空分設備是石化、冶金等行業(yè)重要的生產(chǎn)裝置之一，由于其特殊的結構和介質(zhì)的理化性質(zhì)，發(fā)生爆炸的危險性較大。近年來，因空分設備制造缺陷和管理不善等原因，已發(fā)生多起空分設備的爆炸事故，據(jù)不完全統(tǒng)計，全國共發(fā)生小型空分設備的爆炸事故100多起，大中型空分設備事故30多起，特別是空分主冷凝蒸發(fā)器中烴類物質(zhì)超標引起的爆炸是近幾年來事故頻發(fā)的主要原因，不僅影響了生產(chǎn)裝置的平穩(wěn)運行，而且給企業(yè)和國家造成重大的經(jīng)濟損失。以下從我們裝置的實際運行經(jīng)驗出發(fā)，淺談空分裝置主冷蒸發(fā)器發(fā)生爆炸的機理和防爆措施。
1 空分化學性爆炸機理
1．1 主冷凝蒸發(fā)器爆炸機理
空分塔的爆炸原因很多，也比較復雜， 但基本可分為物理性爆炸和化學性爆炸。從 大多數(shù)爆炸的實例分析來看，化學性爆炸是 主要的。形成化學性爆炸的主要因素有三個 方面：一是可燃物，二是助燃物，三是引爆 源。在空分設備主冷凝蒸發(fā)器中，可燃物主 要是乙炔、碳氫化合物或油分等爆炸危險雜 質(zhì)；助燃物為氣氧、液氧；引爆源主要有： (1)爆炸性雜質(zhì)固體微粒相互摩擦或與器壁 摩擦；(2)靜電放電。當液氧中含有少量冰 粒、固體二氧化碳時，會產(chǎn)生靜電荷，如果 二氧化碳的含量提高到200~300×10-4％， 所產(chǎn)生的靜電位可達到3000V；(3)氣波沖 擊、流體沖擊或汽蝕現(xiàn)象引起的壓力脈沖， 造成局部壓力高而使溫度升高；(4)化學活 性特別強的物質(zhì)(臭氧、氮的氧化物等)存 在，使液氧中可燃物質(zhì)混合物的爆炸敏感性 增大。
1．2 爆炸源形成條件
空氣中除氧氣、氮氣外，還會有少量的 水蒸氣、二氧化碳、乙炔和其它碳氫化合物 等氣體以及少量的灰塵等固體物質(zhì)，國內(nèi)大 中型分子篩凈化流程清除空氣中水分、二氧 化碳和乙炔等雜質(zhì)的方法多采用吸附法，即 利用分子篩或硅膠等作吸附劑把空氣(液 空、液氧)中所含的水分、二氧化碳和乙炔 等雜質(zhì)分離出來，濃縮在吸附劑表面上，加 溫再生時進行脫除，從而達到凈化的目的。
但由于化工裝置比較集中，如果裝置泄 漏量過高或烴類產(chǎn)品直接放空，就會造成空 分設備吸人口的碳氫化合物含量超標，對分 子篩流程空分裝置，13X分子篩具有孔徑相 近的極性分子吸附性強的特點，水分、二氧 化碳和乙炔基本上可以在分子篩吸附器中脫 除，其它烴如甲烷、乙烷絕大部分隨空氣進 入空分塔中，這些物質(zhì)大部分溶解在液體 中，少量隨氧氣的蒸發(fā)帶走。當液體中烴的 濃度不斷增加，并超過其溶解度時，就會以 固體形式析出并聚集，在一定條件下與氧混 合形成爆炸源，當引爆因素存在時就會發(fā)生化學性爆炸。
