论述影响空分装置安全运行的因素与应对措施

白浩 霍伟

延安石油化工厂，陕西，洛川， 727406

摘要：深冷空分技术作为一种成熟的空分分离技术，具有适应性广泛，产能较大，工艺稳定等特点，目前在石油炼化及化工行业运用比较广泛。但随着2019年“河南义马7.9爆炸事故”的发生，对深冷空分技术及相关设备的安全性需要重新认识。延安石油化工厂深冷空分装置为一套单塔高纯制氮设备，产氮量仅为3900Nm³/h，其产能相对较小，但由于其制造工艺的特殊性，提升其安全性是对操作人员以及管理人员是一个新的课题。

关键词：深冷空分，爆炸，制氮设备，安全

1 近年空分装置爆炸的案例

1.1 2017年4月10日，神华400万吨煤制油发生空分泄漏事故。
1.2 2019年7月19日下午5点45分，河南省三门峡市河南能源化工集团义马气化厂C套空分装置发生爆炸。该爆炸事故造成15人死亡、16重伤，直接经济损失8170万元。

1.3 2020年1月7日，攀钢集团有限公司爆炸事故，主要原因为员工不熟悉液氧的物化性质、危险性，违规使用手机造成的。

1.4 2020年6月16日，逸盛大化石化有限公司聚酯空分装置冷箱主冷凝蒸发器发生闪爆事故，引起冷箱倒塌，未造成人员伤亡，事故直接经济损失195万元。其主要原因为主冷凝蒸发器中碳氢化合物含量持续升高至549ppm（标准100ppm），在主冷凝蒸发器中形成爆炸混合物，从而引起的。

2 设备概况

延安石油化工厂空分装置主要由空压机（12000Nm³/h）、预冷机组、分子筛纯化系统、膨胀机系统、精馏系统、液氮储罐、换热器、产品增压系统以及仪表电气系统。

3 深冷空分原理、工艺流程以及标准

3.1 深冷空分原理

深冷空分工艺就是利用精馏的分离原理，根据空气中氮、氧以及其他组分沸点的不同，通过降低温度，达到深度冷冻（温度-150℃）以下，将空气中的各组分进行分离。

3.2 工艺流程

延安石油化工厂深冷空分装置为单级精馏，其主要设备分馏塔为筛板塔，其主要工艺流程大致为通过膨胀机制冷，空气在冷箱主换热器中与返流低温富氧气及低温氮气进行换热冷却到饱和温度后进入分馏塔内进行，在筛板塔上完成馏分的分离，分馏塔的顶部达到低温高纯度氮气。高纯度氮气一部分作为产品氮气经主换热器复热后出分馏塔，送至低压氮气管网；另一部分在冷凝蒸发器中与富氧液空换热后冷凝液化，所得液氮的一部分作为产品液氮送至液氮储罐，另一部分入塔作为塔的回流液。冷凝蒸发器的冷源是靠从塔底抽取一部分富氧液空经过冷器冷却，节流后提供。

3.3 空分装置可燃物标准

根据《氧气站设计规范》（GB50030-2013）第8.0.10和第8.0.12条企业安全生产经验，深冷空分装置需要监测碳氢及乙炔。冷箱液氧系统中碳氢化合物：正常值≤100ppm，停车值为250ppm，按碳计。乙炔正常值小于等于0.01ppm，停车值为1ppm¹。

4 影响空分装置安全运行的因素

空分装置流程主要包括空气的压缩、压缩空气的降温脱水、空气中水分、二氧化碳及碳氢等化合物的清除、空气的冷却、冷量的制取、空气的液化、精馏以及危险杂质的清除。要提高空分装置安全运行，必须提高空分装置流程的各个控制点的安全性，才能够全方位、全覆盖的保证空分装置的安全运行。可能引起空分爆炸的原因主要分为两大部分，分别为物理爆炸和化学爆炸。

4.1 物理爆炸

4.1.1 存有低温液体的分馏塔内进入大量高温气体，低温液体急剧汽化，造成馏塔内压力升高，安全阀卸压速度慢，空分塔发生变形破裂。

4.1.2 空分冷箱内存有低温液体的分馏塔外装满保冷材料珠光砂，分馏塔或冷凝蒸发器发生漏液故障，珠光砂内就会存有大量低温液体，遇到高温气体，低温液体急剧蒸发，把空分冷箱撑破，珠光砂大量喷到周围，造成砂爆或液爆。

4.1.3 固体粉尘对空分设备安全生产的危害性极大。轻者堵塞换热器通道，降低传热效率，堵塞精馏塔塔板，降低产品纯度和产量；重则堵塞主冷板式氧通道，加速液氧中烃类杂质的浓缩和其他有害杂质在液氧中的积聚；它是一种静电放电引爆源， 会引发主冷爆炸。粉尘的主要来源为纯化系统吸附剂磨损带来的粉尘。

4.2 化学爆炸

4.2.1 液氧排放不及时，液氧中碳氢化合物积聚，达到超标，液氧中的总碳氢化合物，尤其是乙炔，会发生超标反应，造成化学爆炸。液氧中乙炔超过0.5PPm或者碳氢化合物总含量超过300PPm，就有可能发生自燃爆炸。

