以砂爆事故為例分析空分裝置設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險及預(yù)防措施

霍泉龍

(中國石化 洛陽分公司 ， 河南 洛陽 471012)

1 砂爆事故概況及分析

2019年7月19日，河南省三門峽市某氣化廠C套空氣分離裝置發(fā)生爆炸事故，造成15人死亡，16人重傷。該氣化廠共有A、B、C三套空分裝置，本次事故發(fā)生于C套空分裝置。C套空分裝置的產(chǎn)氧量20 800 m3/h，產(chǎn)氮量11 000 m3/h，產(chǎn)氬量為720 m3/h，采用內(nèi)壓縮流程，2007年投用。

2019年6月6日，C套空分裝置冷箱保溫層檢測到冷箱內(nèi)氧含量上升；7月7日密封氣壓力也上升至800～900 Pa(正常值400～500 Pa)，氧含量達(dá)到58%(正常應(yīng)<5%)，冷箱頂部西側(cè)、北側(cè)出現(xiàn)外部結(jié)霜情況；7月12日冷箱四層北側(cè)出現(xiàn)長250 mm的裂紋，開始有冷氣冒出；7月19日17時43分珠光砂發(fā)生外噴，冷箱失穩(wěn)坍塌，砸裂東側(cè)8.5 m處500 m3液氧儲槽，隨即發(fā)生爆炸。

空分裝置爆炸事故的直接原因是：C套空分裝置冷箱內(nèi)富氧液體長期泄漏至珠光砂中，發(fā)生砂爆，冷箱內(nèi)碳鋼構(gòu)件在低溫作用下發(fā)生脆斷，在自身重量作用下發(fā)生坍塌，冷箱出現(xiàn)傾斜，并砸裂東側(cè)500 m3液氧貯槽，大量液氧迅速外泄到周邊區(qū)域，氧氣與鋁制材料和其它可燃物在沖擊能的作用下發(fā)生爆炸。

2 空分裝置安全風(fēng)險分析

2.1 空分裝置工藝流程簡介

空分裝置，也稱為空氣分離裝置，通過將空氣中各種組分氣體分離，從而生產(chǎn)出氮?dú)獾葰怏w的一整套工業(yè)設(shè)備?？辗盅b置采用深冷空氣精餾法制取所需氣體，先將空氣壓縮、冷卻，并使空氣液化，利用氧、氮組分的沸點(diǎn)不同(在大氣壓下氧的沸點(diǎn)為90 K，氮的沸點(diǎn)為70 K)，在精餾塔板上使氣、液相互接觸，進(jìn)行質(zhì)、熱交換，高沸點(diǎn)的氧組分不斷從蒸氣中凝結(jié)成液體，低沸點(diǎn)的氮組分不斷地轉(zhuǎn)入蒸氣中，使上升的蒸氣中氮含量不斷提高，下流的液體中氧含量越來越高，從而實(shí)現(xiàn)氧氮分離。

圖1 空分裝置工藝過程系統(tǒng)組成

空分裝置因?yàn)槠洫?dú)特的設(shè)備結(jié)構(gòu)和工藝，要求更加注意其設(shè)備管理，科學(xué)合理地進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行的危險性分析、評價，并制定相應(yīng)的安全措施?，F(xiàn)結(jié)合砂爆事故對空分裝置設(shè)備運(yùn)行的風(fēng)險進(jìn)行分析。

2.2 空分裝置冷箱“砂爆”風(fēng)險

空分裝置由于其內(nèi)部管道和換熱器溫度很低，基本維持在-175 ℃，造成冷箱內(nèi)外溫差大，為降低冷量損失，需要在冷箱內(nèi)裝填大量的保溫材料。目前保溫材料均采用珠光砂，該物質(zhì)是通過膨化珠光巖而得到的固體顆粒，有密度小、間隙大、流動性好、保溫性能好等優(yōu)點(diǎn)。同時根據(jù)深冷空分的工藝原理，冷箱內(nèi)管道和換熱器中儲存著大量的低溫液態(tài)的空氣、富氧和氮?dú)猓@些低溫液態(tài)氣體一旦泄漏將會急劇膨脹，例如，1 m3液氮?dú)饣尚纬?89 m3的氮?dú)鈁1]。

“砂爆”產(chǎn)生的主要原因是冷箱內(nèi)管道或設(shè)備泄漏，使珠光砂中含有一定量的低溫液體。珠光砂由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，當(dāng)泄漏的低溫液體在封閉的冷箱內(nèi)急劇汽化，造成冷箱內(nèi)壓力突然升高，珠光砂在低溫液體汽化膨脹的作用下，隨膨脹氣流通過冷箱泄壓口噴射而出，這就是“砂爆”[2]。“砂爆”是非常嚴(yán)重的設(shè)備事故，當(dāng)嚴(yán)重時冷箱結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)坍塌，在珠光砂大量噴出后會對冷箱周邊的人員造成吸入性傷害。

