乙烯裝置的危險性及消防處置對策

潘佳俊

摘要：乙烯是石油化工的基本有機原料，主要用來生產(chǎn)聚乙烯、聚氯乙烯、環(huán)氧乙烷、乙二醇、二氯乙烷、苯乙烯、聚苯乙烯、乙醇、醋酸乙烯等多種重要的有機化工產(chǎn)品。然而，乙烯的生產(chǎn)從原料、產(chǎn)品到整個工藝過程都具有易燃易爆、有毒、高溫、高壓等危險性，并且生產(chǎn)裝置的規(guī)模正朝著集約化、智能化、超大型化發(fā)展，一旦發(fā)生泄漏、爆炸和火災(zāi)等事故，勢必將會對國家和人民的生命財產(chǎn)安全帶來極大威脅。為此，以上?；瘜W(xué)工業(yè)區(qū)內(nèi)的賽科120萬t乙烯裝置為例，就乙烯裝置生產(chǎn)過程中的危險性及處置對策做簡單探討，以供相關(guān)人員參考。

關(guān)鍵詞：乙烯裝置；危險性；消防處置

中圖分類號：D631.6? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2024）03-0055-04

1 基本情況介紹

賽科120萬t乙烯裝置位于上海化學(xué)工業(yè)區(qū)西河路賽科公司，由生產(chǎn)裝置區(qū)和輔助設(shè)施兩部分組成。生產(chǎn)裝置區(qū)由裂解區(qū)、急冷區(qū)、壓縮區(qū)、冷區(qū)、熱區(qū)、烯烴轉(zhuǎn)化區(qū)及汽油加氫區(qū)組成，裝置的輔助設(shè)施由3座變、配電所和兩座污水預(yù)處理池組成。

2 工藝流程簡介

該乙烯裝置以石腦油為主要生產(chǎn)原料，經(jīng)過裂解區(qū)、急冷區(qū)、壓縮區(qū)、冷區(qū)、熱區(qū)、烯烴轉(zhuǎn)化及汽油加氫七個區(qū)域，最后的主要產(chǎn)出物為120萬t乙烯/年、丙烯60萬t/年、碳四18萬t/年、碳六～碳八56萬t/年（注：碳四以及碳六～碳八均為烷烴碳氫化合物的統(tǒng)稱，根據(jù)分子式中碳原子數(shù)量的不同，碳一～碳四為氣體，碳五～碳十六為液體，碳十七以上為固體）、燃料油17萬t/年。裝置工藝流程簡述如下：

2.1? 裂解區(qū)

裂解區(qū)共采用9臺裂解爐，其中8臺為液體裂解爐，1臺為氣體裂解爐，液體爐中有1臺為備用爐。正常操作時，原料先進入預(yù)熱段進行加熱，在這過程中原料汽化，再進入輻射段進行高溫裂解，生成烯烴的一次反應(yīng)在輻射段進行，二次反應(yīng)在輻射段末端進行。

2.2? 急冷區(qū)

液體裂解爐產(chǎn)生的裂解氣經(jīng)冷卻后進入汽油分餾塔，氣體裂解爐的裂解氣一部分用作重燃料油汽提塔的汽提介質(zhì)，剩余的進入急冷水塔。裂解氣在急冷區(qū)中經(jīng)急冷油、急冷水冷卻到40℃后進入壓縮系統(tǒng)，分離出的裂解燃料油。在急冷水塔釜冷凝下來的汽油，一部分返回急冷油塔，另一部分和壓縮區(qū)冷凝下來的汽油一起被汽提出輕組分后，送往汽油加氫系統(tǒng)。急冷塔釜中的工藝水凝液送往稀釋蒸汽發(fā)生系統(tǒng)。

2.3? 壓縮區(qū)

來自急冷塔頂?shù)牧呀鈿庠谖宥坞x心式壓縮機中被壓縮到3.79MPaG。各段間分離出的汽油凝液合并后送到汽油加氫系統(tǒng)，分出的水返回到急冷水塔。在三段和四段之間，用堿洗或水洗以脫除裂解氣中的酸性氣體。五段出口排除罐的裂解氣經(jīng)多級冷卻干燥后送往脫甲烷系統(tǒng)。凝液汽提塔還分出一股液體去脫丁烷塔。

