空分裝置中有害氣體的危害與控制

田超　楊家華

摘 要：科技在快速發展，社會在不斷進步，我國綜合國力顯著加強，空分裝置冷箱泄漏存在著重大安全隱患，在一些情況下可能會產生爆炸，造成嚴重的后果，為了避免問題的發生，需要對泄漏原因進行分析，采取有效措施進行處理。文章介紹了空分裝置及冷箱的含義，結合冷箱泄漏現象進行分析，提出了冷箱泄漏風險問題以及風險控制及處理措施，并且闡述了空分裝置冷箱防爆要求以及空分裝置使用的安全預防建議，更好的保障空分裝置的使用。

關鍵詞：空分裝置;有害氣體;控制

0 引言

稀有氣體通常指氦、氖、氬、氪、氙5種氣體，它們屬于元素周期表中的零族，在常溫和常壓下均為氣體狀態。因其在大氣層和地殼中的含量很少，所以被稱為稀有氣體，又因其化學性質穩定，又稱為惰性氣體。這5種氣體中，氬在空氣中的體積含量相對最多，可達0.932%，其余4種稀有氣體之和在空氣中的體積含量也不足0.003%，尤其是氙氣特別稀少，故氙與氪有時被稱為黃金氣體。氦主要來源于天然氣，少部分來源于空氣;核反應堆裂變有不少氙，但具有放射性，故除氦外其他稀有氣體主要來源于空氣分離裝置（空分）。干燥大氣的主要組分是氮、氧和氬，并含有少量的氦、氖、氪、氙、二氧化碳、一氧化碳、氫、氧化亞氮、烴類等。常規的空分設備以分離提取高純度的氧、氮、氬產品為主，其他少量的物質通常以產品中的雜質氣存在，或混合在廢氣當中排放，又或在預處理系統中被吸附器吸附后排放?，F在，越來越多的空分設備可對稀有氣體氦、氖、氪、氙進行粗提取，為稀有氣體的精制提供高品質的原料，很大程度上提高了空分裝置的運行經濟性。與其他加工行業不同，工業氣體行業處理環境空氣以生產其最終產品。因此，空分設備的安全與空氣中的微量污染物密切相關。由于無法控制環境空氣的狀況，了解污染物去除技術以及裝置現場的空氣成分對于裝置的設計和安全運行至關重要。這些微量物質與稀有氣量的含量相對較為接近，其高度濃縮對粗制稀有氣體的影響不能忽略。這些微量雜質與當地大氣環境因素有關，下述表中列出的僅為典型空氣分離裝置中大氣的含量，稀有氣體的含量相對較為固定。

1 冷箱泄漏風險分析

1.1 冷箱超壓噴砂、鼓包

泄漏的液體在流動過程中會受熱不斷氣化，導致冷箱內壓力逐漸升高，可能會引起冷箱超壓噴砂，嚴重時會造成冷箱局部鼓包、破裂。若氣體泄漏量大也可能使冷箱超壓。

1.2 可燃物（碳氫化合物的濃縮積聚）

固體物質主要是指CO2、N2O、C2H2，這些類物質在液氧中溶解度比在液空中的溶解度低，所以這三種組分很容易在液氧中析出。有研究表明，N2O的溶解度還和CO2的含量有關，CO2含量越高，N2O的溶解度越低。同時這三種物質在液氧中的K值非常低，被氧氣帶走的含量幾乎可以忽略不計，在外壓縮流程中，隨著氧氣的不斷抽出，液氧中有害雜質會不斷濃縮，如果主冷液氧不能有效排出，或者主冷中存在死角，這些雜質以固體形式析出的可能性就非常大。這三種物質中C2H2和CO2可以被分子篩吸附，而N2O不能被分子篩完全吸附，所以N2O的危險是最大的。

2 控制和處理冷箱泄漏風險的對策

2.1 加強危險應急處理效果

在當前的各個工業領域中，發生了安全事故的時候，需要將人群撤離，之后應由專業的人員開展事故搶險工作，將危險源以及故障源排除，還應鼓勵現場的人員在保證自身安全的情況下，通過專業人員指導來協助事故搶險，將危險因素進行有效的控制。在空氣分離領域中，也應利用專業的應急處理方式進行處理，還應培訓工作人員專業的技術能力，使其能夠在處理問題的時候具有快速的反應能力，還能進行自救及逃生。當產生了火災或者氣體泄漏等情況的時候，應保證人員的安全，減少事故造成的影響，為空分裝置的使用帶來了有效的保障。