事故案例：2009年7月15日上午7點(diǎn)30分左右，無錫某公司6 000 m3/h氧氣站，出現(xiàn)冷箱“砂爆”事故，導(dǎo)致大量珠光砂從冷箱撕裂口處噴出，導(dǎo)致11名在場作業(yè)人員吸入珠光砂粉塵，其中3人搶救無效死亡。

空分裝置冷箱“砂爆”出現(xiàn)前一般會有冷箱密封氣壓力突然升高、冷箱壁結(jié)霜、密封氣氮?dú)饣蜓鯕夂看蠓炔▌?、冷箱壁鼔脹或撕裂等現(xiàn)象；而且冷箱內(nèi)液體管道出現(xiàn)泄漏到大量泄漏引起“砂爆”需要一定的時間，所以只要對空分裝置加強(qiáng)日常巡檢和運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測，均能夠及時發(fā)現(xiàn)，同時要第一時間采取停運(yùn)、泄壓、液體排放和檢修等工作，杜絕“砂爆”事故的重演[3]。

2.3 空分裝置冷凝蒸發(fā)器爆炸風(fēng)險

空分裝置是以空氣為原料，而空分裝置周邊有大量煉油和化工生產(chǎn)裝置，在生產(chǎn)過程中會有微量污染物排放到大氣當(dāng)中，如乙炔、甲烷、丙烯等碳?xì)浠衔?；二硫化碳、二氧化硫等還原性物質(zhì)。雖然這些污染物在空氣中含量非常低，但由于深度冷卻法中空分裝置的工藝特性，當(dāng)這些污染物，特別是碳?xì)浠衔镞M(jìn)入冷凝蒸發(fā)器后，會隨著富氧液空的蒸發(fā)而不斷沉積，其中95%以上的碳?xì)浠衔飳⒏患诟谎跻嚎债?dāng)中[4]。

隨著空分裝置的長期運(yùn)行，富氧液空中的污染物就會超出溶解度而析出聚集，“冷凝蒸發(fā)器”富氧液空中的氧含量能夠達(dá)到36%以上；當(dāng)碳?xì)浠衔餄舛瘸^100×10-6(體積分?jǐn)?shù))，一旦出現(xiàn)靜電、碰撞、壓力波動脈沖，其產(chǎn)生的微量能量都會引起碳?xì)浠衔锏娜紵瑥亩l(fā)“冷凝蒸發(fā)器”閃爆。

為了防止碳?xì)浠衔?、二氧化碳等危害物質(zhì)進(jìn)入空分裝置，在原料空氣進(jìn)入冷箱前設(shè)置有純化系統(tǒng)，通過分子篩對水、二氧化碳和碳?xì)浠衔锏任：ξ镔|(zhì)進(jìn)行吸附。但是分子篩的吸附能力也是有限的，裝置運(yùn)行周期的增加、原料空氣中危害物質(zhì)濃度的變化、分子篩再生效果等都會影響吸附效果，直接反應(yīng)就是“冷凝蒸發(fā)器”中碳?xì)浠衔餄舛鹊淖兓?。中國石化洛陽分公司KDN-3000型空分裝置2018年1月至2019年3月“冷凝蒸發(fā)器”中碳?xì)浠衔锉O(jiān)測數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 空分裝置“冷凝蒸發(fā)器”中碳?xì)浠衔锉O(jiān)測數(shù)據(jù)

通過圖2可以明顯看出，空分裝置“冷凝蒸發(fā)器”中碳?xì)浠衔锖侩S著時間變化有較為明顯的上升趨勢，其中數(shù)據(jù)峰值為57.7×10-6，說明隨著運(yùn)行周期的增加，吸附劑對于碳?xì)浠衔锏奈侥芰χ饾u減弱，空分裝置“冷凝蒸發(fā)器”出現(xiàn)爆燃的風(fēng)險逐漸增加。

逸盛大化“6·16”聚酯空分裝置閃爆事故中，逸盛大化石化有限公司聚酯空分裝置冷箱主冷凝蒸發(fā)器發(fā)生閃爆，引起冷箱倒塌，未造成人員傷亡，事故直接經(jīng)濟(jì)損失約195萬元。

