小氮肥生产装置火灾爆炸危险性分析与评价.docx

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小氮肥生产装置火灾爆炸危险性分析与评价

小氮肥生产装置火灾爆炸危险性分析与评价

    【摘要】结合小氮肥生产工艺的特点及企业实际情况，在分析小氮肥生产过程中火灾爆炸危险因素的基础上，应用道化学法对小氮肥生产工艺中的煤气发生炉、煤气柜、脱硫、变换、铜洗和合成等6个单元进行了固有危险指数和安全补偿措施后的危险指数的计算，同时对评价单元的火灾爆炸危险度进行了研讨。

分析评价结果表明，合成单元和煤气发生炉的固有危险度最大，生产过程中极易发生火灾爆炸危险，小氮肥企业应特别重视。

笔者建议，小氮肥企业应设法改进监控和操作手段，降低相应的工艺危险系数或加强安全防范，提高整个系统的安全性。

    【关键词】小氮肥；火灾爆炸；危险指数评价；道化学法；评价单元

    0引言

    我国小氮肥行业创建于20世纪60年代，70年代发展到最高峰。

目前，全国还有500多家企业在生产，其年合成氨生产能力从2.5万吨到20万吨。

产品除合成氨外，还有碳酸氢铵、尿素及其他副产品。

    当时我国设计小氮肥的指导思路是：

因陋就简，土法上马，立足一个“小”字，反对“大、洋、全”。

小氮肥厂生产规模是根据中型氮肥装置仿制缩小移植过来的，由于在设计中删去了中型氮肥装置，实际上许多本不该删除的设施，特别是仪表和自控方面，而且许多厂的煤气炉和锅炉都是违规自制，因此，导致目前许多企业的设备质量仍然低劣。

加上近几年来，许多国有企业进行改制，有的企业实行股份制，规模小一点的企业被个人承包或转入民营企业，加之企业经济效益不好，安全投入不足，安全管理相对薄弱。

    综上所述，整个小氮肥行业存在设计不合理、装备条件差、工艺和设备落后、技术水平低、事故隐患较多、安全投入不足等严重问题，加上在整个生产操作过程中，始终存在着高温、高压、易燃、易爆、易中毒等危险因素，上述问题及因素都极易导致火灾和爆炸事故的发生。

另外，小氮肥厂含有可燃性气体较为普遍，而且大多数爆炸下限较低（如H2为4%）、引爆能量较小（如H2只需0.019mJ），加上小氮肥厂目前条件限制，一时难以做到绝对不泄漏，极易发生火灾爆炸事故，例如：

山东博山化肥厂造气炉爆炸造成整个车间塌落；湖南汉寿县氮肥厂合成车间发生火灾爆炸造成3死6伤；陕西西乡县氮肥厂因检修失误致使煤气大量泄漏引起火灾爆炸而造成1死8伤；山东德州化工厂压缩机7段出口管线爆炸造成9死1伤等。

因此，对于小氮肥生产装置而言，如何预防火灾爆炸是小氮肥生产中的一个突出的问题。

    道化学公司火灾、爆炸危险指数评价法（简称道化学法）是分析评价化工生产装置潜在火灾爆炸事故一种比较好的方法，笔者应用道化学法，结合某小氮肥企业的生产特点，对小氮肥生产装置中存在的火灾、爆炸危险性进行了详细的分析与评价，该方法有助于进一步提醒人们对小氮肥生产系统安全生产引起充分重视，加强安全投入与控制，预防火灾爆炸事故发生，同时也可为专业评价人员在评价过程中提供参考。

    1小氮肥生产工艺流程及装置特点

    某小型合成氨厂的合成氨生产是以白煤为原料，在煤气发生炉内燃烧，间隙加入空气和水蒸气，产生半水煤气；再经气柜到脱硫工段，脱除气体中的硫；到变换工段将气体中一氧化碳变换为CO2；经压缩机输送到脱碳与铜洗工段，清除并回收气体中的CO2；以及清除气体中少量有害成份；最后送合成工段，生成合成氨。

