天然氣制二硫化碳的安全設(shè)計(jì)

馮金煜，顏廷燕

（1.北京華福工程有限公司天津分公司，天津 300384；2.天津市化工設(shè)計(jì)院，天津 300193）

二硫化碳是一種低閃點(diǎn)易燃液體[1]，它廣泛應(yīng)用于人造纖維、玻璃紙、農(nóng)藥、四氯化碳、橡膠、冶金選礦、石油煉制及軍工等生產(chǎn)企業(yè)[2]。隨著我國化學(xué)、冶金等工業(yè)的迅速發(fā)展，二硫化碳的用途越來越廣泛，為此我國的二硫化碳生產(chǎn)也在不斷發(fā)展。

1 二硫化碳的性質(zhì)與主要生產(chǎn)工藝

1.1 二硫化碳的性質(zhì)[1]

純的二硫化碳是一種無色透明液體，有類似氯仿的芳香甜味，但是通常不純的工業(yè)品因?yàn)榛煊衅渌蚧锒優(yōu)槲ⅫS色，并且有令人不愉快的爛蘿卜味。

二硫化碳極易燃燒、爆炸，其閃點(diǎn)-30℃，自燃點(diǎn)90℃，爆炸極限1.0%～60%，其蒸氣能與空氣形成范圍廣闊的爆炸性混合物。接觸熱、火星、火焰或氧化劑易燃燒爆炸，與鋁、鋅、鉀、氟、氯、迭氮化物等反應(yīng)劇烈，有燃燒爆炸危險(xiǎn)，受熱分解產(chǎn)生有毒的硫化物煙氣。高速?zèng)_擊、流動(dòng)、激蕩后可因產(chǎn)生靜電火花放電引起燃燒爆炸。其蒸氣比空氣重，能在較低處擴(kuò)散到相當(dāng)遠(yuǎn)的地方，遇明火會(huì)引著回燃。

1.2 主要生產(chǎn)工藝

二硫化碳可用硫磺與木炭、焦炭、石油焦、廢塑料、廢橡膠等進(jìn)行氣固相反應(yīng)來制取，也可以用硫磺和甲烷、丙烯、石油氣、硫化氫、二氧化硫、二氧化碳、氧硫化碳等氣體進(jìn)行氣相反應(yīng)來獲得。我國目前工業(yè)生產(chǎn)二氧化硫，主要是用木炭硫磺法和天然氣硫磺法兩種方法。

木炭硫磺法是以木炭、硫磺為原料，在反應(yīng)釜內(nèi)用煤或電加熱到830～920℃的高溫下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，所得到二硫化碳?xì)怏w經(jīng)過除硫、冷卻、精餾等工序得到液體二硫化碳。這種方法工藝簡單易行，但是生產(chǎn)規(guī)模小、效率低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)過程中不僅要消耗大量的木材，并且還產(chǎn)生有毒有害氣體、污水、廢渣，造成環(huán)境污染嚴(yán)重。

而以天然氣為原料代替木炭生產(chǎn)二硫化碳，即天然氣硫磺法是目前國內(nèi)外首選的先進(jìn)的生產(chǎn)路線，它與木炭法相比，不僅具有流程緊湊、結(jié)構(gòu)和操作簡單、可連續(xù)自控生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，還可減少維修時(shí)間、提高產(chǎn)量、降低產(chǎn)品成本，具有重大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。結(jié)合本人參與的二硫化碳項(xiàng)目，現(xiàn)將天然氣制二硫化碳的生產(chǎn)工藝簡述如下。

1.2.1 液硫制備

固體硫送入熔硫槽，槽內(nèi)盤管加熱熔融后，用液下泵送至液硫過濾器過濾后與硫冷凝回收器和克勞斯系統(tǒng)回收來的液硫沉清槽，一并送至液硫，再通過計(jì)量泵加壓送去反應(yīng)工段的加熱爐，并氣化過熱。

1.2.2 天然氣凈化

從天然氣配氣站來的天然氣先經(jīng)天然氣壓縮機(jī)壓縮，再經(jīng)PSA變壓吸附脫出其中的CO2和C3以上雜質(zhì)后，凈化氣去反應(yīng)工段作原料氣，脫附出來的部分天然氣與部分PSA前的天然氣合并去反應(yīng)工段加熱爐作燃料氣。

1.2.3 二硫化碳制備及其精餾

從液硫沉清槽經(jīng)計(jì)量泵打出和按比例計(jì)量的原料天然氣一起送入加熱爐的爐管中進(jìn)行預(yù)熱。用天然氣加熱硫氣化過熱，反應(yīng)爐溫度670～720℃，爐管內(nèi)的系統(tǒng)壓力保持0.40MPa，天然氣與硫蒸氣開始反應(yīng)，從反應(yīng)爐出來的反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入絕熱反應(yīng)器繼續(xù)完成反應(yīng)。為保證反應(yīng)完全，硫加入量一般控制過量5%～10%，使絕熱反應(yīng)器中吸熱和放熱反應(yīng)的溫度達(dá)到平衡。

