液氨罐區(qū)工藝及安全設(shè)計

司曉鳳

(上海電氣國控環(huán)球工程有限公司，山西 太原 030000)

1 概述

目前，工業(yè)用液氨主要以煤為原料制得。液氨作為一種重要的化工原料，且在工業(yè)上應(yīng)用廣泛，隨著工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，液氨行業(yè)已發(fā)展為國家重要的生產(chǎn)工業(yè)之一。隨著我國農(nóng)業(yè)、工業(yè)等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，將會帶動液氨行業(yè)市場規(guī)模擴大，液氨應(yīng)用的深度和廣度也會獲得很大提升。

液氨，又稱為無水氨，呈無色液體狀，有強烈刺激性氣味。相對分子質(zhì)量為17.03,相對密度為0.597,沸點為-33.33 ℃,爆炸極限為15.7%～27%。氨氣易溶于水。

氨氣屬可燃性氣體,與空氣混合能形成爆炸性混合物,遇明火、高熱能引起燃燒爆炸,與氟、氯等接觸會發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng),若遇高熱,容器內(nèi)壓增大,有開裂和爆炸的危險。

氨主要對上呼吸道有刺激和腐蝕作用,低濃度氨對人的黏膜有刺激作用,高濃度時可危及中樞神經(jīng)系統(tǒng),還可通過三叉神經(jīng)末梢的反射作用而引起心臟停搏和呼吸停止。

近年來我國液氨需求量將近5 000萬t。介于液氨理化性質(zhì)的特殊性，對液氨的臨時存儲運輸也是一大難題，中石化《關(guān)鍵生產(chǎn)裝置和重點生產(chǎn)部位管理規(guī)定》,液氨罐區(qū)被定為重點生產(chǎn)部位。

本文以某硝酸裝置15萬t/a為例，來介紹如何進(jìn)行液氨罐區(qū)的工藝及安全設(shè)計。液氨主要通過外購，經(jīng)過存儲輸送至生產(chǎn)裝置。

2 工藝設(shè)計

2.1 存儲量及存儲設(shè)備設(shè)計

設(shè)計條件：

規(guī)模：15萬t/a硝酸裝置配套液氨罐區(qū)

年工作時間：7 200 h

根據(jù)設(shè)計條件核算出液氨年耗量為4.3萬t，小時耗量為5.97 t，液氨的密度按600 kg/m3，小時耗量折體積為9.95 m3/h。

本設(shè)計的液氨主要采用公路運輸，根據(jù)《石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計規(guī)范》采用公路運輸?shù)脑蟽Υ嫣鞌?shù)宜為7 d～10 d,本次設(shè)計儲存天數(shù)為10 d，存儲量為2 388 m3。共采用4臺1 000 m3球罐(Φ12 300 mm)三用一備。

液氨的存儲方式主要有常壓存儲和帶壓存儲。常壓儲存工藝是將液氨冷凍到-33.4 ℃，使得液氨對應(yīng)的氣相壓力與大氣壓力相同或相近，從而采用常壓容器儲存，最大限度地降低儲罐投資,但需另配套冰機冷凍系統(tǒng)。

液氨0 ℃飽和蒸汽壓為0.429 MPa(a)，40℃飽和蒸汽壓1.554 MPa(a)，我國夏季溫度一般不超過40 ℃[1]。本工藝采用帶壓存儲，雖帶壓存儲較常壓存儲的設(shè)備投資大，但液氨基本可以靠自身的飽和蒸汽壓力輸送至硝酸生產(chǎn)裝置，帶壓存儲較常壓儲存工藝每年節(jié)約電耗約8 000 kW。

帶壓存儲，儲罐為壓力容器。按照《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定臨界溫度大于50 ℃的液化氣體的設(shè)計壓力取50 ℃飽和蒸汽壓[2]，液氨儲罐的設(shè)計溫度為50 ℃，設(shè)計壓力取2.16 MPa(a)。由于Q345R板材強度韌性都較好，且鋼板的力學(xué)性能穩(wěn)定，尤其是焊接性好，具有良好的安全及經(jīng)濟(jì)性[3]，本工藝液氨球罐材質(zhì)推薦選擇Q345R。