大量事實證明，液氧中乙炔的爆炸敏感 性最高。因為乙炔在空氣中的分壓很低，即 使將空氣冷卻至-173℃，乙炔也不會以固 態(tài)形式析出，它將隨空氣帶人空分塔內(nèi)，而 乙炔在液空中的溶解度較大，約為20cm3／dm3。因此一般不會在液空中析出，而隨液 空進入上塔，乙炔在液氧中的溶解度極低， 約為5．2cm3／dm3。當液氧在主冷凝蒸發(fā)器中 蒸發(fā)時，隨氣氧帶的乙炔量僅為液氧中乙炔 總量的1／24左右，這樣隨著液氧的蒸發(fā)， 液氧中乙炔濃度就不斷增高，當乙炔超其溶 解度時，過剩的乙炔就會以白色固體微粒懸 浮在液氧中，而乙炔又是不飽和的碳氫化合 物，具有很高的化學活潑性，性質(zhì)極不穩(wěn) 定，這些固體乙炔或其它碳氫化合物顆粒與 塔壁及通道壁發(fā)生摩擦或液氧沸騰產(chǎn)生壓力 脈沖，以及臭氧與氮氧化物的促進作用所產(chǎn) 生的能量都將可能使空分塔致爆。但在實際 生產(chǎn)中有時液氧中乙炔及其它碳氫化合物并 不超標而發(fā)生爆炸，這主要是由于冷凝蒸發(fā) 器的結構不合理，存在某些制造缺陷若因某 些通道堵塞和操作不當，造成液氧的局部流 動性不好，產(chǎn)生乙炔局部濃縮而發(fā)生爆炸。
其它不飽和碳氫化合物也能發(fā)生爆炸分 解反應，雖然它們在液氧中的溶解度比乙炔 高，但由于吸附器對這些碳氫化合物的吸附 能力極小，因此也有在液氧中積聚而構成爆 炸的可能。大量研究表明，碳氫化合物由于 各組分在液氧中的溶解度及化學活性不同， 其爆炸敏感性也不同，爆炸敏感性按以下順序遞增：甲烷→乙烷→丁烷→乙烯→丙烯→丁烯→乙炔，可見乙炔的敏感性最高。
2 空分防爆措施
由于空分裝置在運行過程中存在著諸多 不安全因素和危險性，為確保空分裝置的安 全運行，降低烴類物質(zhì)進入液氧中的可能 性，加強監(jiān)控手段，我們堅持實行“六關” 管理。
2．1 抓住空氣來源關
空分裝置的原料就是大氣，大氣質(zhì)量的 好壞直接關系著主冷液氧中烴類的變化。我 廠空分裝置所處地理位置不好，被三個化工 裝置包圍，空氣質(zhì)量較差，尤其是刮北風時 能明顯聞到一股有機物氣味，通過液氧的離 線、在線分析也可以發(fā)現(xiàn)烴類物質(zhì)的上升趨 勢。為此我們采取的措施是：
(1)建立了大氣質(zhì)量監(jiān)測，每周分析一 次；
(2)設立了風向標，隨時掌握四季風向 的變化，遇到刮北風時，我們加強監(jiān)護，及 時排放液氧；
(3)由總廠調(diào)度室制定了《周邊裝置緊 急排放聯(lián)系制度》，如有其它裝置不正常排 放，及時通知調(diào)度，調(diào)度再通知車間，加強 液氧分析監(jiān)護；
(4)對相鄰的環(huán)氧裝置富含烴類物質(zhì)的 循環(huán)氣排放口進行移位，由原來的100米移 到165米處。
2．2 把住空氣壓縮關
從空分裝置的流程來看，進入分餾塔系 統(tǒng)的空氣來源于空壓機系統(tǒng)，在此過程中就 不可避免的存在潤滑脂，這些油脂是非常危 險的，因為液氧中的油脂能附著在主冷的翅 片上形成油膜，當油膜達一定厚度時，它將 與不飽和烴、氮氧化物和氧氣的混合物在低 溫下起化學反應生成靈敏度較大的可燃物， 這些可燃物一旦遇火源就會發(fā)生爆炸。另外 空氣中的灰塵等雜質(zhì)被帶人分餾塔中也是危 險的，一是它可以在板式換熱器中堵塞；二 是進入分餾塔中的固體懸浮在液氧液面上， 摩擦產(chǎn)生靜電打火，這就形成了引火源。為 了避免這些物質(zhì)的進入，我們采取以下措 施：