其生产工艺流程如图1所示。

    在整个合成氨生产操作过程中，始终存在着高温、高压、易燃、易爆、易中毒等危险因素。

同时，因生产工艺流程长、连续性强，设备长期承受高温和高压，还有内部介质的冲刷、渗透和外部环境的腐蚀等因素影响，各类事故发生率比较高，尤其是火灾、爆炸和重大设备事故经常发生。

    2小氮肥生产中的火灾爆炸因素分析

    2.1造气工段

    造气工段主要制造半水煤气，其主要成分如下：

H2，CO，CO2，N2及极少量的CH4，O2和微量的H2S。

H2，CO、CH4极易爆炸。

在生产过程中，一旦空气进入煤气柜、洗气塔、煤气总管，H2，CO和CH4等与空气混合形成爆炸性混合气体，遇到明火或获得发生爆炸的最小能量，即可发生爆炸。

氧含量是煤气生产过程中一个重要的控制指标，要求控制在0.5%（体积比）以下。

氧含量的增高，意味着火灾、爆炸危险性的增加。

    另外，在进行停车作业检修过程中，对于设备、管道、阀门等，如果没有进行置换或置换不干净，在用火作业前没有进行动火分析，确定的取样分析部位不对而导致分析结果失真，或者进行作业时，没有采取可靠的隔绝措施，导致易燃易爆气体进入动火作业区域，均可导致火灾、爆炸事故。

    2.2脱硫工段

    半水煤气中的H2，CO，CH4和H2S等都是易燃易爆的气体。

在脱硫工段，常因设备或管道泄漏造成火灾、爆炸；也会因操作不慎、设备缺陷等原因，导致罗茨鼓风机抽负压，使得空气进入系统，与半水煤气混合，形成可爆炸性气体，引起爆炸事故。

在生产系统的设备和管道表面，由于H2S气体的作用，常会生成一层疏松的铁的硫化物（FeS与Fe2S），该硫化物遇到空气中的氧，极易引起氧化反应，放出大量的热，很快使自身温度升高并达到其燃点而引起自燃。

同时，在检修时，设备管道敞开后，也常会因其内部表面铁的硫化物和煤焦油与进入的空气迅速发生氧化反应而引起自燃着火的现象。

    2.3变换工段

    变换工段是在一定的温度和压力下进行的，既存在物理爆炸的危险性，又存在化学爆炸的危险性。

在生产过程中，由于设备和管道在制造、检维修中本身存在缺陷或者气体的长期冲刷，设备、管道会因腐蚀等造成壁厚减薄、疲劳，进而产生裂纹等缺陷，如果不能及时发现，及时消除，极易因设备、管道因为承受不了正常工作压力而发生物理爆炸，其后果又可能引发次生火灾及化学爆炸。

    半水煤气转换为变换气后，气体中的H2含量显著增加，高温气体一旦泄漏出来，遇空气易形成爆炸性混合物，遇火或高热很容易引起火灾、爆炸事故；如果设备或生产系统形成负压，空气被吸入与煤气混合，形成爆炸性混合物，在高温、摩擦、静电等作用下，也会引起化学爆炸；如果生产系统半水煤气中氧含量超过工艺指标，会引起过氧爆炸，违章动火，违章检修，也会引起化学爆炸。

