空分裝置中有害氣體的危害與控制

田超　楊家華

摘 要：科技在快速發(fā)展，社會(huì)在不斷進(jìn)步，我國綜合國力顯著加強(qiáng)，空分裝置冷箱泄漏存在著重大安全隱患，在一些情況下可能會(huì)產(chǎn)生爆炸，造成嚴(yán)重的后果，為了避免問題的發(fā)生，需要對泄漏原因進(jìn)行分析，采取有效措施進(jìn)行處理。文章介紹了空分裝置及冷箱的含義，結(jié)合冷箱泄漏現(xiàn)象進(jìn)行分析，提出了冷箱泄漏風(fēng)險(xiǎn)問題以及風(fēng)險(xiǎn)控制及處理措施，并且闡述了空分裝置冷箱防爆要求以及空分裝置使用的安全預(yù)防建議，更好的保障空分裝置的使用。

關(guān)鍵詞：空分裝置;有害氣體;控制

0 引言

稀有氣體通常指氦、氖、氬、氪、氙5種氣體，它們屬于元素周期表中的零族，在常溫和常壓下均為氣體狀態(tài)。因其在大氣層和地殼中的含量很少，所以被稱為稀有氣體，又因其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，又稱為惰性氣體。這5種氣體中，氬在空氣中的體積含量相對最多，可達(dá)0.932%，其余4種稀有氣體之和在空氣中的體積含量也不足0.003%，尤其是氙氣特別稀少，故氙與氪有時(shí)被稱為黃金氣體。氦主要來源于天然氣，少部分來源于空氣;核反應(yīng)堆裂變有不少氙，但具有放射性，故除氦外其他稀有氣體主要來源于空氣分離裝置（空分）。干燥大氣的主要組分是氮、氧和氬，并含有少量的氦、氖、氪、氙、二氧化碳、一氧化碳、氫、氧化亞氮、烴類等。常規(guī)的空分設(shè)備以分離提取高純度的氧、氮、氬產(chǎn)品為主，其他少量的物質(zhì)通常以產(chǎn)品中的雜質(zhì)氣存在，或混合在廢氣當(dāng)中排放，又或在預(yù)處理系統(tǒng)中被吸附器吸附后排放?，F(xiàn)在，越來越多的空分設(shè)備可對稀有氣體氦、氖、氪、氙進(jìn)行粗提取，為稀有氣體的精制提供高品質(zhì)的原料，很大程度上提高了空分裝置的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。與其他加工行業(yè)不同，工業(yè)氣體行業(yè)處理環(huán)境空氣以生產(chǎn)其最終產(chǎn)品。因此，空分設(shè)備的安全與空氣中的微量污染物密切相關(guān)。由于無法控制環(huán)境空氣的狀況，了解污染物去除技術(shù)以及裝置現(xiàn)場的空氣成分對于裝置的設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行至關(guān)重要。這些微量物質(zhì)與稀有氣量的含量相對較為接近，其高度濃縮對粗制稀有氣體的影響不能忽略。這些微量雜質(zhì)與當(dāng)?shù)卮髿猸h(huán)境因素有關(guān)，下述表中列出的僅為典型空氣分離裝置中大氣的含量，稀有氣體的含量相對較為固定。

1 冷箱泄漏風(fēng)險(xiǎn)分析

1.1 冷箱超壓噴砂、鼓包

泄漏的液體在流動(dòng)過程中會(huì)受熱不斷氣化，導(dǎo)致冷箱內(nèi)壓力逐漸升高，可能會(huì)引起冷箱超壓噴砂，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成冷箱局部鼓包、破裂。若氣體泄漏量大也可能使冷箱超壓。