(1)在空氣吸人口增加了卷簾過濾器和 干袋式過濾器，濾掉雜質(zhì)和灰塵，確?？諝?干凈；
(2)空壓機軸封采用石墨環(huán)密封無油潤 滑，確?？諌簷C出口空氣不帶油；
(3)空壓機設置了自保聯(lián)鎖和在線振動 監(jiān)測系統(tǒng)，可以隨時記錄第一觸發(fā)聯(lián)鎖點， 確保空壓機的正常運行，防止因頻繁開停機 而將油脂或雜質(zhì)帶人系統(tǒng)。
2．3 加強空氣凈化關
壓縮后送來的無油、干凈的空氣中含有 大量水、乙炔、甲烷、二氧化碳、乙烷、乙 烯、丙烯、碳四等物質(zhì)，這些物質(zhì)在凈化過 程中要盡量脫除：水分和二氧化碳帶人冷箱 就會造成凍堵；不飽和烴在分子篩中能大部 分被吸附，飽和烴不易被吸附就會帶人分餾 塔內(nèi)，為了使這些物質(zhì)降低到最低程序，我 們采取了如下措施：
(1)水洗塔設置了高、低液位聯(lián)鎖，防 止在除沫器損壞或空壓機異常的情況下，水 洗塔的液位失控而使空氣中帶水；
(2)由于在水洗塔中循環(huán)直接與空氣接 觸，它不但降低了壓縮空氣的溫度，而且通 過洗滌可清除掉空氣中的酸性物質(zhì)，這樣若 循環(huán)水中存在油類或烴類物質(zhì)，則會將這些 物質(zhì)帶人系統(tǒng)，為此我們對循環(huán)水質(zhì)每8小 時分析一次，確保外界雜質(zhì)無法進入系統(tǒng)。 同時為了防止在總廠的循環(huán)水場出現(xiàn)問題時 影響空分裝置的正常運行，我們又增設了獨 立的循環(huán)水場，專供水洗塔使用。
(3)增設了一臺制冷機組，確?？諝獬?塔溫度由原來的25℃下降到12℃以下，這 樣使空氣中含水量大大下降，有效地提高了 分子篩對烴類和二氧化碳的吸附能力，出分 子篩的空氣中二氧化碳含量基本趨向于零。
(4)根據(jù)我們所處環(huán)境的實際情況，對 分子篩吸附器內(nèi)13X分子篩和氧化鋁的裝 填量進行調(diào)整，在確保露點≤-70℃的情況 下，適當減少氧化鋁量，這樣通過增加分子 篩裝填量提高了對烴類及二氧化碳的吸附能 力，最大限度地減少烴類及二氧化碳帶人分 餾塔中；
(5)分子篩出口設置了二氧化碳在線檢 測儀，隨時檢測空氣中二氧化碳的變化情 況，防止因二氧化碳超標引起設備凍堵。離 線通過對出分子篩的空氣露點分析，確保水 含量不超標。
2．4 強化深冷分離關
空分裝置的最危險點是分餾塔部分，由 于分子篩對飽和烴基本不吸附，這樣烴類物 質(zhì)就會帶人餾塔中，對安全生產(chǎn)造成極大的 威脅，為了確保主冷的安全運行，我們采取 了以下措施：
(1)主冷凝蒸發(fā)器結構設計為防爆型， 特殊結構防止烴類析出堆積在翅片的某些部 位上，使局部烴類超高。目前，各國通過對 主冷爆炸的研究，一致認為由于空分主冷凝 蒸發(fā)器中液氧的不斷沸騰、蒸發(fā)，使可燃物 在此濃縮積聚，且摩擦沖擊最強烈，所以容 易在主冷中形成爆炸中心，通過采用新型防 爆結構，可最大限度地降低其爆炸的可能；
(2)主冷板式單元采用全浸式操作，防 止烴類析出發(fā)生危險；
(3)增設了1％液氧連續(xù)排放，使主冷 液氧始終保持部分更新，防止烴類積聚增 濃；
