天然二氧化碳提純工藝中氨危險性分析

摘要：文章以天然二氧化碳提純工藝中氨介質為研究對象，以某車間為例，對工藝中涉氨單元進行危險性和可操作性分析，并對氨儲罐進行危險物質爆炸和中毒模型安全評價，為企業制定安全防范措施和有效監管提供科學性依據。

關鍵詞：天然二氧化碳；提純工藝；氨危險性；氨儲罐；危險物質爆炸；中毒模型安全評價 文獻標識碼：A

中圖分類號：TQ441 文章編號：1009-2374（2016）09-0068-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.09.032

液氨由于其良好的熱力學性能，作為制冷劑被廣泛用于制冷系統。近幾年，氨泄漏導致的事故頻發，氨列為重點監管的危險化學品，對氨的危險性分析和安全對策研究具有重要的意義。

1 氨的特性及危險性分析

1.1 氨的特性

氨屬于第2.3類有毒氣體，危規號：23003，CAS號：7664-41-7，是無色有刺激性惡臭的氣體。液氨為液化狀態的氨氣，是一種無色液體，具有腐蝕性且容易揮發。

1.2 危險性分析

與空氣混合形成爆炸性混合物，遇明火、高熱能引起爆炸。與氟、氯等接觸會發生劇烈的化學反應。遇高熱，容器內壓增大，有開裂和爆炸的危險。禁忌物：鹵素、酰基氯、酸類、氯仿、強氧化劑。人體吸入氨氣后，可引起急性中毒，低濃度皮膚接觸對黏膜有刺激作用，高濃度可造成組織溶解壞死。

2 二氧化碳提純工藝中主要涉氨設備危險性和可操作性分析

2.1 氨在系統中的分布

在天然二氧化碳提純工藝中，氨主要分布于蒸餾塔再沸器、冷凝器、貯氨罐、氨螺桿壓縮機組等設備中，在生產、儲存和設備檢修過程中，涉氨設備、管道或儲罐及其閥門的意外爆破將導致氨氣大量泄漏，引起火災爆炸和中毒事故。

2.2 危險和可操作性分析

以車間蒸餾塔再沸器為例，塔底再沸器熱源的冷凍機組壓縮出來的氣氨發生泄漏，有可能造成人員中毒。本系統操作過程全系統壓力為：4.0～4.4MPa，如果沒有控制好操作壓力，可能造成系統超壓，造成設備物理爆炸。在再沸器內二氧化碳被加熱汽化，如果溫度控制不好，超溫會引起系統壓力超高，同樣有可能引起設備物理爆炸，以上爆炸會造成加熱物料氣氨發生泄漏，引發中毒、火災、爆炸事故。

流程概述：二氧化碳經減壓至工作壓力送至蒸餾塔再沸器的殼程，再沸器殼程中的二氧化碳被管程高溫的氨加熱汽化而沸騰，送至蒸餾塔分離油氣；再沸器殼程中高沸點的油、水由底部進入二氧化碳汽化器。

例：要素（壓力），引導詞（高）。可能原因1：儀表錯誤，后果：無法正常指示，造成操作失誤，管線或后續生產設備超壓爆炸，現有安全措施：DCS控制系統上殼程出口管線現場設計了壓力表；再沸器E301的殼程現場設計了安全閥。可能原因2：上游來的CO2壓力較高，后果：發生管線或后續生產設備超壓爆炸，現有安全措施：原料管線上設計有壓力表，再沸器的殼程現場設計了安全閥。可能原因3：加熱汽化用的氨溫度較高，后果：發生管線超壓爆炸，現有安全措施：DCS控制系統上殼程出口管線現場設計了壓力表，DCS控制系統上用來加熱的氨氣管線設計了溫度計，再沸器的殼程現場設計了安全閥。可能原因4：安全閥失效，不能正常起跳（憋壓），后果：設備超壓爆炸，現有安全措施：DCS控制系統上殼程出口管線現場設計了壓力表。

以上為例再分別對要素溫度、流量進行分析。分析結論：通過對蒸餾塔再沸器單元危險和可操作性分析，蒸餾塔再沸器設置了防止超壓、溫度監測等安全措施，目前能夠滿足安全操作要求。

3 液氨儲罐危險性分析

以某車間液氨儲罐為例，數量1，型號6.2m3，最大貯存量為3280kg，屬于中壓二類壓力容器，爆炸分為儲罐本身的物理爆炸和化學爆炸。

引起物理性爆炸的危險有害因素為：安全裝置不齊、裝設不當或失靈；液氨儲罐由于溫度升高而超壓；液氨儲罐超裝；內外介質腐蝕造成壁厚減薄等。引起火災、化學性爆炸的危險有害因素為：液氨儲罐、法蘭、閥門、管道以及充裝液氨時泄漏，氨氣與空氣混合達到爆炸極限時，遇到明火、靜電火花等火源。氨氣中毒危險有害因素為：液氨儲罐及附件爆炸、泄漏，空氣中氨氣濃度超過安全閾值，人員進入液氨儲罐進行檢修時，內部氨氣濃度沒有達到安全范圍，也會引起中毒事故發生。

