生产工艺（氧气）爆燃危险性分析
生产工艺过程
现代工业上都采用空气深冷分离法制取氧气。生产工艺过程按压缩空气的压力高低可分为：高压流程（10～20MPa），中压流程（2～2.5MPa），低压流程（0.6MPa）。
低压空气分离的制氧原理是根据液态空气中氧、氮在相同压力下沸点的差异（氧沸点为-183℃，氮沸点为-195.8℃）,利用精馏塔，经多次部分蒸发和部分冷凝，最后将空气分离为氧和氮。生产工艺过程大致分为6个阶段：除净空气中的灰尘和杂质；压缩空气；除去压缩空气中的二氧化碳和水蒸气；将空气深冷液化；液态空气经过精馏分离成氧和氮；产品的储存和运输。其生产工艺流程如图1所示。
图1 氧气生产工艺流程图
制得的氧气可导入管道（或中间储罐）直接作为原料参加有关化学反应制造化工产品，或装入钢瓶用于医疗、航空、炼钢、焊接等。制得的氮气可用于合成氨生产，或作为惰性介质和灭火剂。
制氧站危险性较大的是空分装置爆燃、输氧管网爆燃和液氧储罐爆燃。此外，压缩机着火、氢气储罐爆炸、液氧泵爆燃事故也常有发生。
空分装置的火灾爆炸危险性分析
空分塔是整个制氧机的心脏，一旦发生爆炸，其破坏力极大，损失严重。据不完全统计，近年来国内大中型空分装置共爆炸30多台次，小型装置爆炸100多台次。在空分塔内，氧是始终存在，所以发生爆炸的条件是有爆炸性物质和引爆源。空分塔爆燃事故树如图2所示。
图2 空分塔爆燃事故树
1.1的分压很低，即使将空气冷却至-173℃，乙炔也不会以固态形式析出，将随空气带入空分塔内。它在液空中的溶解度较大，一般不会在液空中析出，而随液空进入上塔。
固态乙炔在无氧的情况下也可能发生分解反应，分解成碳和氢，并放出热量。其热量为8360kJ/kg，形成的气体体积为0.8m3/kg，温度达2600℃，爆速达2500m/s，其威力与烈性炸药三硝基甲苯（TNT）爆炸时相当。如果乙炔分解时存在氧气，生成的碳和氢又会与氧化反应进一步放热，从而加剧了爆炸威力。
固态乙炔加液氧的爆炸敏感性极高，比液氧炸药的可爆系数还高18倍左右，是造成空分塔爆炸的最危险的物质。液氧在主冷凝蒸发器中蒸发时，随气氧带走的乙炔量仅为液氧中乙炔总含量的1/24左右。这样，随着液氧的蒸发，液氧中的乙浓度会不断增高，当超过其溶解度（乙炔在液氧中最大溶解度2.28cm3/L）时，以固态折出。冻结的固体乙炔危险性最大，当加热时，固体乙炔能聚合或转变为不稳定的爆炸性络合物，与乙炔爆炸有关的多数事故发生在空分装置加温和再次开车时。
其他不饱和碳氢化合物如乙烯、丙烯等，也能发生爆炸分解反应，虽然它们在液氧中的溶解度比乙炔高，但由于吸附器对碳氢化合物的吸附能力小，也有在液氧中积聚而构成爆炸源的可能。
1．1 甲烷
甲烷易熔于液氧中，且难以除去，在大型冷凝器中，甲烷能在氧气中积聚达到燃烧范围。
1．2 润滑油
当活塞式空压机和膨胀机的润滑油用量过多时，可能有部分油滴或油雾随压缩空气进入精馏塔。普通润滑油在压力7MPa、温度高于150℃时，很容易裂解为轻馏分，其沸点比原润滑油低得多，极易汽化混入氧气中。虽然润滑油和油的轻馏分对各种脉冲的灵敏度比乙炔低，但在液氧中也有爆炸危险，油在管壁上形成油膜，达到一定厚度（如12#机油，其厚度达500?m时），即可发生爆炸。
2 空分塔引爆源的构成因素
2．1 摩擦与撞击的机械作用
固体颗粒，特别是乙炔等碳氢化合物固体与器壁及主冷通道的摩擦、撞击产生的能量。
2．2 静电放电火花
干冰、分子筛粉末、固体乙炔等在液氧中沸腾时与器壁及主冷通道的摩擦、撞击可产生很高的静电电压（因液氧电阻极大）。
2．3 压力脉冲和气流冲击
阀门快速开启，以及气流在管道弯头内高速流动所引起的冲击波可造成气体局部热压缩。液氧在沸腾时，液体的冲击波可能使气泡受到瞬间的压缩，从而使局部温度升高。
2．4 具有特别反应能力物质的作用
如臭氧、氮氧化合物，在低温下与进入空分塔的微量碳氢化合物形成爆炸性的硝基化合物和臭氧化物。试验证明，臭氧浓度达到25%（停车后，液氧大部分被蒸发的情况下，可能达到此程度）时会将可爆物质引爆。若臭氧和二氧化氮同时存在时，混合物的爆炸敏感性更高。