(4)增大液氧吸附器的能力，增加其脫 炔和脫極性有機物的能力，并定期按規(guī)程進 行再生；
(5)設立了在線分析儀，分別對主冷液 氧中甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烯、丙 烷、碳四和總烴八個組分進行檢測，各檢測 數(shù)據(jù)每9分鐘循環(huán)一次，可隨時監(jiān)測液氧中 烴類的變化；另外離線有直接法和濃縮法兩 種形式的色譜分析，做到每8小時分析一 次。通過在線法、離線直接法、離線濃縮法 三種分析方法對比，更準確地掌握液氧中的烴類動態(tài)，確保裝置安全運行。
2．5 樹立產(chǎn)品貯存、輸送安全關
空分裝置不但生產(chǎn)過程中存在不安全因 素，其氣、液產(chǎn)品的貯存、輸送也尤為重 要，因為氧氣與可燃氣體能形成爆炸危險的 爆鳴性氣體，一旦達到了引燃引爆所需的能 量，就會發(fā)生激烈的、威力巨大的爆炸。當 壓力高于29．4×105h的氧氣直接與油脂接 觸時，就會發(fā)生激烈的氧化反應，并放出大 量的熱，由于化學反應速度極快，因而很快 就能達到油脂的燃點而使油脂迅速燃燒，如 果燃燒發(fā)生在管道、容器中，其溫度會急劇 升高，壓力可增加10倍，勢必造成爆炸。 而氮氣濃度高時易使人窒息，也是十分危險 的?；て髽I(yè)中氧氣、氮氣又直接與下游裝 置的烴類物質(zhì)接觸，一旦失控則有可能造成 反竄，其后果也是十分危險的，去年年底寧 夏某化肥廠的空分爆炸事故在這方面也為我 們敲響了警鐘。為此我們采取了以下措施：
(1)對活塞式氧壓機的密封及刮油系統(tǒng) 定期進行檢驗，確保無油、無泄漏；
(2)氧氣用戶增設了停車嚴密聯(lián)鎖系 統(tǒng)，通過三個快速切斷閥防止因氧壓機停車 而造成烴類氣體的反竄；
(3)氮氣送出管線上設有單向閥和聯(lián)鎖 快速切斷閥；
(4)對液氧貯槽中的烴類物質(zhì)堅持每天 分析一次，發(fā)現(xiàn)超標現(xiàn)象及時進行排放；
(5)高壓氧氣送出閥增設小旁路，避免 因壓差過大使流速過快而發(fā)生危險。
2．6 深化人員培訓關
隨著空分安全技術的不斷完善，管理問 題顯得極為重要，只有全面提高操作人員的 素質(zhì)，不斷完善各種管理制度，才能適應裝 置變化的需求。為此我們采取了以下措施：
(1)隨著裝置運行條件的變化定期修改 《操作規(guī)程》，使操作有章可循；
(2)組織編寫了空分裝置技術培訓大 綱，定期對人員進行培訓；
(3)操作人員不但要通過裝置的上崗考 核，還必須通過當?shù)貏趧硬块T簽訂的特殊工 種合格證方能上崗操作；
(4)堅持每周一次的事故演練，使操作 人員對空分裝置存在的各種危險因素牢記在心。
綜上所述，空分裝置特別是主冷凝蒸發(fā) 器防爆是裝置安全生產(chǎn)的頭等大事，我們要 給予高度重視。針對空分裝置主冷凝蒸發(fā)器 防爆，我們首先要求采取技術措施，控制好 液氧中碳氫化合物含量，確保各項指標在所 要求的控制范圍內(nèi)；其次是加強對引爆源的 控制和增加監(jiān)測措施，同時加強管理，堵塞 漏洞，這樣基本上可消除空分爆炸事故的發(fā)生。
