保護氣體站為非爆炸性氣體危險環境的說明

紀峰(河南省正大工業工程技術有限公司， 河南 鄭州 450002)

保護氣體站為非爆炸性氣體危險環境的說明

紀峰(河南省正大工業工程技術有限公司， 河南 鄭州 450002)

筆者在一個熱鍍鋁鋅硅鋼板材項目的安全評價工作中，部分專家對其保護氣體站是否需要采用防爆措施存在一些爭議，本文通過相關規范的符合性分析、計算，對保護氣體站不屬于爆炸危險區進行說明。

保護氣體站；非爆炸性氣體危險環境；說明

1 概況

大多數熱鍍鋁鋅硅鋼板材項目保護氣體站布置于生產廠房附房內，且附房基本長36m，寬6m，高5m，與廠房之間要求采用實體防火墻隔開，上部采用混凝土預制板和輕質屋面板。在附房的向外側墻壁設置3臺22kW的軸流風機，每臺通風量14000m3/h。

保護氣體站內布置2臺氨分解爐，平均分解能力為90Nm3/h。爐內采用電加熱輻射盤管，溫度為800～850℃。

2 氨分解和制氮工藝

2.1 市工藝流程圖

圖1 氨分解工藝流程簡圖

2.2 工藝流程概述

(1)制氮工藝。首先空氣經空壓機壓縮后，出口壓力為0.8MPa，出口溫度≤45℃，含油量≤5ppm。壓縮空氣先進入C級過濾器初步過濾(除去大部分油、水、塵埃后使含油量≤1.0ppm，含塵量≤1μm)，再進入冷凍式干燥機除水(使壓縮空氣的露點降至-20℃左右，除去大量的水分)，再經T級和A級過濾器精密過濾(使含油量≤0.01ppm，含塵量≤0.01μm)。 然后潔凈的壓縮空氣先進入空氣緩沖罐，再進入制氮機制取氮氣，氮氣再進入氮氫配比裝置。

制氮機工作原理：由兩個填裝吸附劑(主要為碳分子篩，復合床結構)的變壓吸附分離系統組成，即FD-440型制氮裝置。潔凈的壓縮空氣由吸附塔底端進入，氣流經特殊的空氣擴散器擴散以后，均勻進入吸附塔，進行氧氮吸附分離，然后從出口端流出氮氣，進入氮氣緩沖罐，之后經均壓和減壓(至常壓)，吸附劑脫除所吸附的雜質組分(主要為氧氣)，完成吸附劑的再生。兩個吸附塔交替循環操作，連續送入原料空氣，最后通過粉塵過濾器連續生產純度≥99%的氮氣，產量為200Nm3/h，氮氣輸出壓力為≤0.6MPa(可調)，氮氣常壓露點為≤-40℃。

FD-440型制氮機配備了氮氣分析儀(量程95-99.999%)，可數字顯示、在線分析，保證氮氣純度控制在99%以上。

從氮氣緩沖罐出來的純度為99%的氮氣經過氮氣純化裝置處理后，除去氮氣中的雜質、水分和塵埃，得到高純度氮氣，其氮氣產量440Nm3/h，氧含量≤3ppm，露點≤-60℃，氮氣輸出壓力為≤0.6MPa(可調)。

制氮裝置配備了氮氣分析儀+微量氧分析儀，可數字顯示、在線分析，保證氮氣純度控制在99.999%以上。合格氮氣經過增壓機增壓后輸送至用氣點，經過2個減壓閥組，減壓至0.5MPa，與后續用氣管路連接。

(2)氨分解工藝。液氨自液氨儲罐中經汽化器汽化后，進入氨分解制氫裝置，在裝置內經換熱器換熱，約700℃左右進入AQ型氨分解爐，氨氣在裝置內經催化劑作用下，分解為氮氣和氫氣。小部分氮氫混合氣進入低壓緩沖罐，經氫壓機加壓后進入另一緩沖罐，再進入氮氣純化裝置除氧；大部分氮氫混合氣直接進入氮氫配比裝置，和制氮機制取的氮氣配比后，進入退火爐。

