1 　前言

近年来,制氧生产中燃爆事故时有发生,有的甚至造成了机毁人亡的严重后果,使国家、企业和人民生命财产蒙受了巨大损失,如1996 年3 月新余钢铁厂6000m3/ h 空分主冷爆炸、2000 年8 月萍乡钢铁公司1500m3/ h 制氧机检修现场的燃爆事故等。惨痛的教训再次提醒我们:制氧生产防火防爆不容忽视。

江铜贵溪冶炼厂现有6500m3/ h、10000m3/ h 和3000m3/ h 制氧机各1 台,三期工程完成后,又有1 台10000m3/ h 制氧系统投入运行,生产已具相当大的规模。如何确保其安全运行,是我们必须重视解决的重要课题。对此,应当充分认识到制氧生产中火灾、爆炸的危险性,了解、掌握其原因、机理及相应对策,以便从各个环节对存在的危险因素加以控制、消除,防患于未然。

制氧生产中发生燃爆的可能性主要有:空分设备的爆炸、高纯高压氧气管道的燃爆和系统外的燃爆。其中空分设备的爆炸事故频率较高,危害性极大,且可预见性较差,本文将对此作重点阐述。

2 　空分设备的爆炸

2. 1 　爆炸原因、机理

空分设备的爆炸部位主要发生在大量液氧积存的主冷凝蒸发器内,特别是液氧蒸发界面。下面根据燃爆的三要素即可燃物、助燃物和引燃引爆源进行具体分析。

(1) 可燃物。空分设备的原料来自于大气,大气中含有各种有害杂质气体,其中乙炔及其它碳氢化合物对空分设备的安全生产危害极大。厂区内空气中碳氢化合物等有害杂质的含量见表1。

表1 　厂区内空气中碳氢化合物及其它有害杂质的平均含量表(10 - 4 %)

这些碳氢化合物虽经空分净化装置的清除,但仍有少量和不能清除的物质随原料空气被带入空分塔内,并主要在主冷凝蒸发器的液氧中浓缩、积聚,当达到一定程度(即爆炸极限) ,且有固体析出时,再遇到足够的引燃引爆能量,便会发生爆炸。若干种碳氢化合物在氧气中的爆炸极限见表2。

表2 　若干种碳氢化合物在氧气中的爆炸极限分析表

从表2 中可见,乙炔的爆炸敏感性最强,即危险性最大。它是不饱和碳氢化合物,具有高度化学活性,极不稳定, 且在液氧中的溶解度很低5 ×10 - 4 % ,很容易以固态析出而引爆。因此,对乙炔的防范要更为谨慎些。

(2) 助燃物。即主冷凝蒸发器中本身存在的液氧及其蒸发的气态氧。

(3) 引燃引爆源。主要有:

①爆炸性杂质固体微粒(如液氧中析出的固态乙炔) 的相互摩擦或与器壁摩擦。

②静电放电。当液氧中含有少量冰粒,固态二氧化碳时,会产生静电荷。若二氧化碳的含量提高到200 ×10 - 4 %～300 ×10 - 4 %时,所产生的静电位可达3000V。

③气波冲击、压力冲击、气蚀现象引起的压力脉冲,造成局部压力升高。④化学活性特强的物质(臭氧、氮的氧化物等) 存在,使碳氢化合物在液氧中的爆炸敏感性增强。

2. 2 　防爆措施

(1) 严把原料空气关。空气要保持洁净,吸风口处空气中烃类等杂质的允许极限含量见表3 :

表3 　吸风口处空气中烃类等杂质的允许极限含量表(mg/ m3)

(2) 净化、清除加工空气中的有害杂质。采用先进的常温分子筛吸附法,即在空分设备前设置分子筛吸附器。它能将C2H2 、C3H6 、C4H8 等杂质全部吸附,C3H8 和C2H4 也大部分被吸附,并可将CO2 的入塔量控制在1 ×1024 %以下,能除去90 %的N2O。我厂运行中的3 台制氧机均先后采用了分子筛吸附法,其中6500m3/ h 空分内部还增设了液氧吸附器,能有效地吸附主冷液氧中存在的乙炔等碳氢化合物,由此大大增加了空分设备运行的安全系数。

(3) 防止碳氢化合物在主冷中的积聚、浓缩。应连续不断地排放液氧,其量为1 %的气氧产量。这样可使主冷中的液氧总是处于流动状态,避免碳氢化合物在主冷中局部浓缩、积聚。

(4) 正常稳定地操作空分设备。

①保持温度、压力、流量、液面等相对稳定,防止工况波动,避免产生摩擦、冲击等激发能源而引爆。

②采用“全浸式”操作。即主冷凝蒸发器的液氧液面应保持高于板式单元的高度,以防上液氧蒸发界面乙炔析出而引爆。

③空分临时停车时间不能太长。停车后,当主冷液位低于正常液位一半或液氧中的乙炔含量超过0. 1×10 - 4 %时,就应全部排液,以防乙炔局部积聚、浓缩而造成开车时爆炸。