4 氨氣中毒事故后果模擬分析

4.1 對人員危害程度的決定因素分析

氨一旦泄漏，有可能對人體會造成一定傷害。對作業人員的危害取決于氨的性質、濃度和人員接觸的時間等因素。氨泄漏初期，其形成氣團密集在泄漏源周圍，隨后由于環境溫度、地形、風力和湍流等影響氣團飄移、擴散，擴散范圍變大，濃度減小。在后果分析中，往往不考慮氨氣泄漏的初期情況，即工廠范圍內的現場情況，主要計算氨氣團在空氣中飄移、擴散的范圍、濃度、接觸氨氣的人數等。

4.2 有毒氣體擴散毒害半徑計算

液化介質在容器破裂時會發生蒸汽爆炸。當液化介質為液氨，爆炸后如不燃燒，便會造成大面積的毒害區域。

已知液氨參數：比熱C=4.6kJkg-1℃-1，容器破裂前器內介質溫度t=30℃，介質標準沸點t0=-33℃，介質分子量M=17，氣化熱q=1.37×103kJkg-1，W為介質質量，則液氨在沸點下蒸發蒸氣的體積Vg（m3）為：

車間液氨貯氨器體積為6.2m3，最大貯存量為3280kg。代如數據計算為：Vg6.2m3=841.98（m3）。

按有毒氣體的危險濃度，當氨氣在空氣中的濃度（C）達到0.5%時，人吸入5～10min即致死，若其擴散以半球形向地面擴散，則擴散半徑為：

代入數據計算為：R6.2m3=43.16（m）。

綜上所述，液氨貯氨器爆炸后如不燃燒，便會造成大面積的毒害區域。車間氨儲罐有毒氣體擴散毒害半徑為43.16m。

4.3 分析結論

根據毒害半徑的計算，當車間氨儲罐發生氨氣泄漏時，有毒氣體擴散毒害半徑為43.16m，在此范圍內的人員必須全部撤離。同時，在此范圍內的搶險人員必須佩戴正壓式空氣呼吸器等個人防護用品。

5 液氨儲罐爆炸事故后果模擬分析

5.1 爆炸能量E

E=[（H1-H2）-（S1-S2）T1]×W。式中參數H1、S1分別為爆炸前飽和液體的焓和熵，H2、S2分別為大氣壓下飽和液體的焓和熵，T1為介質大氣壓下的沸點，W為飽和液體的質量。

查表可知：H1=639.01kJ/kg·K；H2=364.76kJ/kg·K；

S1=2.4786kJ/kg·K；S2=1.4775kJ/kg·K，

T1=273.15-33.5=239.65K。

以車間氨儲罐為例：W=3280（kg），則E6.2m3=[274.25-239.91]×3280=112635.2（kJ）。

5.2 TNT當量q

q6.2m3=E/4500=112635.2/4500=25.03

5.3 爆炸模擬比a

a6.2m3=0.1q6.2m31/3=0.1×25.031/3=0.293

5.4 計算爆炸沖擊波對人體和建筑物的破壞作用

Δp為0.02時，R0=56m，R6.2m3=R0×a6.2m3=56×0.293=16.41（m），即車間儲罐爆炸時，16.41m范圍內人的危害程度為輕微損傷，對建筑物的危害程度為墻裂縫；以此類推，12.45m范圍內，人的聽覺器官損傷或骨折，建筑物墻體裂縫，屋瓦掉下；9.52m范圍內人內臟嚴重損傷或死亡，建筑物房架松動甚至磚墻倒塌；6.65m范圍內大部分人員死亡的范圍內，建筑物防震鋼筋混凝土破壞，小房屋倒塌。

6 主要安全預防措施

液氨的泄漏將會導致火災、爆炸、中毒事件發生，因此杜絕一切可能的泄漏源和明火是防止事故的關鍵，應考慮以下主要預防措施：

儲罐物理爆炸預防控制措施：儲罐防腐、安全閥失效控制、儲罐環境溫度控制、壓力表的選擇與保養等。

儲罐火災、化學爆炸預防控制措施：采用防爆設計、設置氣體檢測器、管道和設備的選材必須耐腐蝕等。

應急要求：設置風向標、設置氨氣濃度報警裝置及風機連鎖、防爆型電動機及燈具的選擇、應急設備等。

靜電接地要求：氨壓縮機房內的管道各種金屬管做等電位聯結，建議對氨螺桿壓縮機組及氨儲罐、蒸發式冷凝器和氨液分離器等制冷輔助設備做等電位聯結。

加氨過程安全要求：加氨量應滿足系統的設計要求，嚴格控制裝氨量，避免過量充裝；加氨前應對制冷系統抽真空；向系統充氨時，應采用耐壓3.0MPa以上的連接件，與其相接的管頭須有防滑溝槽；加氨時嚴禁加熱，夏季加氨時防止氨瓶暴曬，引起內部壓力升高。

其他要求：如DCS控制室應與機器間隔開；作業現場應配備洗眼器和淋浴噴淋裝備；人員的培訓、取證；重大危險源管理等。

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作者簡介：李文俊（1982-），男，江蘇泰州人，江蘇華揚液碳有限責任公司助理工程師，研究方向：安全管理。

（責任編輯：蔣建華）