制氧生产中防火防爆问题

　　摘要：本文介绍了制氧生产中火灾、爆炸发生的几种主要可能性及其原因、机理和防燃爆措施，并对空分设备的爆炸进行了重点阐述。

    关键词：安全生产 　制氧 　防火防爆

    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。

 

    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。

 

    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 :

  

    (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。

 

    (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。

 

    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，要遵循生产客观规律，持续改进，只有这样才能避免事故的发生。

    参考文献

    [1 ]GB16912 - 1997，氧气及相关气体安全技术规程[ S] .

    [2 ]马大方.氧气与相关气体的安全生产及使用技术.华中理工大学出版社,1998.