1.2 可燃物（碳?xì)浠衔锏臐饪s積聚）

固體物質(zhì)主要是指CO2、N2O、C2H2，這些類物質(zhì)在液氧中溶解度比在液空中的溶解度低，所以這三種組分很容易在液氧中析出。有研究表明，N2O的溶解度還和CO2的含量有關(guān)，CO2含量越高，N2O的溶解度越低。同時(shí)這三種物質(zhì)在液氧中的K值非常低，被氧氣帶走的含量幾乎可以忽略不計(jì)，在外壓縮流程中，隨著氧氣的不斷抽出，液氧中有害雜質(zhì)會(huì)不斷濃縮，如果主冷液氧不能有效排出，或者主冷中存在死角，這些雜質(zhì)以固體形式析出的可能性就非常大。這三種物質(zhì)中C2H2和CO2可以被分子篩吸附，而N2O不能被分子篩完全吸附，所以N2O的危險(xiǎn)是最大的。

2 控制和處理冷箱泄漏風(fēng)險(xiǎn)的對策

2.1 加強(qiáng)危險(xiǎn)應(yīng)急處理效果

在當(dāng)前的各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域中，發(fā)生了安全事故的時(shí)候，需要將人群撤離，之后應(yīng)由專業(yè)的人員開展事故搶險(xiǎn)工作，將危險(xiǎn)源以及故障源排除，還應(yīng)鼓勵(lì)現(xiàn)場的人員在保證自身安全的情況下，通過專業(yè)人員指導(dǎo)來協(xié)助事故搶險(xiǎn)，將危險(xiǎn)因素進(jìn)行有效的控制。在空氣分離領(lǐng)域中，也應(yīng)利用專業(yè)的應(yīng)急處理方式進(jìn)行處理，還應(yīng)培訓(xùn)工作人員專業(yè)的技術(shù)能力，使其能夠在處理問題的時(shí)候具有快速的反應(yīng)能力，還能進(jìn)行自救及逃生。當(dāng)產(chǎn)生了火災(zāi)或者氣體泄漏等情況的時(shí)候，應(yīng)保證人員的安全，減少事故造成的影響，為空分裝置的使用帶來了有效的保障。

2.2 膨脹機(jī)的性能評估

膨脹機(jī)的工藝效率評估分為兩大類，通過對氣體膨脹機(jī)增壓側(cè)、膨脹側(cè)等熵效率和液膨膨脹側(cè)效率的計(jì)算，回顧是否在最佳運(yùn)行點(diǎn)。另對氣膨及液膨的損失功的計(jì)算，跟蹤膨脹機(jī)傳動(dòng)損失、惡化增大的趨勢，及時(shí)建立大修計(jì)劃。根據(jù)膨脹機(jī)等熵膨脹原理，通過膨脹機(jī)入口壓力、溫度及空氣組分由林德物性計(jì)算器GTC可計(jì)算出入口空氣的熵值和焓值;同時(shí)根據(jù)出口壓力及溫度，可查出膨脹機(jī)出口的實(shí)際熵值和焓值;根據(jù)等熵原理，查出出口理論焓值并計(jì)算出等熵效率。等熵膨脹效率低，表示膨脹機(jī)效率低，可能的原因有：存在泄漏，冷量損失增大，或存在機(jī)械問題等。由膨脹機(jī)輸出功和膨脹增壓段輸入功率或發(fā)電機(jī)功率比較，得出中間的功率損失量;損失功率大，則表示潤滑不足、發(fā)電機(jī)效率下降等。膨脹機(jī)膨脹端和增壓端的效率均在設(shè)計(jì)值內(nèi)，能量損失略有偏大，后期需檢查檢查膨脹端及增壓端回流閥是否有內(nèi)漏，通過油品分析和狀態(tài)監(jiān)測等進(jìn)一步分析膨脹機(jī)的運(yùn)行狀況，必要時(shí)進(jìn)行拆檢保養(yǎng)。