    2.4压缩工段

    易燃、易爆气体经压缩机加压后，其压力和温度都得到提高，可燃气体的爆炸范围随温度高、压力大而扩大。

若高压气体泄漏到空间，即使有少量的也容易形成爆炸性混合物，同时高温、高压气体泄漏时，气流冲击产生静电火花，极易引起火灾、爆炸事故。

    2.5脱碳与铜洗工段

    铜洗工段的压力及H2浓度很高。

同时，高、低压连通部位多，容易发生高压串到低压部分，导致发生物理爆炸、化学爆炸和火灾危险。

    2.6合成工段

    在小氮肥生产中，合成工段属于高温、高压工段，且高压、低压并存，这决定了对生产合成氨的设备、管道必须有更高要求。

如果因为材质本身的缺陷，制造质量不过关，维修质量不合格，外界压力超过设备、管道的承受压力，便会发生物理爆炸，同时电会引发化学爆炸。

在高温高压下，H2对碳钢有着较强的渗透能力，形成氢腐蚀，使钢材脱碳而变脆（即氢脆）；N2也会对设备发生渗氮作用，从而减弱其机械性能；材料自身在高温高压下会发生持续的塑性变形，改变其金相组织，从而引起材料强度、延伸等机械性能下降，使材料产生拉伸、起泡、变裂和裂纹而破坏。

氢脆、氮蚀、塑性变形的发生，也可引起爆炸事故的发生。

    合成工段主要使用H2为原料，反应生成了氨。

H2和NH3是易燃易爆气体，而且其爆炸极限在高温高压下将扩大，一旦发生泄漏而与空气混合，极易发生爆炸。

    3火灾、爆炸危险性评价

    3.1道化学法指数评价

    由美国道化学公司提出的“火灾、爆炸危险指数”评价法，是目前国内外在火灾、爆炸危险评价工作中广泛使用的一种评价方法。

该法是根据生产工艺中的物料、数量、设备及操作条件等数据，以量化的方法对装置的工艺单元潜在的火灾爆炸危险性进行分析评价，其分析与计算目的如下：

量化潜在火灾、爆炸和反应性事故的预期损失；确定可能引起事故发生或使事故扩大的装置；将潜在的火灾、爆炸危险性纳入安全管理；使企业管理人员了解各工艺单元可能造成的损失，以确定减少事故损失的有效措施。

其评价程序如图2所示。

    3.2火灾、爆炸危险性评价

    3.2.1评价单元的选取

    根据道化学法，在选取评价单元时一般按以下几个参数进行，即物质系数MF（潜在化学能）、单元中危险物质的数量、资金密度、操作压力和温度、导致火灾爆炸事故的历史资料以及对装置起关键作用的设备。

一般参数值越大，则该工艺单元就越需要进行评价。

由于小氮肥的生产工艺比较长，生产装置复杂，容易发生火灾事故的岗位较多，评价时只选择对装置中极易发生火灾、爆炸危险的主要单元进行评价。

    根据小氮肥生产工艺流程及设备布置情况，按其工艺特点将整个工艺过程划分为煤气发生炉、煤气柜、脱硫、变换、铜洗和合成等6个相对独立的评价单元。

    3.2.2单元固有危险指数的计算

    在所确定的6个被评价单元中，存在火灾、爆炸危险性物质均为煤气，而煤气的主要成份为H2和CO，其物质系数MF及特性如表1所示。

由表1可见，H2和CO的MF均为21，故6个被评价单元的MF都取21。

    对所确定的6个被评价单元，根据道化学法及其取值原则，分别计算各单元的火灾、爆炸危险指数F&EI，并进行分析与评价，结果如表2所示，火灾、爆炸指数F&EI与危险度的关系如表3所示。

