空分主冷的安全运行及防爆措施

空分主冷的安全运行及防爆措施

深冷空分装置是以空气为原料经过压缩、低温膨胀做功和塔内低温精馏，从而获得所需要的工业气体和低温液体产品，是冶金、玻璃、化工等行业的核心设备之一。近年来，因空分设备制造缺陷和操作管理不善等原因，已发生多起空分设备爆炸事故。在所有的空分设备爆炸事故中，发生在主冷中的约占一半以上，这是因为原料空气中所有未清除干净的危害杂质，最后必然汇集在主冷液氧中。由于液氧在主冷内蒸发汽化，这些有害杂质在某些局部区域可能形成高浓度积聚，以致结晶，析出，在充足的氧作助燃下、在激发能源的作用下，根据形成化学性爆炸的燃爆三要素：可燃物、助燃物、引爆源，必然会引发破

坏能量巨大的空分爆炸事故。下面，我们将重点解析事故的成因，找出综合控制空分爆炸的一些有效方法及其防范对策。

一、碳氢化合物在主冷中的积聚原因

实践表明几种碳氢化合物爆炸敏感性由高到低的顺序是：

C2H2→C3H6→C2H4→C4H10→C3H8→CH4

碳原子数相等的碳氢化合物，随未饱和度增加相对危险增加，即炔>烯>烷，不同碳原子数的碳氢化合物相对危险性随碳原子数增多而增大，可见C2H2和C3H6应作为空分装置防爆的重点控制对象。而乙炔等碳氢化合物是否会在主冷液氧中积聚、浓缩、结晶，则主要取决于它们的沸点，其在液氧中的溶解度及饱和蒸气压。沸点(相对液氧)越高、溶解度越小、饱和蒸气压越小，越易在液氧中积聚浓缩。乙炔等碳氢化合物的沸点均比氧的沸点高得多，也就是说当液氧汽化后，乙炔等仍以结晶体滞留在主冷中，如果不采取措施，当液氧不能将它们全部溶解时，便有杂质从液氧中浓缩、析出，它们尽管含量甚微，但由于不饱和碳氢化合物可能发生分解，产生大量的热及氢气而产生危险，或者因与氧发生氧化反应，放热且反应速度极快而造成爆炸。

碳氢化合物在液氧中的积聚形式有两种：

其一是由于主冷结构设计不合理或局部通道不畅通 (如盲管)，造成液氧在未流通部分干蒸发，碳氢化合物于是在局部浓缩、析出，这种情形往往导致主冷的微爆；

其二是碳氢化合物在液氧中整体超限，它是由于未经彻底净化的空气进入分馏塔精馏，或微量的碳氢化合物未经充分循环吸附而逐渐积累形成。

二、解决方案

1、保证原料空气的质量。空分装置应设在非化工区域或化工厂的常年上风侧，距化工厂的

水平距离不少于300m，全低压空分吸风口处空气中乙炔允许极限含量为0.5mg/m3,空气中含尘量应不高于30mg/m3。

2、加强原料空气中有害杂质的净化。预冷系统尽量采用氮水预冷系统或冷气机组预冷，空气的净化应优先选用分子筛流程。分子筛应定期彻底再生，不得随意延长工作时间，在异常情况下(如分子筛后CO2浓度升高)，应缩短吸附周期。

3、加强液氧循环和对碳氢化合物的吸附。空分主冷中液氧循环流动的实现与加强，对降低与清除主冷液氧中乙炔含量尤其重要，具体可采取以下几种液氧流动的方法：①利用液氧泵推动的强制流动法；②附加热虹吸蒸发器的热虹吸流动法；③利用上塔与主冷液位差推动液氧循环的位能流动法；④高位能液氧引射低位能液氧的引射流动法。另外，采用连续排放液氧的方法来降低主冷中乙炔等有害杂质浓度也是经常采用的。对可逆式流程的制氧机应设置液氧、液空吸附器，并定期再生,活化使用，以保证消除效果，工艺改造时不得遗留盲管，主冷板式设计时应适当加大液氧通道流通截面。

4、定期监测主冷液氧中乙炔等碳氢化合物的含量和总碳量。流程设计中应采用色谱仪连续分析乙炔和碳氢化合物含量。林德公司编制的90K（-183℃）时碳氢化合物在液氧中的溶解度和爆炸极限中规定，液氧中碳氢化合物的允许含量取爆炸极限的25%，而其规定的正常操作指标却远远低于这一允许值。他们规定液氧中乙炔含量为lppm时系统停车，排放所有液体，是乙快在液氧中爆炸极限的20%左右。定0.1ppm为警戒值，0.01ppm为操作值，是允许值的1%。大型全低压流程空分乙炔含量不得超过0.1ppm，总碳量超过100ppm时应排放。对于只生产气氧的常规外压空分装置，主冷应连续不断地排放液氧,其量为氧气产量的

0.5～1%，这一措施可使液氧中乙炔浓度降至原值的20%。

5、低液面操作或液面大幅度波动会使液氧中有害杂质析出、聚集。可采取以下措施消除：

①主冷凝蒸发器全浸没操作，②排液时先提高主冷凝蒸发器液面，③不排液停车后的再启动操作要特别注意液氧因大量蒸发而产生杂质的积聚，要严格执行安全操作规定，升压操作必须缓慢进行，尽量减少压力脉冲，引起液位波动。

6、1%液氧排放管路，排放口数量一般设置2个以上，且随设备直径增大而相应增加，管路公称直径应不小于DN40，材质建议采用S30408，管路应设置流量测量仪表并保温，液氧中杂质超过警戒点时应增加液氧排放量。

7、大型主冷在结构设计时应严格保证主冷内液体的流动性，避免产生局部死角。如：①上塔底部回流液氧应以相错180°的双回流管进入主冷内部，以改善主冷中液氧的混合，同时应避免液氧直接冲击主冷板式单元，②主冷底部液氧排放及抽出口应由相差120°的三抽口组成，以防止有害杂质在局部区域沉积。

8、主冷板式单元在设计时，氧侧通道应选择多孔直形翅片，翅距不宜过小，翅片接口应设置防爆隔断，增加对液氧流动的扰动，以利于液氧中的乙炔在蒸发浓缩后排泄，不易形成局部逗留的死角。如果制造单位能够生产宽度在300mm以上的多孔翅片，则氧侧通道应优先使用。此时，翅片接口数量大为减少，板式单元的装配工作大为简化，氧侧通道的换热性能与安全性能结合更好。

激发能源的作用机理及其危害

在空分主冷中，可引爆液氧——碳氢化合物的激发能源主要有以下几种：

1、压力脉冲和气流冲击。主冷内，因液氧沸腾运动，液体的冲击波可使气泡得到瞬间压缩，从而使局部温度提高。有关文献指出，在液氧沸腾时，其运动速度可达10m/s以上，此时顺冲击波方向的压力可达10MPa，逆冲击波方向的压力可达20MPa，从而在局部因瞬间绝热压缩产生高温。

2、静电火花。固体乙炔等在液氧通道中沸腾时与器壁的摩擦、撞击，因液氧电阻极大，由此可产生很高的静电电压。当液氧中干冰、分子筛粉末达200～300ppm时，静电电压即可达3000V。静电场强度取决于固体颗粒在液氧中的运动速度、杂质的数量和性质。对同种固体颗粒，其运动速度快，杂质数量多，产生的静电电压就迅速提高。静电放电产生火花，即可引燃固体乙炔等碳氢化合物。

3、氮氧化物的促进作用。氧化氩氮(N2O)，目前在大气中的含量约为310ppb (0.6mg/m3)，