2.3 低溫管道的配管

空分裝置中的低溫管道集中在分餾塔冷箱內(nèi)部，國內(nèi)選用的材料都是鋁（5052-O、5083-O），通常5083-O用于公稱直徑小于等于125mm的管道，5052-O用于公稱直徑大于125mm的管道，同時(shí)儀表管采用5052-O。冷箱外的低溫管道材料都是不銹鋼（06Cr19Ni10，即S30408）。鋁的單位線脹率在-190℃時(shí)是-3.79mm/m。對于5052-O低溫下的許用應(yīng)力，管材是46MPa、板材是43MPa;對于5083-O低溫下的許用應(yīng)力，管材是74MPa、板材是83MPa。不銹鋼（06Cr19Ni10）的單位線脹系數(shù)在-190℃時(shí)是-3.10mm/m。低溫下的許用應(yīng)力是：管道壁厚小于等于14mm時(shí)，許用應(yīng)力122MPa;管道壁厚小于等于18mm時(shí)，許用應(yīng)力為90MPa。目前，業(yè)內(nèi)空分裝置的管道配管多采用三維軟件，如PDMS、PDS、AUTOCAD 3D等，應(yīng)力分析多采用COADE公司開發(fā)的CAESARⅡ。下面簡要論述冷箱內(nèi)低溫管道的配置。

2.4 開展冷箱巡檢監(jiān)控工作

在檢查中，需要安排人員分成小組，對冷箱的情況進(jìn)行了解，還應(yīng)監(jiān)測冷箱結(jié)霜情況的變化，使用測溫槍來監(jiān)測冷箱結(jié)冰位置的溫度，并且進(jìn)行記錄。當(dāng)發(fā)現(xiàn)冷箱結(jié)霜的情況加劇的時(shí)候，或者冷箱的鋼板產(chǎn)生了凍裂的問題，需要及時(shí)報(bào)告。其次，主控加強(qiáng)對冷箱參數(shù)的檢查，將上塔的壓力進(jìn)行有效控制，關(guān)注冷箱的基礎(chǔ)溫度以及密封氣壓力等，明確冷箱的實(shí)際情況。當(dāng)冷箱密封氣壓力上漲的時(shí)候，超出了標(biāo)準(zhǔn)范圍的情況下，基礎(chǔ)溫度突然降低，冷箱密封氣中的氧含量增大，都需要立即進(jìn)行報(bào)告。

2.5 扒砂

事先制定扒砂方案，嚴(yán)格按方案進(jìn)行扒砂。冷箱頂部人孔打開后裝上安全鐵柵，以防意外。卸砂人員嚴(yán)格按防護(hù)要求戴好防護(hù)面罩，分班作業(yè)，在冷箱周圍設(shè)警戒線，安排專人進(jìn)行安全管理，并設(shè)置在緊急情況下的安全撤離通道。在扒砂初期，發(fā)現(xiàn)局部珠光砂溫度仍有-20℃左右。由于復(fù)溫不徹底，扒砂進(jìn)程緩慢、謹(jǐn)慎，在多個(gè)卸砂口分步交替進(jìn)行卸砂，以防止“砂爆”發(fā)生，確保安全。并繼續(xù)向分餾塔內(nèi)通入儀表空氣加溫，冷箱適當(dāng)加氮?dú)饧訙亍?/p>

3 結(jié)語

為了更好地跟蹤和計(jì)算裝置運(yùn)行狀態(tài)，需修正或校準(zhǔn)流量計(jì);發(fā)現(xiàn)氣體膨脹機(jī)功率損失偏大，考慮運(yùn)行時(shí)間較長了需提出檢修保養(yǎng)計(jì)劃。在對壓縮機(jī)的過濾器、導(dǎo)流葉片、冷卻器、比功率、防喘振控制等一系列參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評估和分析后，發(fā)現(xiàn)部分增壓機(jī)、氮壓機(jī)的換熱器趨近溫度偏離正常狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)增壓機(jī)和氮壓機(jī)均存在一、二段壓力比偏離設(shè)計(jì)值，影響壓縮機(jī)效率;研究還發(fā)現(xiàn)氮壓機(jī)的喘振閥動(dòng)作頻繁，影響效率，需要優(yōu)化調(diào)整。

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