天然氣制二硫化碳的安全設計

馮金煜，顏廷燕

（1.北京華福工程有限公司天津分公司，天津 300384；2.天津市化工設計院，天津 300193）

二硫化碳是一種低閃點易燃液體[1]，它廣泛應用于人造纖維、玻璃紙、農藥、四氯化碳、橡膠、冶金選礦、石油煉制及軍工等生產企業(yè)[2]。隨著我國化學、冶金等工業(yè)的迅速發(fā)展，二硫化碳的用途越來越廣泛，為此我國的二硫化碳生產也在不斷發(fā)展。

1 二硫化碳的性質與主要生產工藝

1.1 二硫化碳的性質[1]

純的二硫化碳是一種無色透明液體，有類似氯仿的芳香甜味，但是通常不純的工業(yè)品因為混有其他硫化物而變?yōu)槲ⅫS色，并且有令人不愉快的爛蘿卜味。

二硫化碳極易燃燒、爆炸，其閃點-30℃，自燃點90℃，爆炸極限1.0%～60%，其蒸氣能與空氣形成范圍廣闊的爆炸性混合物。接觸熱、火星、火焰或氧化劑易燃燒爆炸，與鋁、鋅、鉀、氟、氯、迭氮化物等反應劇烈，有燃燒爆炸危險，受熱分解產生有毒的硫化物煙氣。高速沖擊、流動、激蕩后可因產生靜電火花放電引起燃燒爆炸。其蒸氣比空氣重，能在較低處擴散到相當遠的地方，遇明火會引著回燃。

1.2 主要生產工藝

二硫化碳可用硫磺與木炭、焦炭、石油焦、廢塑料、廢橡膠等進行氣固相反應來制取，也可以用硫磺和甲烷、丙烯、石油氣、硫化氫、二氧化硫、二氧化碳、氧硫化碳等氣體進行氣相反應來獲得。我國目前工業(yè)生產二氧化硫，主要是用木炭硫磺法和天然氣硫磺法兩種方法。

木炭硫磺法是以木炭、硫磺為原料，在反應釜內用煤或電加熱到830～920℃的高溫下進行化學反應，所得到二硫化碳氣體經過除硫、冷卻、精餾等工序得到液體二硫化碳。這種方法工藝簡單易行，但是生產規(guī)模小、效率低，工人勞動強度大，生產過程中不僅要消耗大量的木材，并且還產生有毒有害氣體、污水、廢渣，造成環(huán)境污染嚴重。

而以天然氣為原料代替木炭生產二硫化碳，即天然氣硫磺法是目前國內外首選的先進的生產路線，它與木炭法相比，不僅具有流程緊湊、結構和操作簡單、可連續(xù)自控生產的優(yōu)點，還可減少維修時間、提高產量、降低產品成本，具有重大的經濟、社會效益。結合本人參與的二硫化碳項目，現將天然氣制二硫化碳的生產工藝簡述如下。

1.2.1 液硫制備

固體硫送入熔硫槽，槽內盤管加熱熔融后，用液下泵送至液硫過濾器過濾后與硫冷凝回收器和克勞斯系統回收來的液硫沉清槽，一并送至液硫，再通過計量泵加壓送去反應工段的加熱爐，并氣化過熱。

1.2.2 天然氣凈化

從天然氣配氣站來的天然氣先經天然氣壓縮機壓縮，再經PSA變壓吸附脫出其中的CO2和C3以上雜質后，凈化氣去反應工段作原料氣，脫附出來的部分天然氣與部分PSA前的天然氣合并去反應工段加熱爐作燃料氣。

1.2.3 二硫化碳制備及其精餾

從液硫沉清槽經計量泵打出和按比例計量的原料天然氣一起送入加熱爐的爐管中進行預熱。用天然氣加熱硫氣化過熱，反應爐溫度670～720℃，爐管內的系統壓力保持0.40MPa，天然氣與硫蒸氣開始反應，從反應爐出來的反應產物進入絕熱反應器繼續(xù)完成反應。為保證反應完全，硫加入量一般控制過量5%～10%，使絕熱反應器中吸熱和放熱反應的溫度達到平衡。

絕熱反應器出來的反應產物進入硫冷凝器冷凝下來未反應的硫，再進入捕硫捕碳器捕集冷凝下來的硫，從捕硫捕碳器出來的反應氣體經二硫化碳冷凝器，二硫化碳閃蒸器，二硫化碳經冷凝器冷凝成液體二硫化碳，液體二硫化碳經脫硫塔，經精餾為精制品二硫化碳進入成品貯罐，純度可達到國家優(yōu)級品標準。

分離出的硫化氫氣體正常情況下，經熱交換器加熱至室溫后，直接可用于生產甲硫醇的原料或經克勞斯工藝回收硫。

2 二硫化碳生產的危險危害性分析

2.1 主要危險、有害物質分析

天然氣制二硫化碳生產過程中，主要涉及到的危險有害物質是：硫磺、天然氣、硫化氫、二硫化碳等。

2.2 工藝過程危險因素分析

天然氣制二硫化碳生產過程中存在的危險因素有火災、爆炸、機械傷害、高處墜落、灼燙等。主要有害因素有中毒、灼傷、噪聲等。主要設備危險因素有反應爐等泄漏發(fā)生火災爆炸。在儲存與運輸過程中存在的主要危險因素有火災、爆炸、車輛傷害等。