2.2 卸車量及卸車方式選擇

單臺鶴管液氨日卸車量為240 m3，采用4臺卸氨鶴管，日卸氨量為960 m3，連續(xù)卸氨3 d可滿足10 d生產(chǎn)用氨。

液氨卸車目前主要有兩種方式一種是采用泵卸車，另一種是采用氨用壓縮機卸車。

泵卸車流程：擬卸車槽車中的液氨經(jīng)卸氨泵泵送至擬進(jìn)料的液氨儲罐。該法液氨卸車完成后，及時停泵，避免產(chǎn)生泵的氣蝕現(xiàn)象。液氨在卸車過程中會不斷在槽車中氣化，以及避免泵的氣蝕需及時停泵，易導(dǎo)致卸氨不完全。

氨用壓縮機卸車：擬進(jìn)料的儲罐中的氨氣抽出，經(jīng)氨用壓縮機加壓送到擬卸車的槽車中，使槽車中的氨蒸氣壓力升高，儲罐中的氨蒸氣壓力降低，在槽車和儲罐之間形成的壓力差為0.15 MPa～0.3 MPa，這樣槽車中的液氨就借此壓差被壓送到需要進(jìn)料的儲罐中去。這是液氨卸車中最常采用的方法，該法具有較高的生產(chǎn)能力，可以同時對幾個槽車進(jìn)行加壓，槽車內(nèi)的液氨卸完后，還可以用壓縮機將槽車中的氣氨蒸氣抽回至儲罐，可以保證卸氨完全。

本次卸氨工藝采用此法，選兩臺氨用壓縮機，進(jìn)出口壓差0.6 MPa，出口流量0.8 m3/min。

2.3 液氨輸送方式

溫度為14 ℃時，液氨的飽和蒸汽壓為0.704 MPa(a)，即溫度低于14 ℃時儲罐內(nèi)的壓力不能將液氨輸送至生產(chǎn)裝置，為滿足生產(chǎn)要求需配備原料輸送泵兩臺，一用一備，流量10 m3/h，揚程60 m。

2.4 主要管線管徑及材質(zhì)選擇

流速過快，管線的阻力增加，及防止靜電產(chǎn)生；液氨的經(jīng)驗流速1 m/s～1.5 m/s,氣氨流速3 m/s～8 m/s。液氨管道材質(zhì)選用20#，管材標(biāo)準(zhǔn)GB/T8163-2018《輸送流體用無縫鋼管》。

根據(jù)管徑計算公式可計算出各物料管徑：卸車液氨主管管徑：DN200；卸車氣氨主管管徑：DN80；球罐進(jìn)出口管徑：DN150；物料輸送管管徑：DN50。

3 安全設(shè)計

3.1 設(shè)備布置

根據(jù)GB 50160-2008(2018年版)《石油化工企業(yè)設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)》將液氨劃分為乙類可燃液體。

液氨儲罐間的防火間距要求應(yīng)與液化烴儲罐相同，無事故排放至火炬的措施全壓力式球罐間距離為相鄰較大儲罐直徑的1倍；液氨儲罐間的防火間距取13.4 m。液氨儲罐距防火堤間距滿足防火堤內(nèi)堤腳線不應(yīng)小于3 m，液氨儲罐距防火堤間距取7 m。液氨儲罐區(qū)占地初估52 m×52 m，隔堤按單罐單堤要求設(shè)置。

液化烴全壓力式或半冷凍式儲罐組宜設(shè)不高于0.6 m的防火堤，堤內(nèi)應(yīng)采用現(xiàn)澆混凝土地面，并應(yīng)坡向外側(cè)，防火堤內(nèi)的隔堤不宜高于0.3 m[4]。本次防火堤高度取0.6 m，防火堤有效容積為1 622 m3，滿足規(guī)范要求：防火堤內(nèi)的有效容積不應(yīng)小于一個最大儲罐的容積。