2.4? 冷區(qū)

裂解氣經(jīng)脫甲烷塔、乙烯塔、丙烯冷劑、乙烯冷劑、冷箱等多級冷卻后得到凝液進入脫甲烷塔，氣相分離出氫氣和甲烷尾氣產(chǎn)品。脫甲烷塔的塔釜物料進入脫乙烷塔。脫乙烷塔塔頂產(chǎn)物經(jīng)碳二加氫脫乙炔后進入乙烯精餾塔分離出乙烯產(chǎn)品，釜液送往熱區(qū)。

2.5? 熱區(qū)

凝液汽提塔和脫乙烷塔的塔釜物料進入脫丙烷塔，塔頂分出的物料進入丙炔/丙二烯反應(yīng)器催化劑床層發(fā)生加氫反應(yīng)，使丙炔/丙二烯加氫生成丙烯和丙烷后送往丙烯塔；釜液去脫丁烷塔。丙烯精餾塔使用雙塔系統(tǒng)，塔頂生產(chǎn)聚合級丙烯，塔釜生產(chǎn)丙烷。脫丁烷塔塔頂分出混合碳四產(chǎn)品，送往烯烴轉(zhuǎn)化單元和界區(qū)外儲存，塔釜汽油與中質(zhì)汽油和重汽油合并后作為粗裂解汽油送往汽油加氫單元。

2.6? 汽油加氫區(qū)

來自熱區(qū)脫丁烷塔和急冷單元汽油汽提塔的裂解汽油合并后一起進入一段加氫反應(yīng)器，加氫后的物料進穩(wěn)定塔，塔頂脫出輕組分，釜料進碳九切割塔。碳九切割塔的釜料碳九送界區(qū)，塔頂物料碳五～碳八餾分進二段加氫反應(yīng)器。二段反應(yīng)器物料進低壓閃蒸罐，液相進脫戊烷塔，塔頂產(chǎn)出的碳五返回裂解爐進行裂解，釜料碳六～碳八餾分送芳烴抽提裝置。

2.7? 烯烴轉(zhuǎn)化區(qū)

來自脫丁烷塔的部分混合碳四進一段加氫反應(yīng)器，反應(yīng)后的物料與丁二烯抽提裝置來的抽余碳四混合，進二段加氫反應(yīng)器。二段加氫反應(yīng)器出來的物料進脫異丁烯塔，塔頂采出循環(huán)碳四返回裂解爐進行裂解，塔釜料丁烯2與乙烯一起進歧化反應(yīng)器轉(zhuǎn)化生成丙烯。歧化反應(yīng)后的物料進脫乙烯塔，乙烯返回歧化反應(yīng)器循環(huán)使用，塔釜料進脫丙烯塔。脫丙烯塔塔頂產(chǎn)出聚合物級丙烯產(chǎn)品，釜料循環(huán)碳四返回裂解爐進行裂解。

3 物料性質(zhì)及裝置危險程度劃分

乙烯裝置生產(chǎn)過程中所涉及的物料都具有易燃易爆的特性。這些物質(zhì)一旦泄漏或受到外部刺激，極易引發(fā)火災(zāi)。特別是在高溫高壓的環(huán)境下，部分化學(xué)物質(zhì)可能發(fā)生不可預(yù)測的反應(yīng)，增加火災(zāi)事故的復(fù)雜性[1]。另外，氫氧化鈉、阻聚劑、甲醇、硫酸、一氧化碳、硫化氫、硫等物質(zhì)還具有腐蝕性和毒性，大量有毒有害氣體散發(fā)到空氣環(huán)境中，消防救援人員和現(xiàn)場被困人員需要做好防護處理，否則容易出現(xiàn)中毒、窒息現(xiàn)象[2]?？梢哉f，石油化工裝置事故現(xiàn)場綜合情況復(fù)雜，牽一發(fā)而動全身，通常從物料、工藝條件和廠區(qū)布置等方面開展安全風(fēng)險的辨識、分析和評估[3]。為此，筆者根據(jù)各單元中的危險物料性質(zhì)及工藝特點，整理出了乙烯裝置的主要危害分布及危險程度劃分，結(jié)果如下：