    3.2.3单元补偿后危险指数的计算

    上述计算的单元固有危险指数仅是单元中的物质和工艺的固有危险性，并没有考虑任何实际采取的安全措施。

根据道化学法补偿系数的取值原则和企业的实际情况，通过改进监控和操作手段，从工艺控制、物质隔离和防火措施3个方面分别进行补偿计算。

计算安全补偿后各单元的火灾、爆炸危险指数，并进一步进行分析与评价，其结果如表4所示。

    4评价结果及整改对策

    4.1火灾爆炸危险性评价结果

    由道化学法对小氮肥生产中的煤气发生炉、煤气柜、脱硫、变换、铜洗和合成等6个单元的火灾、爆炸指数的计算结果，可以看出：

    1）6个危险性比较大的单元的物质系数MF均为21，说明各单元中物质本身的危险性大，生产过程中应充分重视。

    2）在所评的6个单元中，按其危险度的大小，有如下顺序：

合成＞煤气发生炉＞煤气柜=变换=脱硫＞铜洗。

    3）煤气发生炉和合成单元的火灾、爆炸指数分别为142和168，说明两个单元的固有危险性相当大，符合工艺生产过程的实际现状。

因为煤气发生炉内进行的是剧烈的放热反应过程，合成单元的合成塔的压力高达30MPa，温度达500℃，一旦工艺条件失控，两个单元均有可能发生严重的火灾爆炸事故。

    4）当考虑了安全措施给予适当补偿后，固有危险性指标可降低30%～44%，一旦发生火灾爆炸事故后，其各单元的实际财产损失只有原投资的40%～46%。

说明对于小氮肥生产，只要加大安全投入、适当改善工艺控制及强化安全管理，其生产过程中的火灾爆炸危险可以降低到人们能够接受的程度。

    4.2整改对策

    1）严防物料泄漏。

煤气和液氨都是易燃易爆物料，建议企业根据危险物质的特性制订防泄漏技术措施，有针对性地采取必要的技术措施和管理措施，如采用计划检修、快速堵漏和带压堵漏技术，尽可能消除泄漏，确保设备的稳定运行。

    2）配置安全保护和防火设施。

煤气发生炉和合成单元是小氮肥生产过程中最易发生火灾爆炸的场所，应严格工艺纪律，加强工艺控制，同时建议企业在这一重点防火区域增加易燃易爆、有毒气体浓度监控报警装置，加以预控，以便及时采取相应的措施，防止火灾爆炸事故的发生。

    3）危险作业场所，杜绝各种可能存在的火源。

火源的存在是引起火灾爆炸事故的必要条件，而煤气和合成氨生产装置属甲类防火作业场所，建议企业禁止使用一切非防爆电器设施，同时必须切实落实各项安全生产管理制度，杜绝各种可能的点火源的存在。

    4）采取科学的通风方法，改善通风条件。

小型氮肥厂的通风对预防火灾爆炸事故、改善卫生条件极为重要。

建议对于煤气发生炉和合成单元要以全面机械通风为主，其他单元以自然通风加局部机械通风为主；同时煤气发生炉和合成单元还要装配事故排风装置，在单元发生泄漏大量可燃气体和有毒气体时开始启用，进行强制排风。

另外，排风的吸风口应设置在爆炸性气体散发量最大的区域，排风口要远离发火源。

    5）加大技术改造的力度，满足防火防爆要求。

由于各种原因，小氮肥企业多年固定资产投入不足，导致目前生产工艺装置的技术水平相对落后。

建议企业在有条件的情况下，适度加大技术改造的力度，改进落后的工艺控制手段和设备，提高装置的整体技术水平，为企业的发展创造较为坚实的安全基础。

    6）加强安全管理和安全教育。

加强操作人员的岗位培训和安全教育，完善各项规章制度，并建立完善的事故应急预案，有计划地进行演练。

    5结论

    1）利用美国道化学公司的火灾爆炸危险指数评价方法，从一般工艺危险性、特殊工艺危险性和安全补偿措施等方面对小氮肥生产装置进行了安全分析与评价。

    2）理论分析表明，针对部分补偿系数对装置进行安全改进，是降低装置危险性等级的有效方法，并提出了防止火灾爆炸事故发生的安全对策措施，为小氮肥的安全生产提供了可行的参考依据。

    3）由于在评价过程中只选取正常工作状态和只从硬件方面的危险程度进行校正，只是从宏观上分析评价了火灾爆炸危险性的程度，未从微观上具体找出产生事故的原因。

因此，只能供生产企业在安全生产管理过程中作为参考和评价机构在安全评价过程中作为借鉴。

    4）DOW法存在一定的局限性，对于危险性比较大的煤气发生炉和合成单元，还需通过其他方法进一步进行具体的辨识危险和分析评价，以便企业在安全管理过程中有针对性地采取措施，确保生产过程安全。