2.4 空分裝置吸入原料異常風(fēng)險

吸入原料的空氣質(zhì)量會對空分裝置的安全造成影響，對空分裝置有較大影響的主要是粉塵、硫化物和二氧化碳等物質(zhì)，對于粉塵顆?？刂苼碚f，我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定空氣中的粉塵含量控制在30 mg/m3，美國氣體及化學(xué)產(chǎn)品公司對粉塵的控制指標(biāo)在2.5 mg/m3以下[5]。

表1 GB50030-2013氧氣站設(shè)計(jì)規(guī)范中關(guān)于吸風(fēng)口雜質(zhì)允許含量[6] mg/m3

2018年11月，公司空分裝置原料空壓機(jī)C101/E出現(xiàn)啟動過程中振動值突升之后聯(lián)鎖停機(jī)，將設(shè)備各級蝸殼打開后發(fā)現(xiàn)一二級葉輪上結(jié)焦嚴(yán)重，三級葉輪有輕微結(jié)焦現(xiàn)象，入口導(dǎo)葉處有黑色黏泥附著，后對該部分物質(zhì)進(jìn)行SEM掃描電鏡圖和XRD晶型分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)焦物質(zhì)主要成分為Fe2(SO4)3/CaSO4或其混合物，同時存在少量生物黏泥，各級葉輪結(jié)焦和入口導(dǎo)葉附著的黏泥中都存在大量的S元素，結(jié)合空壓機(jī)吸入口周邊裝置排放情況，分析是空壓機(jī)吸入口附近的硫氧化物類物質(zhì)擴(kuò)散，與空壓機(jī)本體金屬在高溫高濕環(huán)境下生成的鹽類所致。

空分裝置吸入口附近有空分裝置冷箱、壓縮空氣干燥器、純化系統(tǒng)和煉油化工裝置，這些設(shè)備和裝置都有固定的排放口。表2為空分裝置常用的凈化材料和珠光砂成分。通過成分分析可以看出，空壓機(jī)吸入口及葉輪上的結(jié)焦附著物和上述凈化材料及珠光砂成分構(gòu)成不同。

表2 空分裝置常用凈化材料和珠光砂的主要成分

而通過對空分裝置周邊環(huán)境進(jìn)行分析，四周有硫黃回收、溶劑再生、催化裂化、聚酯、PTA等裝置，通過日常觀察，2#催化裝置脫硫脫硝設(shè)施排放的煙氣在西南風(fēng)作用下經(jīng)常飄至空壓機(jī)吸入口，而該煙氣中粉塵含量平均值為15 mg/m3，有時能達(dá)到40 mg/m3，二氧化硫平均值66 mg/m3，最大能達(dá)到81 mg/m3。2019年2#催化脫硫脫硝裝置“消白煙”改造后，排放的SO2含量明顯下降，空分裝置空壓機(jī)再未出現(xiàn)上述故障。2#催化裝置脫硫脫銷設(shè)施“消白煙”改造前后數(shù)據(jù)對比見表3。

表3 2#催化裝置脫硫脫銷設(shè)施“消白煙”改造前后數(shù)據(jù)對比

3 空分裝置安全風(fēng)險預(yù)防措施

3.1 空分裝置泄漏防范和漏液排查及處置

3.1.1空分裝置泄漏防范

空分裝置內(nèi)管線和容器為了減少泄漏，均采用的焊接連接方式，由于空分裝置啟動前后管道和容器溫差非常大，會產(chǎn)生較為嚴(yán)重的形變，除了在設(shè)計(jì)和施工階段考慮留有充足的形變余量和支撐防護(hù)外，也要盡量減少空分裝置的啟停次數(shù)，保持平穩(wěn)的工況，防止因管道和容器頻繁出現(xiàn)溫度變化而導(dǎo)致金屬疲勞。

3.1.2空分裝置漏液排查

①在日常生產(chǎn)中，定期檢查和分析冷箱密封氣壓力和純度，以及冷箱外壁結(jié)霜情況，從而判斷冷箱內(nèi)容器、管道是否存在泄漏。②在冷箱基礎(chǔ)增加測溫探頭，實(shí)時監(jiān)測冷箱基礎(chǔ)溫度，發(fā)現(xiàn)異常下降，要及時判明原因。③每周組織對冷箱珠光砂沉降情況進(jìn)行檢查，及時補(bǔ)充珠光砂，保證冷箱內(nèi)保溫層應(yīng)充實(shí)飽滿，避免因外界濕空氣進(jìn)入冷箱后凝聚凍結(jié)。④泄漏量較大時，冷箱的密封氣壓力會隨之增加，一般會升到2 kPa，高的甚至達(dá)到6 kPa，嚴(yán)重時會導(dǎo)致冷箱板鼓脹。