隔堤高度0.3 m，隔堤有效容積為202 m3，滿足規(guī)范要求：隔堤內(nèi)有效容積不應(yīng)小于隔堤內(nèi)一個最大儲罐容積的10%。

液氨鶴管之間間距取5 m，滿足裝卸車鶴位之間的距離不應(yīng)小于4 m要求；液氨鶴管與儲罐間間距取16 m，滿足汽車裝卸站與1 000 m3儲罐之間的距離不應(yīng)小于15 m要求；液氨鶴管與氨用壓縮機間距取12 m，滿足汽車裝卸站與罐區(qū)甲、乙類泵(房)、全冷凍式液化烴儲存的壓縮機之間的距離不應(yīng)小于10 m要求。

3.2 儀表配備

根據(jù)《石油化工企業(yè)設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)》、《石油化工企業(yè)可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警設(shè)計規(guī)范》、《石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計規(guī)范》、《危險化學(xué)品重大危險源安全監(jiān)控通用技術(shù)規(guī)范》、《危險化學(xué)品重大危險源罐區(qū)現(xiàn)場安全監(jiān)控裝備設(shè)置規(guī)范》等要求，液氨儲罐根部均設(shè)有根部閥，物料進(jìn)、出口設(shè)有緊急切斷閥；液位設(shè)置高液位報警，高高液位停氨用壓縮機，低液位報警，低低液位停泵。與氨氣壓縮機相連的氣相管道均設(shè)有緊急切斷閥。液氨球罐設(shè)有溫度監(jiān)測儀表。液氨球罐設(shè)有壓力監(jiān)測儀表，并設(shè)有超壓報警，并連鎖噴淋降溫閥。罐區(qū)周圍設(shè)有可燃有毒氣體報警探頭，并與消防噴淋系統(tǒng)連鎖。以上所有信號均接至控制室，所有運轉(zhuǎn)設(shè)備、緊急切斷閥門均在控制室可操作并可看開關(guān)狀態(tài)。

3.3 主要安全附件

每個液氨球罐頂部設(shè)有全啟式安全閥2個，安全閥型號A42Y-40，安全閥的起跳壓力低于設(shè)備設(shè)計壓力。

3.4 消防及給排水

液氨儲罐上部設(shè)計與廠區(qū)供水管網(wǎng)和消防水系統(tǒng)相連接的水噴淋裝置，一旦發(fā)生液氨泄漏時，啟動霧狀水噴淋裝置進(jìn)行稀釋、溶解，產(chǎn)生的大量廢水排至全廠事故池收容。

罐區(qū)的正常排污實現(xiàn)清污分流。

3.5 其他注意事項

卸車過程中，槽車中剩余壓力應(yīng)大于0.3 MPa(G)，以免形成負(fù)壓，空氣滲入，在內(nèi)部形成爆炸性氣體環(huán)境。

液氨罐區(qū)周圍設(shè)置洗手池、洗眼器、淋洗器等安全衛(wèi)生防護(hù)設(shè)備；洗眼器、淋洗器防護(hù)半徑不大于15 m。

液氨罐區(qū)配備過濾式防毒面具、氧氣呼吸器或正壓式空氣呼吸器，必須滿足每人一具；隔離式防護(hù)服、防護(hù)手套、防護(hù)眼睛等應(yīng)配備兩套以上。

液氨罐區(qū)裝設(shè)風(fēng)向標(biāo)，其位置和高度應(yīng)設(shè)在庫房頂?shù)淖罡咛帯?/p>

液氨罐區(qū)配備應(yīng)急通訊電話，并保證暢通。

4 結(jié)論

液氨罐區(qū)屬于重大危險源，液氨儲罐的設(shè)備布置、儀表配備要嚴(yán)格滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，同時也要在工程設(shè)計中根據(jù)實際情況如上下游配套、成熟工藝等合理選擇其儲存方式，綜合考慮其安全性和經(jīng)濟(jì)性。