火災危害：天然氣制二硫化碳生產中所處理的原材料、成品、半成品均具有易燃易爆性（主要有天然氣、硫化氫、二硫化碳），如果設備密封不好，操作不當，在系統氧含量超標或發(fā)生泄漏等意外的情況下，有火災爆炸的危險。

高溫：二硫化碳裝置的反應爐爐溫達到1000℃，設備表面散熱面積較大，如有易燃物質與設備接觸，極易被烤燃。在密閉容器中，高溫可燃氣體一旦混入空氣，使氧含量增加，極易在設備、管道內發(fā)生爆炸。

火源的產生：常見的主要有明火、高溫物體、電氣及靜電所產生的火花等。系統中的原料氣以及硫化氫都是易燃易爆氣體，遇高熱或明火均有可能發(fā)生爆炸事故。

毒性危害：二硫化碳是損害神經和血管的毒物，硫化氫是強烈的神經毒物，對粘膜有強烈刺激作用，一旦泄漏，對人體有極大的傷害作用。有毒物質的泄漏、飛濺均會對人造成不同程度的毒害。若儲罐、管道密封損壞以及腐蝕泄露，將會造成作業(yè)環(huán)境有毒有害物質濃度增加，若通風不良或未設置防護器材將會引起人員中毒。生產檢修中，未按要求對設備進行清洗置換，或防護措施不到位，也會引起人員中毒。

3 二硫化碳生產中采用的安全設計[3]

整個項目選址位于西南地區(qū)，天然氣資源豐富，可以確保企業(yè)生產用氣，降低成本。根據生產要求及相關規(guī)范規(guī)定，按功能分區(qū)的原則，進行總體布置，其特點如下。

3.1 二硫化碳裝置危險類別為甲類，按防火、防爆要求設計，廠房設計成開敞式，保證車間有良好的通風和采光，防止易燃易爆及有毒氣體聚集。

3.2 生產區(qū)應與辦公區(qū)、輔助生產區(qū)、生活區(qū)隔離布置。在生產區(qū)內不應設置非生產用房，不應建員工宿舍。總圖中人員集中區(qū)域位于全年最大頻率風向的下風向。

3.3 二硫化碳儲罐區(qū)與生產區(qū)分開布置，罐區(qū)應設防火堤，防火堤內容積應大于儲罐容量。二硫化碳密度比水大又不溶于水，故二硫化碳儲罐和防火堤內都設有水封措施，保證二硫化碳發(fā)生泄漏，不會散發(fā)到大氣中。

3.4 生產、儲存使用二硫化碳的設備、管路應嚴密不漏，并定期檢查系統的強度和腐蝕情況，同時應設有放空管或排放筒，以便在發(fā)生事故時能安全排放。

3.5 管道排放點不應直接排入下水道及大氣中，應排入封閉系統中。硫化氫的取樣需設置密閉取樣系統，防止硫化氫泄露。

3.6 在二硫化碳、硫化氫、天然氣等可燃氣體散發(fā)的車間內，設備電機和照明燈應選用防爆型，并有靜電接地措施；輸送二硫化碳管道的流速不應超過3m/s，以免因摩擦產生靜電導致起火和爆炸。

3.7 二硫化碳裝置的反應爐爐溫達到1000℃，設備、管道、儀表應采取高溫保護措施。

4 二硫化碳生產的設計體會

由于本設計生產的介質均為易燃易爆介質，生產設計較為特殊，現總結幾點設計中需特殊注意的問題。

4.1 本項目在有毒有害氣體散發(fā)的車間和崗位，設置濃度自動監(jiān)測報警裝置（如硫化氫檢測儀），并與事故通風設施聯鎖，保證車間內的有毒氣體控制在規(guī)范允許的范圍內。

4.2 二硫化碳及硫化氫管道與管道連接采用焊接[4]，管道墊片采用金屬纏繞墊片及高強度螺栓。管道、管件、閥門及管道附件的設計壓力為2.5MPa，法蘭密封面均為凹凸面。

4.3 二硫化碳產品罐區(qū)宜布置在便于產品運輸的道路邊，且盡量遠離人流區(qū)；二硫化碳裝車區(qū)，設置了罩棚和夏季水噴淋設施。空置二硫化碳容器時，必須經過放空、清洗、用蒸氣吹蒸48h后，再用蒸氣置換，直至容器內低于爆炸極限的十分之一后，才能置放于空間或焊接檢修。

4.4 在二硫化碳生產裝置的入口處，應設人體導除靜電裝置。

4.5 由于本項目生產過程中涉及的物料大部分為易燃、易爆、有毒、有腐蝕、有異味的物質，設計、操作中應嚴格控制跑、冒、滴、漏現象的發(fā)生，一旦發(fā)生泄漏，一定要按照事故處理應急預案，及時對操作人員進行救治，保證消防設施的安全有效，將事故控制在一定的范圍。

[1]周國泰.危險化學品安全技術全書[M].北京:化學工業(yè)出版社，1997.

[2]劉維昕.二硫化碳國內外工藝技術概況[J].遼寧化工，2002，31(2)：78—79.

[3]張德姜，修長征，等.全國壓力管道設計審批人員培訓教材[M].北京:中國石化出版社，2005.

[4]中華人民共和國原化學工業(yè)部.工業(yè)金屬管道設計規(guī)范[M].北京:中國計劃出版社，2008.