述故障。2#催化装置脱硫脱销设施“消白烟”改造前后数据对比见表3。

表3 2#催化装置脱硫脱销设施“消白烟”改造前后数据对比

3 空分装置安全风险预防措施

3.1 空分装置泄漏防范和漏液排查及处置

3.1.1空分装置泄漏防范

空分装置内管线和容器为了减少泄漏，均采用的焊接连接方式，由于空分装置启动前后管道和容器温差非常大，会产生较为严重的形变，除了在设计和施工阶段考虑留有充足的形变余量和支撑防护外，也要尽量减少空分装置的启停次数，保持平稳的工况，防止因管道和容器频繁出现温度变化而导致金属疲劳。

3.1.2空分装置漏液排查

①在日常生产中，定期检查和分析冷箱密封气压力和纯度，以及冷箱外壁结霜情况，从而判断冷箱内容器、管道是否存在泄漏。②在冷箱基础增加测温探头，实时监测冷箱基础温度，发现异常下降，要及时判明原因。③每周组织对冷箱珠光砂沉降情况进行检查，及时补充珠光砂，保证冷箱内保温层应充实饱满，避免因外界湿空气进入冷箱后凝聚冻结。④泄漏量较大时，冷箱的密封气压力会随之增加，一般会升到2 kPa，高的甚至达到6 kPa，严重时会导致冷箱板鼓胀。

3.1.3空分装置冷箱内泄漏时的应急处置

①确认冷箱内容器、管道存在泄漏后，特别是大量的液体泄漏，必须及时停运空分装置，将冷箱内液体进行排放，并加温、扒砂检修，防止低温液体在珠光砂内大量积聚，造成砂爆事故。②当低温液体渗入珠光砂时，空分装置立即停止工作开始加温，这时应尽快将冷箱顶部和主换热器等处的人孔打开，将冷箱内部压力进行释放。③对冷箱内部的加温必须彻底，使用露点<-70 ℃的空气进行升温，当冷箱内各处的温度达到常温后继续加温9～24 h，让冷箱内珠光砂逐步升温。如果条件允许，冷箱在加温停止后最好能静止1周左右。④扒砂过程中要密切关注冷箱密封气压力。当发现密封气压力有异常波动时，必须让扒砂人员迅速撤离现场。

3.2 空分装置原料空气质量管控

①抬升空分装置吸入口位置。由于空分装置和周边装置无法搬迁，为提高空分装置吸入口质量，设置一个总吸入口，并将吸入口的高度尽量提高，并增加封闭的风道，将每台空压机吸入口与总吸入口烟囱相连，提高吸入口原料的空气质量，减少杂物的吸入，延长入口过滤器滤芯的使用寿命。②选用更高质量的入口过滤器。③强化空分装置吸入口的空气质量监测。关注吸入口和纯化器后原料空气的监测数据，如有异常及时进行排查，同时密切关注冷凝蒸发器内碳氢化合物的含量，必须要<100 mL/m3。与周边装置建立预警联动机制，当周边装置排放、吹扫时，应选择合理风向的天气排放并通知空分装置，空分装置应采取增加冷凝蒸发器的排放量、加强冷凝蒸发器碳氢化合物监测等措施，避免因装置的排放导致空分装置内硫化物、碳氢化合物等危险污染物的聚集。

3.3 空分装置周期性检查

①空分装置在运行一个周期后需要停工进行周期性的检修，将空分塔内所有液体进行排放，使用干燥的空气(露点<-70 ℃)对系统进行彻底地加温吹除，让一个周期内累积在空分装置内的杂质全部清理干净。②将珠光砂从冷箱内清理干净，对冷箱内各个管线和容器进行气密检查，一般漏点处会有因气流夹带珠光砂对金属摩擦产生的黑点，对于发现的漏点进行补焊处理，待气密检查无异常后方可进行裸冷等后续工作。③重新装填珠光砂时必须使用干燥的，装填时也必须保证天气晴朗，防止因珠光砂受潮导致空分装置开工后低温冻结，从而带来保冷效果差、珠光砂冻结后下沉砸伤冷箱内部管线和容器的风险。

4 结语

空分装置经过了100多年的发展，目前已经形成了较为成熟和安全的工艺流程，相关设备制造的水平也在不断提升，但是通过某气化厂砂爆事故的惨痛教训，提醒了空分装置由于它特殊的工艺性质，超低温、富氧环境等危险因素仍然存在，特别是液体泄漏造成“砂爆”和吸入口异常导致冷凝蒸发器爆炸的设备运行风险依然存在，需要时刻关注空分装置设备的运行状态，及时发现异常并采取措施，杜绝类似事故重演。