根据事故树求最小割集：
T=T1 T2=(X1+ X2)( X3+ X4+ X5+ X6)
= X1 X3+ X1 X4+ X1 X6+ X2 X3+ X2 X4+ X2 X5+ X2 X6
最小割集为：{ X1 X3}、{ X1 X4}、{ X1 X5}、{ X1 X6}、{ X2 X3}、{ X2 X4}、{ X2 X5}、{ X2 X6}
这8组基本事件中，只要1组发生，爆炸事故就会发生，要从这8个途径进行检查，采取措施。
利用最小割集排出结构的重要顺序为：I(1)=I(2)＞1(3)＝1(4)＝1(5)＝1(6)。
由此可知，液氧中积聚易燃易爆物是导致空分塔化学燃烧和爆炸的主要原因。只要能排除可爆物过量聚集，就能使制氧机长期安全运转。
预防空分塔爆炸事故的措施：（1）减少原料在空气中可燃物的含量，如氧气站应选择在远离乙炔发生源和钢铁切割加工的位置，并应考虑风向；（2）改进设备，防止二氧化氮入塔和空压机、膨胀机、氧压机带油；（3）强化清除已进塔的少量可燃物，注意吸附器的质量，及时调损和再生，注意过滤物体二氧化碳和硅胶等；（4）加强对液氧中碳氢化合物含量的分析工作，严格控制含量，发现超标，及时排放全部或部分液氧；（5）保持塔内液面稳定及主冷全浸式操作，停车时间较长时，将液氧全部排放，操作时尽可能减少压力脉冲；（6）定期加温清洗设备，防止可爆物积聚和清除可爆物；（7）为了防止静电积聚，空分塔至少在相隔距离大的2个部位接地。
氧压机的火灾爆炸危险分析
活塞式氧压机燃烧事故是制氧站的易发事故，常发生在汽缸内、活塞杆填料密封函处、管道或阀门处。由于汽缸内温度过高，使活塞环、皮碗或密封发生分解产生可燃气体，与氧混合而爆炸，当汽缸内进入铁屑时，会因摩擦或碰击而产生火花促使爆炸事故发生。由于装配不良，活塞杆变形，磨损加快，常常会造成油封漏油，气封漏气，若活塞杆与填料盒盖严重摩擦产生火星，就会燃烧爆炸。在出口管道拐弯处和阀门后常常发生事故，原因是铁锈在高速氧气吹刷下与钢管摩擦起火，静电起火。氧压机爆燃事故树如图3所示。
图3 氧压机爆燃事故树
根据事故树求最小割集：
T=X1+ T1+ T2= X1+ X4 T3+ X5= X1+ X4( X2+ X3)+ X5= X1+ X2 X4+ X3 X4+ X5
最小割集为：{ X1}，{ X3 X4}，{ X2 X4}，{ X5}
结构重要度排序为：I(1)= I(5) ＞I(4)＞ I(2)= I(3)。
预防氧压机着火事故的措施：（1）确保氧压机检修装配质量，活塞环间隙应符合要求。检修时应除去汽缸中的铁屑、油污等杂质；（2）运行时加强巡视，严防密封件失效和油沿轴杆进入汽缸；（3）巡视时监视进气阀、冷却水及入口过滤器；（4）安全保护装置（如自动灭火装置、安全阀和防爆墙等）保持完好。
液氧泵的火灾爆炸危险性分析
液氧泵发生爆炸事故的情况有以下2种：泵体内爆炸，即在叶轮和泵壳处爆炸，常常由于泵内落入铁屑、铝末、面粉等异物而引起；泵体外爆炸，即在密封上半部和电机之间爆炸，主要是液氧泄漏和轴承润滑脂燃爆炸，由于液氧在常温下迅速汽化，易于短时间内在周围形成一定的富氧区域，且液氧的大量蒸发，使储槽内乙炔浓度也可能提高。液氧泵爆燃事故树如图4所示。
图4 液氧泵爆燃事故树
根据事故树求最小割集：
T=X1+ X2+ X3+ T1= X1+ X2+ X3+ X4×T2×T3
= X1+ X2+ X3+ X4×(X5+ X6)( X7+ X8+ X9)
= X1+ X2+ X3+ X4 X5 X7+ X4 X5 X8+ X4 X5 X9+ X4 X6 X7+ X4 X6 X8+ X4 X6 X9
最小割集为：
{ X1}，{ X2}，{ X3}，{ X4 X5 X7}，{ X4 X5 X8}，{ X4 X5 X9}，{ X4 X6 X7}，{ X4 X6 X8}，{ X4 X6 X9}
基本事件结构重要度排序为：
I(1)= I(2)= I(3)＞ I(4) ＞I(5)= I(6)＞ I(7)= I(8)= I(9)