絕熱反應(yīng)器出來的反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入硫冷凝器冷凝下來未反應(yīng)的硫，再進(jìn)入捕硫捕碳器捕集冷凝下來的硫，從捕硫捕碳器出來的反應(yīng)氣體經(jīng)二硫化碳冷凝器，二硫化碳閃蒸器，二硫化碳經(jīng)冷凝器冷凝成液體二硫化碳，液體二硫化碳經(jīng)脫硫塔，經(jīng)精餾為精制品二硫化碳進(jìn)入成品貯罐，純度可達(dá)到國家優(yōu)級(jí)品標(biāo)準(zhǔn)。

分離出的硫化氫氣體正常情況下，經(jīng)熱交換器加熱至室溫后，直接可用于生產(chǎn)甲硫醇的原料或經(jīng)克勞斯工藝回收硫。

2 二硫化碳生產(chǎn)的危險(xiǎn)危害性分析

2.1 主要危險(xiǎn)、有害物質(zhì)分析

天然氣制二硫化碳生產(chǎn)過程中，主要涉及到的危險(xiǎn)有害物質(zhì)是：硫磺、天然氣、硫化氫、二硫化碳等。

2.2 工藝過程危險(xiǎn)因素分析

天然氣制二硫化碳生產(chǎn)過程中存在的危險(xiǎn)因素有火災(zāi)、爆炸、機(jī)械傷害、高處墜落、灼燙等。主要有害因素有中毒、灼傷、噪聲等。主要設(shè)備危險(xiǎn)因素有反應(yīng)爐等泄漏發(fā)生火災(zāi)爆炸。在儲(chǔ)存與運(yùn)輸過程中存在的主要危險(xiǎn)因素有火災(zāi)、爆炸、車輛傷害等。

火災(zāi)危害：天然氣制二硫化碳生產(chǎn)中所處理的原材料、成品、半成品均具有易燃易爆性（主要有天然氣、硫化氫、二硫化碳），如果設(shè)備密封不好，操作不當(dāng)，在系統(tǒng)氧含量超標(biāo)或發(fā)生泄漏等意外的情況下，有火災(zāi)爆炸的危險(xiǎn)。

高溫：二硫化碳裝置的反應(yīng)爐爐溫達(dá)到1000℃，設(shè)備表面散熱面積較大，如有易燃物質(zhì)與設(shè)備接觸，極易被烤燃。在密閉容器中，高溫可燃?xì)怏w一旦混入空氣，使氧含量增加，極易在設(shè)備、管道內(nèi)發(fā)生爆炸。

火源的產(chǎn)生：常見的主要有明火、高溫物體、電氣及靜電所產(chǎn)生的火花等。系統(tǒng)中的原料氣以及硫化氫都是易燃易爆氣體，遇高熱或明火均有可能發(fā)生爆炸事故。

毒性危害：二硫化碳是損害神經(jīng)和血管的毒物，硫化氫是強(qiáng)烈的神經(jīng)毒物，對(duì)粘膜有強(qiáng)烈刺激作用，一旦泄漏，對(duì)人體有極大的傷害作用。有毒物質(zhì)的泄漏、飛濺均會(huì)對(duì)人造成不同程度的毒害。若儲(chǔ)罐、管道密封損壞以及腐蝕泄露，將會(huì)造成作業(yè)環(huán)境有毒有害物質(zhì)濃度增加，若通風(fēng)不良或未設(shè)置防護(hù)器材將會(huì)引起人員中毒。生產(chǎn)檢修中，未按要求對(duì)設(shè)備進(jìn)行清洗置換，或防護(hù)措施不到位，也會(huì)引起人員中毒。

3 二硫化碳生產(chǎn)中采用的安全設(shè)計(jì)[3]

整個(gè)項(xiàng)目選址位于西南地區(qū)，天然氣資源豐富，可以確保企業(yè)生產(chǎn)用氣，降低成本。根據(jù)生產(chǎn)要求及相關(guān)規(guī)范規(guī)定，按功能分區(qū)的原則，進(jìn)行總體布置，其特點(diǎn)如下。

3.1 二硫化碳裝置危險(xiǎn)類別為甲類，按防火、防爆要求設(shè)計(jì)，廠房設(shè)計(jì)成開敞式，保證車間有良好的通風(fēng)和采光，防止易燃易爆及有毒氣體聚集。