④避免空分设备超周期运行。

(5) 空分设备的除油保护。如果空气压缩过程中气体带油而裂解,会增加乙炔等碳氢化合物的含量,给空分设备的安全运行带来威胁。进入空分设备的油,来源于空压机和膨胀机的润滑油及空气中的油污。故需采取润滑油的密封、空压机处增设排油烟风机等措施。

(6) 完善监测分析手段。在线随时监测与离线定期分析并用。利用在线监测仪表,随时监测液氧中的乙炔等碳氢化合物的含量,以便及时发现问题。同时,一般采用气相色谱仪分析法,每天至少做一次离线分析,当乙炔及总碳量达到报警值时,应增加监测分析频率,并及时采取加大液氧排放量等措施,以稀释其在液氧中的浓度。液氧中乙炔及总碳量报警值及停车值见表4。

表4 　液氧中乙炔及总碳量报警值及停车值表

(7) 在空分设备内外设置完善、可靠的防雷和防静电接地装置,接地电阻≤10Ω ,且每年至少检测一次。

3 　高纯高压氧气管道的燃爆

3. 1 　燃爆原因、机理氧气管道本身材质一般是碳素钢或不锈钢,因含碳,属可燃性材料,而且在高压(3MPa) 纯氧中铁呈粉状时的燃点很低,一般为300 ℃左右。碳素钢或不锈钢氧气管道会在纯氧条件下被先着火的铁粉、油脂等引燃。

对于激发能源,通常有以下几种:

①阀门在高低段之间突然打开时,低压段氧气急剧压缩,由于速度很快,来不及散热,形成所谓的“绝热压缩”,局部温度猛升,成为着火能源。

②启闭阀门时,阀瓣与阀座的冲击、挤压,阀门部件之间的摩擦发热。

③高压运动的物质微粒(如铁锈、灰尘、焊渣、杂质颗粒等) 与管壁的摩擦、相互冲击和阀门、弯头、分岔头及焊瘤等处的冲击碰撞。

④静电感应、油脂引燃、外部火源、铁锈和铁粉的触媒作用等。

3. 2 　防燃爆措施

为了杜绝氧气管道的燃爆事故,在管道设计、制造、安装、使用、管理等各个环节中均应规范或采取必要的措施。主要有:

①氧气管道要完善接地,阀兰两侧用铜制导线跨接,防止静电。

②尽量采用直管少用弯头,以避免磨损而生成危险的铁粒子。

③氧气管道、阀门、管件等一切部件,安装前必须严格脱脂并除去锈垢。脱脂一般用四氯化碳溶剂等方法。安装完毕后,应进行强度试验和气密性试验,以保证管道的强度和防止泄漏。

④严禁管道内带水份,流经的氧气要十分干燥,以防生成锈垢。

⑤限定氧气在管道中的流速。流速过大,高纯高压氧气与管壁、杂质颗粒的摩擦与碰撞,会引起管道温度升高。氧气在管道中的最高流速见表5。液氧管道一般采用不锈钢,其流速限定在0. 5m/ s～1. 0m/ s。

表5 　氧气在管道中的最高流速表

⑥管道采用不锈钢和铜材,这样可以抑制管内生成氧化的锈垢及磨损的铁粒子;衬垫严禁用可燃材料。

⑦阀门的启闭操作要缓慢,避免过急而产生摩擦发热。

⑧氧气管道动火作业前,应制定严密的动火方案,经安全部门批准,并用氮气将管内余氧置换干净,含氧量小于23 %后方可动火。

4 　系统外的燃爆

4. 1 　燃爆原因

系统外的燃爆具有较强的可预见性和可控制性。其主要是由于液氧排放、氧气放空或泄漏等原因而形成氧富集区,在富集环境中存在的各种可燃介质更易引燃。甚至人体和衣服也会成为易燃物。

4. 2 　防燃爆措施

严格动火制度,动火过程中不断检测氧气含量( < 23 %) ,一旦超标立即停止动火。并严禁吸烟,因为身处富氧区,衣服已饱含氧气,如点火吸烟将与自焚无异。

5 　结语

制氧生产中燃爆原因比较复杂,本文只作了简要阐述,尚需进行深入、细致的探究,全面、系统地把握其规律,以便从工艺设备的改进、技术措施、操作管理等方面加以防范。“隐患险于明火,防范胜于救灾”,防火防爆工作不可有丝毫的松懈,不能放过任何隐患,要遵循生产客规律,持续改进,只有这样才能避免事故的发生。