2.2 膨脹機的性能評估

膨脹機的工藝效率評估分為兩大類，通過對氣體膨脹機增壓側、膨脹側等熵效率和液膨膨脹側效率的計算，回顧是否在最佳運行點。另對氣膨及液膨的損失功的計算，跟蹤膨脹機傳動損失、惡化增大的趨勢，及時建立大修計劃。根據膨脹機等熵膨脹原理，通過膨脹機入口壓力、溫度及空氣組分由林德物性計算器GTC可計算出入口空氣的熵值和焓值;同時根據出口壓力及溫度，可查出膨脹機出口的實際熵值和焓值;根據等熵原理，查出出口理論焓值并計算出等熵效率。等熵膨脹效率低，表示膨脹機效率低，可能的原因有：存在泄漏，冷量損失增大，或存在機械問題等。由膨脹機輸出功和膨脹增壓段輸入功率或發電機功率比較，得出中間的功率損失量;損失功率大，則表示潤滑不足、發電機效率下降等。膨脹機膨脹端和增壓端的效率均在設計值內，能量損失略有偏大，后期需檢查檢查膨脹端及增壓端回流閥是否有內漏，通過油品分析和狀態監測等進一步分析膨脹機的運行狀況，必要時進行拆檢保養。

2.3 低溫管道的配管

空分裝置中的低溫管道集中在分餾塔冷箱內部，國內選用的材料都是鋁（5052-O、5083-O），通常5083-O用于公稱直徑小于等于125mm的管道，5052-O用于公稱直徑大于125mm的管道，同時儀表管采用5052-O。冷箱外的低溫管道材料都是不銹鋼（06Cr19Ni10，即S30408）。鋁的單位線脹率在-190℃時是-3.79mm/m。對于5052-O低溫下的許用應力，管材是46MPa、板材是43MPa;對于5083-O低溫下的許用應力，管材是74MPa、板材是83MPa。不銹鋼（06Cr19Ni10）的單位線脹系數在-190℃時是-3.10mm/m。低溫下的許用應力是：管道壁厚小于等于14mm時，許用應力122MPa;管道壁厚小于等于18mm時，許用應力為90MPa。目前，業內空分裝置的管道配管多采用三維軟件，如PDMS、PDS、AUTOCAD 3D等，應力分析多采用COADE公司開發的CAESARⅡ。下面簡要論述冷箱內低溫管道的配置。

2.4 開展冷箱巡檢監控工作

在檢查中，需要安排人員分成小組，對冷箱的情況進行了解，還應監測冷箱結霜情況的變化，使用測溫槍來監測冷箱結冰位置的溫度，并且進行記錄。當發現冷箱結霜的情況加劇的時候，或者冷箱的鋼板產生了凍裂的問題，需要及時報告。其次，主控加強對冷箱參數的檢查，將上塔的壓力進行有效控制，關注冷箱的基礎溫度以及密封氣壓力等，明確冷箱的實際情況。當冷箱密封氣壓力上漲的時候，超出了標準范圍的情況下，基礎溫度突然降低，冷箱密封氣中的氧含量增大，都需要立即進行報告。

2.5 扒砂

事先制定扒砂方案，嚴格按方案進行扒砂。冷箱頂部人孔打開后裝上安全鐵柵，以防意外。卸砂人員嚴格按防護要求戴好防護面罩，分班作業，在冷箱周圍設警戒線，安排專人進行安全管理，并設置在緊急情況下的安全撤離通道。在扒砂初期，發現局部珠光砂溫度仍有-20℃左右。由于復溫不徹底，扒砂進程緩慢、謹慎，在多個卸砂口分步交替進行卸砂，以防止“砂爆”發生，確保安全。并繼續向分餾塔內通入儀表空氣加溫，冷箱適當加氮氣加溫。

3 結語

為了更好地跟蹤和計算裝置運行狀態，需修正或校準流量計;發現氣體膨脹機功率損失偏大，考慮運行時間較長了需提出檢修保養計劃。在對壓縮機的過濾器、導流葉片、冷卻器、比功率、防喘振控制等一系列參數和運行狀態進行評估和分析后，發現部分增壓機、氮壓機的換熱器趨近溫度偏離正常狀態，發現增壓機和氮壓機均存在一、二段壓力比偏離設計值，影響壓縮機效率;研究還發現氮壓機的喘振閥動作頻繁，影響效率，需要優化調整。

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