预防液氧泵爆燃措施为：（1）液氧泵所在区域严禁有明火和可燃物；（2）启动液氧泵前需盘车检查，消除异物，要充分预冷，防止气蚀。运行中要注意轴承温度是否正常，停车后要排除泵内液氧，防止冻结；（3）密封严格，防止氧气外泄，定期添加和更换轴承专用的高低温润滑脂，防止轴承缺油烧坏；（4）选用安全防爆型电机与电器，不得漏电，接线良好；（5）严格定期检查。
输氧管网和阀门的火灾爆炸危险性分析
氧气管道及其配件中的油脂、溶剂和橡胶等可燃物制质，在高线纯度和高压力的氧气流中会迅速起火。在输送氧气的管道中，铁锈、焊渣或其他杂质与管道内壁摩擦，或与阀板、弯道冲撞以及这些物质间的相互冲撞，也易产生高温而燃烧，其危险性与杂质的种类、粒度和氧气流速有关，当氧气流速在100m/s以上时，可使钢管温度很快升至着火点。当氧气在1.6MPa以上的管路中输送时，急开或速闭阀门，易因绝热压缩而发生着火或爆炸。例如阀前为 15MP的压力，温度为20℃，阀后为常压0.1MPa，若将阀门快速打开，阀后氧气温度按绝热压缩公式计算可达1228K。这个温度已达到或起过了有些金属的着火点。输氧管网和阀门爆燃事故树如图5所示。
图5 输氧管网和阀门爆燃事故树
根据事故树求最小割集：
T=T1+ T2+ T3= (X1+ X2+ X3+ X4) X5+ X6( X7+ X8)+( X2+ X3)
=X1 X5+ X2 X5+ X3 X5+ X4 X5+X6 X7+ X6 X8+ X2+ X3
最小割集为：
{ X1 X5}，{ X2 X5}，{ X3 X5}，{ X4 X5}，{ X6 X7}， {X6 X8}，{ X2}，{ X3}
基本事件结构重要度排序为：I(2)= I(3) ＞I(5) ＞I(6)＞ I(1)= I(4)= I(7)= I(8)。
根据危险性分析，可制定以下防范措施：（1）严格清扫管道，彻底清除可燃物；（2）管道阀门要严格脱脂、除锈；（3）确保管道接地安全可靠；（4）消除产生“绝热压缩”的因素，如阀门间距不宜过小，阀门近处不应有弯头，控制氧气流速等。严格按操作规程开启阀门，避免胜在排空状态下开启阀门。
氧气钢瓶的火灾爆炸危险性分析
氧气钢瓶系移动式高压气瓶，数量大，流通范围广，使用条件多变，容易发生事故。氧气瓶爆燃事故树如图6所示。
图6 氧气瓶爆燃事故树
根据事故树求最小割集：
T=T1 T1=(X1+ X2+ X3+ X4)( X5+ X6)= X1 X5+ X1 X6+ X2 X5+ X2 X6+ X3 X5+ X3 X6+ X4 X5+ X4 X6
最小割集为：
{ X1 X5}，{ X1 X6}，{ X2 X5}，{ X2 X6}，{ X3 X5}，{ X3 X6}，{ X4 X5}，{ X4 X6}
基本事件结构重要度排序为：I(5)= I(6) ＞I(1)= I(2)= I(3)= I(4)
预防氧气瓶爆燃的措施：（1）弄清气瓶标志及颜色，防止错充、错充、错储、错用、错检和错管；（2）定期检查氧气钢瓶，根据标准制定气瓶合格、降压使用或报废；（3）注意充装安全，充装前要严格检查，充装压力不得超过设计压力，充氧台严禁烟火、油脂。
氢气储罐的火灾爆炸危险性分析（8）
目前大都采取加氢除氧的生产氩气工艺，必须要用氢气燃烧来除去粗氩中的氧气。氢气与氧气同时存在，工艺指标控制不好或管理不当，就可能发生爆炸事故。氢气储罐爆燃事故树如图7所示。
图7 氢气储罐爆燃事故树
根据事故树救最小割集：
T=X6 T1=( X1+ X2+ X3+ X4+ X5) X6= X1 X6+ X2 X6+ X3 X6+ X4 X6+ X5 X6
最小割集为：
{ X1 X6}，{ X2 X6}，{ X3 X6}，{ X4 X6}，{ X5 X6}
基本事件结构重要度排序为：I(6) ＞I(1)= I(2) =I(3)= I(4)= I(5)。
预防氢气储罐爆燃的措施：（1）加强氢气中氧含量分析和控制；（2）加强设备的泄漏检查和维护。
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