根據(jù)危險物料性質(zhì)來分，7個單元都具有火災(zāi)和爆炸的危險。物料危險性如表1所示：

其中裂解爐單元、壓縮單元和汽油加氫單元還具有中毒的危險（SO2、S、H2S），冷分離單元還具有凍傷的危險（-165℃）；

根據(jù)“操作壓力越大就越容易引起物料泄漏事故”的工藝特性，筆者對乙烯裝置的危險程度作了如下劃分：其中最危險的部位有脫乙烷塔（40m，67.2℃，2.246MPaG）、乙烯精餾塔（-12.2℃，1.68MPaG）、高壓脫丙烷塔（35m，85℃，1.99MPaG）；比較危險的部位有裂解爐、脫甲烷塔（59m，-50.6℃，0.598MPaG）、碳四選擇加氫反應(yīng)器；中危險的部位有歧化反應(yīng)器、二段汽油加氫反應(yīng)器、脫戊烷塔（41m，165℃，0.45MPaG）；低危險程度的部位是粗裂解汽油儲罐。

4 乙烯裝置常見事故原因分析及采取的保護措施

通過對以往事故案例的統(tǒng)計和分析后得出，化工企業(yè)發(fā)生火災(zāi)事故的主要原因為消防安全管理工作不到位、設(shè)備維修保養(yǎng)不及時，生產(chǎn)工藝和流程把控不嚴格、火災(zāi)預(yù)防手段不足以及員工責(zé)任心和消防能力不足的問題[4]。

為了減少事故的發(fā)生或者在事故初期進行有效控制，除了加強人員的安全及規(guī)范操作意識外，乙烯裝置主要從工藝方面和消防固定設(shè)施方面采取相應(yīng)的保護措施。工藝方面的保護措施主要有：

各單元和爐子均有安全連鎖系統(tǒng)。一旦發(fā)生事故，啟動連鎖系統(tǒng)就會使裝置部分或者全部停車。

在必要的系統(tǒng)單元設(shè)有壓力控制及排放管線。當壓力失去控制時，可以通過安全閥將物料排向火炬系統(tǒng)。

對于有明火的爐子，比如高溫裂解爐，操作時維持爐膛負壓，以防止火焰外泄。

對于發(fā)生放熱反應(yīng)的反應(yīng)器，如炔烴、烯烴加氫反應(yīng)器，均設(shè)有溫度保護，當發(fā)生緊急情況時，一方面可以采取切斷進料，用惰性氣降溫等措施，將反應(yīng)溫度控制在安全范圍內(nèi)，防止反應(yīng)器超溫超壓。另一方面，連鎖系統(tǒng)還將打開必要冷卻管線閥門以對系統(tǒng)進行置換和降溫。

消防固定設(shè)施方面的保護措施主要有：

設(shè)置檢測器。在可燃氣體有可能泄漏、滯留的場合，設(shè)有可燃氣體檢測器；在火災(zāi)危險場所，設(shè)有火災(zāi)檢測器。

設(shè)置高壓消防水系統(tǒng)。該裝置的高壓消防水由廠區(qū)第二高壓消防水系統(tǒng)供給，總供水量600L/s，供水壓力0.8～1.2MPaG。

設(shè)置雨淋系統(tǒng)。本裝置在輸送烴類介質(zhì)的壓縮機油箱和所處位置無法用水炮保護并輸送烴類介質(zhì)的泵等處，共設(shè)11套雨淋系統(tǒng)。

設(shè)置水幕系統(tǒng)。在裂解爐區(qū)朝向裝置的南、北、西三側(cè)，共設(shè)有7套水幕系統(tǒng)，以沖淡和稀釋裂解爐周圍的可燃氣體。

設(shè)置消防水炮。乙烯裝置內(nèi)還設(shè)置了34臺流量為40L/s的消防固定炮；在裂解爐西側(cè)管廊和壓縮區(qū)等設(shè)備密集區(qū)設(shè)置了8臺遙控高架水炮。