3.2 生產(chǎn)區(qū)應(yīng)與辦公區(qū)、輔助生產(chǎn)區(qū)、生活區(qū)隔離布置。在生產(chǎn)區(qū)內(nèi)不應(yīng)設(shè)置非生產(chǎn)用房，不應(yīng)建員工宿舍?？倛D中人員集中區(qū)域位于全年最大頻率風(fēng)向的下風(fēng)向。

3.3 二硫化碳儲(chǔ)罐區(qū)與生產(chǎn)區(qū)分開布置，罐區(qū)應(yīng)設(shè)防火堤，防火堤內(nèi)容積應(yīng)大于儲(chǔ)罐容量。二硫化碳密度比水大又不溶于水，故二硫化碳儲(chǔ)罐和防火堤內(nèi)都設(shè)有水封措施，保證二硫化碳發(fā)生泄漏，不會(huì)散發(fā)到大氣中。

3.4 生產(chǎn)、儲(chǔ)存使用二硫化碳的設(shè)備、管路應(yīng)嚴(yán)密不漏，并定期檢查系統(tǒng)的強(qiáng)度和腐蝕情況，同時(shí)應(yīng)設(shè)有放空管或排放筒，以便在發(fā)生事故時(shí)能安全排放。

3.5 管道排放點(diǎn)不應(yīng)直接排入下水道及大氣中，應(yīng)排入封閉系統(tǒng)中。硫化氫的取樣需設(shè)置密閉取樣系統(tǒng)，防止硫化氫泄露。

3.6 在二硫化碳、硫化氫、天然氣等可燃?xì)怏w散發(fā)的車間內(nèi)，設(shè)備電機(jī)和照明燈應(yīng)選用防爆型，并有靜電接地措施；輸送二硫化碳管道的流速不應(yīng)超過3m/s，以免因摩擦產(chǎn)生靜電導(dǎo)致起火和爆炸。

3.7 二硫化碳裝置的反應(yīng)爐爐溫達(dá)到1000℃，設(shè)備、管道、儀表應(yīng)采取高溫保護(hù)措施。

4 二硫化碳生產(chǎn)的設(shè)計(jì)體會(huì)

由于本設(shè)計(jì)生產(chǎn)的介質(zhì)均為易燃易爆介質(zhì)，生產(chǎn)設(shè)計(jì)較為特殊，現(xiàn)總結(jié)幾點(diǎn)設(shè)計(jì)中需特殊注意的問題。

4.1 本項(xiàng)目在有毒有害氣體散發(fā)的車間和崗位，設(shè)置濃度自動(dòng)監(jiān)測報(bào)警裝置（如硫化氫檢測儀），并與事故通風(fēng)設(shè)施聯(lián)鎖，保證車間內(nèi)的有毒氣體控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

4.2 二硫化碳及硫化氫管道與管道連接采用焊接[4]，管道墊片采用金屬纏繞墊片及高強(qiáng)度螺栓。管道、管件、閥門及管道附件的設(shè)計(jì)壓力為2.5MPa，法蘭密封面均為凹凸面。

4.3 二硫化碳產(chǎn)品罐區(qū)宜布置在便于產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)牡缆愤叄冶M量遠(yuǎn)離人流區(qū)；二硫化碳裝車區(qū)，設(shè)置了罩棚和夏季水噴淋設(shè)施?？罩枚蚧既萜鲿r(shí)，必須經(jīng)過放空、清洗、用蒸氣吹蒸48h后，再用蒸氣置換，直至容器內(nèi)低于爆炸極限的十分之一后，才能置放于空間或焊接檢修。

4.4 在二硫化碳生產(chǎn)裝置的入口處，應(yīng)設(shè)人體導(dǎo)除靜電裝置。

4.5 由于本項(xiàng)目生產(chǎn)過程中涉及的物料大部分為易燃、易爆、有毒、有腐蝕、有異味的物質(zhì)，設(shè)計(jì)、操作中應(yīng)嚴(yán)格控制跑、冒、滴、漏現(xiàn)象的發(fā)生，一旦發(fā)生泄漏，一定要按照事故處理應(yīng)急預(yù)案，及時(shí)對(duì)操作人員進(jìn)行救治，保證消防設(shè)施的安全有效，將事故控制在一定的范圍。

[1]周國泰.危險(xiǎn)化學(xué)品安全技術(shù)全書[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1997.

[2]劉維昕.二硫化碳國內(nèi)外工藝技術(shù)概況[J].遼寧化工，2002，31(2)：78—79.

[3]張德姜，修長征，等.全國壓力管道設(shè)計(jì)審批人員培訓(xùn)教材[M].北京:中國石化出版社，2005.

[4]中華人民共和國原化學(xué)工業(yè)部.工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范[M].北京:中國計(jì)劃出版社，2008.