3.1.3空分裝置冷箱內(nèi)泄漏時的應(yīng)急處置

①確認(rèn)冷箱內(nèi)容器、管道存在泄漏后，特別是大量的液體泄漏，必須及時停運(yùn)空分裝置，將冷箱內(nèi)液體進(jìn)行排放，并加溫、扒砂檢修，防止低溫液體在珠光砂內(nèi)大量積聚，造成砂爆事故。②當(dāng)?shù)蜏匾后w滲入珠光砂時，空分裝置立即停止工作開始加溫，這時應(yīng)盡快將冷箱頂部和主換熱器等處的人孔打開，將冷箱內(nèi)部壓力進(jìn)行釋放。③對冷箱內(nèi)部的加溫必須徹底，使用露點(diǎn)<-70 ℃的空氣進(jìn)行升溫，當(dāng)冷箱內(nèi)各處的溫度達(dá)到常溫后繼續(xù)加溫9～24 h，讓冷箱內(nèi)珠光砂逐步升溫。如果條件允許，冷箱在加溫停止后最好能靜止1周左右。④扒砂過程中要密切關(guān)注冷箱密封氣壓力。當(dāng)發(fā)現(xiàn)密封氣壓力有異常波動時，必須讓扒砂人員迅速撤離現(xiàn)場。

3.2 空分裝置原料空氣質(zhì)量管控

①抬升空分裝置吸入口位置。由于空分裝置和周邊裝置無法搬遷，為提高空分裝置吸入口質(zhì)量，設(shè)置一個總吸入口，并將吸入口的高度盡量提高，并增加封閉的風(fēng)道，將每臺空壓機(jī)吸入口與總吸入口煙囪相連，提高吸入口原料的空氣質(zhì)量，減少雜物的吸入，延長入口過濾器濾芯的使用壽命。②選用更高質(zhì)量的入口過濾器。③強(qiáng)化空分裝置吸入口的空氣質(zhì)量監(jiān)測。關(guān)注吸入口和純化器后原料空氣的監(jiān)測數(shù)據(jù)，如有異常及時進(jìn)行排查，同時密切關(guān)注冷凝蒸發(fā)器內(nèi)碳?xì)浠衔锏暮?，必須?100 mL/m3。與周邊裝置建立預(yù)警聯(lián)動機(jī)制，當(dāng)周邊裝置排放、吹掃時，應(yīng)選擇合理風(fēng)向的天氣排放并通知空分裝置，空分裝置應(yīng)采取增加冷凝蒸發(fā)器的排放量、加強(qiáng)冷凝蒸發(fā)器碳?xì)浠衔锉O(jiān)測等措施，避免因裝置的排放導(dǎo)致空分裝置內(nèi)硫化物、碳?xì)浠衔锏任ｋU污染物的聚集。

3.3 空分裝置周期性檢查

①空分裝置在運(yùn)行一個周期后需要停工進(jìn)行周期性的檢修，將空分塔內(nèi)所有液體進(jìn)行排放，使用干燥的空氣(露點(diǎn)<-70 ℃)對系統(tǒng)進(jìn)行徹底地加溫吹除，讓一個周期內(nèi)累積在空分裝置內(nèi)的雜質(zhì)全部清理干凈。②將珠光砂從冷箱內(nèi)清理干凈，對冷箱內(nèi)各個管線和容器進(jìn)行氣密檢查，一般漏點(diǎn)處會有因氣流夾帶珠光砂對金屬摩擦產(chǎn)生的黑點(diǎn)，對于發(fā)現(xiàn)的漏點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)焊處理，待氣密檢查無異常后方可進(jìn)行裸冷等后續(xù)工作。③重新裝填珠光砂時必須使用干燥的，裝填時也必須保證天氣晴朗，防止因珠光砂受潮導(dǎo)致空分裝置開工后低溫凍結(jié)，從而帶來保冷效果差、珠光砂凍結(jié)后下沉砸傷冷箱內(nèi)部管線和容器的風(fēng)險。

4 結(jié)語

空分裝置經(jīng)過了100多年的發(fā)展，目前已經(jīng)形成了較為成熟和安全的工藝流程，相關(guān)設(shè)備制造的水平也在不斷提升，但是通過某氣化廠砂爆事故的慘痛教訓(xùn)，提醒了空分裝置由于它特殊的工藝性質(zhì)，超低溫、富氧環(huán)境等危險因素仍然存在，特別是液體泄漏造成“砂爆”和吸入口異常導(dǎo)致冷凝蒸發(fā)器爆炸的設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險依然存在，需要時刻關(guān)注空分裝置設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)異常并采取措施，杜絕類似事故重演。