此外，在裝置以及配電室等處放置了一定數(shù)量的移動式干粉、二氧化碳滅火器，以便現(xiàn)場操作人員撲救裝置初期火災(zāi)之用。

5 典型火災(zāi)事故模擬及消防處置對策

當發(fā)生大規(guī)模的燃燒和爆炸而使固定設(shè)施遭到破壞失去功用，或者事故點剛好位于固定設(shè)施射程的盲點或死角內(nèi)時，就必須依靠消防救援隊伍到場處置。根據(jù)上文中所提到的危險分布和危害程度劃分，筆者模擬了三種突發(fā)情況并提出了相應(yīng)的處置對策。

5.1? 物料泄漏后導(dǎo)致噴火燃燒

假設(shè)災(zāi)情為：碳一～碳四物料以18kg/s的速度，從高壓脫乙烷塔一個25mm的小孔中泄出，遇火源形成了長度為61m的噴射火焰。該塔高55m，最大容量約為12t碳一～碳四物料，正常操作壓力為35bar，溫度在-37℃～80℃之間，東鄰乙烯裝置熱區(qū)，南鄰丙烯分餾塔，西鄰高架管廊，北鄰脫丙烷塔。

5.1.1? 對目前或潛在的危害程度作出評估和判定

根據(jù)脫乙烷塔的位置，距該塔61m半徑內(nèi)可能受火焰直接影響的設(shè)備有壓縮機、脫乙烷塔回流罐、裂解氣脫水器、氫氣反應(yīng)器以及相關(guān)設(shè)備高架管廊，一旦該塔發(fā)生噴火事故，如果不及時采取行之有效的處置對策，勢必將形成多點燃燒，使事故形勢進一步惡化。

5.1.2? 災(zāi)情處置

采取工藝措施。消防隊到場之后應(yīng)聯(lián)合企業(yè)工藝人員開展關(guān)閥斷料、放空泄壓、控制火源、緊急停車、上下游聯(lián)動、物料轉(zhuǎn)輸、惰化保護、系統(tǒng)充氮/蒸汽等工藝措施[5]，切斷對脫乙烷塔的物料供給，盡可能減少塔內(nèi)已有的物料量，并啟動安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，使整個裝置停車泄料。

冷卻降溫。除了對著火塔行冷卻防止內(nèi)部壓力過高而發(fā)生爆炸外，也要對其他受火焰影響設(shè)備進行冷卻以防止產(chǎn)生新的事故點。一是為了減少火焰對相鄰裝置的直接影響，可以先利用水槍再利用水炮將噴射火焰導(dǎo)向設(shè)備空曠區(qū)域。具體做法是：幾組戰(zhàn)斗員穿著隔熱服，利用多支噴霧水槍，同時從噴射火焰的一側(cè)，由遠及近對準其外焰部分進行噴射，將火焰推向空曠區(qū)域。然后在此點架設(shè)數(shù)門大流量移動炮以取代水槍射流。成功布設(shè)后，人員撤離到安全區(qū)域待命。二是以使用車載炮為主，槍炮相結(jié)合。消防隊到場后，利用大功率消防車的車載炮對噴火塔及周圍裝置的主要火點進行冷卻，防止發(fā)生爆炸或者火勢蔓延形成新的火點，只有車載炮射不到的盲區(qū)或死角才使用水槍、泡沫槍進行處置。這樣有利于最大限度發(fā)揮各類消防設(shè)施的優(yōu)勢，提高滅火效果，同時有利于滅火人員的自身安全，還可以減少配置消防車和人員。

5.2? 物料泄漏后與空氣混合形成爆炸性蒸汽云

災(zāi)情假設(shè)為：壓縮區(qū)第二段入口罐一根80mm的管道出現(xiàn)故障，罐內(nèi)全部8.9t碳三/碳四/碳五物料泄漏后在76m的范圍內(nèi)形成一股處于爆炸下限值的蒸汽煙云。該罐最大容量為8.9t，正常操作壓力為2.3bar，溫度為32℃。消防隊到場后重點采取以下措施：