2 非爆炸性氣體危險環境的說明

2.1 根據明火和高溫進行說明

根據《爆炸危險環境電力裝置設計規范》GB50058-2014第3.2.2條，符合下列條件之一時，可劃為非爆炸危險區域：

(1)沒有釋放源并不可能有易燃物質侵入的區域；

(2)易燃物質可能出現的最高濃度不超過爆炸下限值的10%；

(3)在生產過程中使用明火的設備附近，或熾熱部件的表面溫度超過區域內易燃物質引燃溫度的設備附近；

(4)在生產裝置區外，露天或開敞設置的輸送易燃物質的架空管道地帶，但其閥門處按具體情況定。

由于氨分解爐的電加熱輻射管的溫度為800～850℃，遠遠高于氫氣的著火點591℃，另外剛分解完畢的氮氫保護氣溫度為800℃，也屬于高溫氣體，所以該保護氣體站場所屬于上述條款中的第3條的情況，即：“在生產過程中使用明火的設備附近，或熾熱部件的表面溫度超過區域內易燃物質引燃溫度的設備附近”所以該保護氣體站可視為非爆炸危險區域。

2.2 根據通風水平進行計算說明

《氫氣站設計規范》GB50177-2005第10.0.5條，有爆炸危險房間的自然通風換氣次數，每小時不得少于3次；事故排風裝置換氣次數每小時不得少于12次，并與氫氣檢漏裝置聯鎖。

若考慮保護氣體壓縮和供氣設施位于氣體保護站的西側，距離高溫氨分解爐有一定的間距，為了提高安全水平，企業在保護氣體站的北墻設置了3臺22kW的軸流風機，每臺通風量14000m3/h，常規時期可開2備1。

(1)換氣次數和新風量。根據保護氣體站的建筑尺寸，保護氣體站的內部空間體積為：

36m×6m×5m=1080m3

機械強制通風量為：

14000m3/h×2=28000m3/h

則換氣次數為：28000/1080=25.9次/小時，遠高于國家標準事故通風不小于12次/小時。

(2)氮氣混合氣的爆炸下限值計算。根據項目工藝，氨分解直接氣由75%體積比的H2和25%體積比的N2組成，然后再通入氮氣(由變壓吸附制氮機提供)，使保護氣變成22%體積比的H2和78%體積比的N2組成。

然后計算該(75% N2、25% H2)保護氣的爆炸下限：(圖1)

根據項目運行實際情況，該項目惰性氣體比可燃氣體的分數是78/22=3.55

查表如下：(圖2)

根據上表中的氮氫混合氣爆炸上下限的曲線坐標，可知(75% N2、25% H2)保護氣的爆炸下限為21%。則爆炸下限的10%為2.1%。

(3)氮氣混合氣的泄漏量計算。①氣體流動狀態。當式(1)成立時，氣體流動屬音速流動；當式(2)成立時，氣體流動屬亞音速流動。

氫氣和氮氣都屬于雙分子氣體，絕熱指數k取值1.41。混合氣的供氣壓力為微正壓，約為240Pa ～500Pa(退火爐內氮氫保護氣氛壓力為200Pa)，大氣壓取值105Pa，則P0/P=0.005，根據公式計算[2/(k+1)]k/(k-i)=0.526，則P0/P＜ [2/(k+1)]k/(k-i)，所以氣體泄漏呈音速流動。

圖1

②氣體泄漏量計算。氣體泄漏呈音速流動時，泄漏公式為：

Cd取值1.00

A裂口面積=0.0018m2(管徑DN80mm，根據《安全評價》第三版，28章的泄漏情況綜述，管道的典型泄漏可取聯接管道管徑的20%～100%，本次計算裂口形狀取不規則的圓形)。

M=相對分子量取值22.3

T=293K

R=8.314J/mol.K

ρ=0.995kg/m3

帶入公式(3)得：

Q=0.05895kg/s

常溫常壓下，該保護氣的密度ρ=0.995kg/m3，于是泄漏量

Q=0.0589/0.995=0.0592m3/s=212.22m3/h。

(4)氣體泄漏下限計算。該項目機械強制通風量為：14000m3/h×2=28000m3/h，則若達爆炸下限的10%即為2.1%的情況，則泄漏量至少應為28000m3/h×2.1%=588m3/h。

則根據上述計算212.22m3/h的泄漏量小于588m3/h，達不到爆炸下限的10%。另外，該項目氮氫保護氣實際生產量為300Nm3/h，即使全部泄漏在保持風機常開的情況下也達不到爆炸下限的10%。

所以該項目的保護氣體站在采取通風措施后也可以符合《爆炸危險環境電力裝置設計規范》GB50058-2014第3.2.2條的第二種情況。結合以上2點說明，該保護氣體站屬于非氣體爆炸危險區域。

圖2