4.2.2 膨胀机密封气管道堵塞，膨胀机轴承润滑油经过油封渗入到空气侧，被膨胀空气带入上塔，造成主冷液氧中总碳氢化合物含量超标。

4.2.3 分子筛后二氧化碳分析仪失灵，并且分子筛发生超期使用，超温使用，再生不足，进入游离水，进油中毒等原因，不能完全吸附二氧化碳、总碳氢化合物等，碳氢化合物穿过分子筛进入分馏塔内，造成下塔底部液空和上塔底部主冷液氧总碳氢化合物含量超标。

4.2.4 由于化工厂或化工车辆放散口在空压机吸风口附近放散杂环烃1#、杂环烃2#、粗酚、轻粗苯、硫磺、硫酸铵等化产气体，空气含有大量的总碳氢化合物。空压机吸入总碳氢化合物含量高的空气，会造成总碳氢化合物会穿过分子筛，进入分馏塔内，造成塔底液空和主冷液氧总碳氢化合物含量超标。

由以上可以看出，爆炸的主要是防止低温液体泄漏，控制总烃或者乙炔在冷凝蒸发器的积累，对这两点进行有效的管控，就能够最大程度上的降低空分爆炸的概率，提高其运行的安全性。

5 应对措施

5.1 自2019年河南义马7.9空分装置爆炸事故出现以后，为有效的提升空分装置的安全性，通过对照《深度冷冻法生产氧气及相关气体安全操作规程》，暴露出以下五点主要问题：

5.1.1 空分装置的吸风口与散发碳氢化合物（尤其是乙炔）等有害气体发生源应有一定的的安全距离。吸风口空气中杂质允许极限含量应通过实际监测，本套装置未对空压机吸风口空气含量进行实时监测。

5.1.2 对空气纯化器出口未设置乙炔、碳氢化合物在线分析以及相关联锁。

5.1.3 冷箱内应设置氧含量监测设备，定期检测冷箱夹层氧含量，确认数值在5%左右（如高于20%，说明存在泄漏），必须尽快停车检修。本套装置未对该项进行监控。

5.1.4 空分冷箱应充入干燥氮气保持正压，并经常检查。对冷箱安全阀（呼气筒）应定期检查，不准放置任何物件在安全阀（呼气筒）上，同时要防止安全阀（呼气筒）被冰雪冻结。未设置安全泄压口。

5.1.5 冷箱内主冷未设置总烃以及乙炔含量实时监测。

5.1.6 未对冷箱内基础温度进行监测，对冷箱低温液体的泄漏没有直观的判断。

5.2 应对措施

5.2.1 原设计未对空气入口质量进行监测，无相应的监测设备。现通过定期每周对空气质量进行现场取样分析，未发现有明显的碳氢化合物的聚集，暂时满足安全的需要，但不能够完全的避免，目前该项问题已经提上日程，通过与EPC设计方沟通，后期会对其进行24小时实时监测。
5.2.2 为有效的监测空气纯化系统出口空气中碳氢化合物的含量，本单位选择色谱分析仪，对两套纯化系统出口产品的碳氢进行切换监测，目前设备还未安装，但安装后能够有效的进行监测；同时，提高装置的平稳度，预冷机组的排污，提高纯化器检修的质量，延长分子筛的使用寿命，保证分子筛的吸附效果，定期进行取样分析，从而确保碳氢化合物及乙炔含量可控。

5.2.3 未能够反映冷箱内空气氧含量，在检修期间预留氧分析仪取样口，待设备采购后就能够监测氧量。通过观察冷箱外壁是否存在挂霜，可以进行初步判断，当发生挂壁严重时，要及时停车进行处置。

5.2.4 为确保冷箱内能够有效的进行泄压，在冷箱顶部安全泄压装置。

5.2.5 为避免碳氢化合物局部的聚集，本单位通过定期排放，取样分析保证其含量负荷规范要求，并将利用分析仪对其含量进行实时监测，这样可以真实、连续的反应碳氢化合物在冷箱内的含量；同时，调整操作，保证分子筛纯化器正常工作，保证氧的循环倍率，避免干蒸发或死端蒸发，避免碳氢化合物及乙炔的聚集，通过平衡气量，控制富氧气的排放，均可达到目的。表5.2、5.3分别为1#2#冷凝蒸发器采样分析数据：

表5.2 1#冷凝蒸发器取样分析数据

表5.3 2#冷凝蒸发器取样分析数据

5.2.6 对冷箱基础进行温度监测，安装两个铂热电阻。

6 结语

空分设备危险因素众多，“隐患险于明火，防范胜于救灾”，不放过任何隐患，遵循生产客观规律，持续改进。采取技术措施，控制好液氧系统中烃燃物碳氧化合物含量，确保各项指标在所要求的控制范围内；加强对引爆源的控制和增加监测措施，堵塞漏洞，只有这样才能最大限度的避免事故的发生。

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