5.2.1? 對目前及潛在的危險進行評估

由于爆炸性蒸汽處于爆炸下限范圍內(nèi)，一遇到點火源即發(fā)生爆炸，因此對蒸汽進行稀釋、控制點火源及疏散危險區(qū)內(nèi)的無關(guān)人員成為處置事故的首要措施。同時，利用偵檢測器材，從下風(fēng)、側(cè)下風(fēng)方向開始，由遠及近接近泄漏源進行檢測，確定爆炸下限值范圍，最終確定警戒區(qū)范圍。采取防明火措施。所有進入危險區(qū)的事故處置人員必須穿著全棉內(nèi)衣及使用無火花工具，防止產(chǎn)生靜電、火星而點燃爆炸性蒸汽。

5.2.2? 采取工藝措施

對整個裝置實施停車，不但要停止物料的供給，而且要停止所有轉(zhuǎn)動設(shè)備的運作及明火作業(yè)，防止產(chǎn)生火星點燃爆炸性蒸汽。

5.2.3? 噴水稀釋

主要遵循如下原則：①快速出水、圍堵稀釋。消防隊到場后，應(yīng)該首先加強第一出動，在危險區(qū)下風(fēng)及側(cè)下風(fēng)方向布設(shè)數(shù)道水幕及屏風(fēng)水槍，還可以利用水蒸氣、惰性氣體等方法進行處置，一是防止泄漏范圍進一步擴散，二是稀釋爆炸性蒸汽濃度。②防止積聚、確保安全。比空氣重的碳三/碳四/碳五物料容易在低洼處積聚，因此在整個戰(zhàn)斗行動中，特別是事故處置后期，必須隨時消除這個可能引發(fā)事故的隱患。一是利用噴霧水槍驅(qū)趕低洼處的泄漏氣體，二是打開雨水井、電纜井，向下水道灌注高倍數(shù)泡沫，以阻止泄漏氣體通過以上部位泄漏，還可以抬高水位、稀釋蒸汽、防止爆炸。

5.3? 物料泄漏后形成流淌火

災(zāi)情假設(shè)為：急冷單元的油水分離器發(fā)生較大故障，45t汽油全部發(fā)生泄漏并形成了直徑為50m的地面流淌火。消防隊到場后重點采取如下對策：

5.3.1? 對目前及潛在的危險進行評估

直接冷卻的部位是目前正在遭受火勢沖擊的部位，潛在危險是可能的接觸地點包括：急冷塔、加熱器、乙烯塔、泵、第二段入口罐和相關(guān)高架管廊。判斷地勢，由于是流淌火災(zāi)，火勢肯定會朝地勢低的部位蔓延。因此必須在蔓延方向做好筑堤堵截的各項準備。對周圍雨水井進行及時封堵，防止油火通過下水道蔓延到其他裝置。

5.3.2? 采取工藝措施

對受到火勢影響的裝置及設(shè)備實施停車、退料。首先會同現(xiàn)場操作人員和裝置工程師，利用工藝措施，啟動安全聯(lián)鎖系統(tǒng)實施停車、退料，從源頭上減輕火勢的進一步蔓延。

5.3.3? 噴射滅火劑

在對受火焰沖擊或受熱影響的周圍裝置施加冷卻水流的同時，還必須考慮到：由于是汽油泄漏燃燒，對地面流淌火應(yīng)該使用泡沫進行撲救。但是，泡沫覆蓋層容易受熱破裂，不易覆蓋全面而往往導(dǎo)致復(fù)燃。為了解決這個問題，筆者認為應(yīng)該采取對“四分之一區(qū)域”噴射泡沫的戰(zhàn)術(shù)，具體做法為：①將整個池火劃分為四個面積相等的區(qū)域；②按最低滅火劑噴射強度6.5L/m2計算，從上風(fēng)方向開始，利用數(shù)門泡沫炮同時相向地朝第一個“四分之一區(qū)域”噴射泡沫并持續(xù)15min；③在完成對第一個“四分之一區(qū)域”噴射后，重新布置泡沫炮，運用相同的方法，分別對其他三個“四分之一區(qū)域”噴射15min泡沫，直到明火全部被撲滅為止。

參考文獻

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