乙二醇裝置環(huán)氧乙烷精制單元風(fēng)險(xiǎn)分析及風(fēng)險(xiǎn)管控技術(shù)

張 弘，趙振峰，孫佳佳

(1.青島大學(xué)附屬醫(yī)院，山東 青島 266003；2.中國(guó)石油化工股份有限公司青島安全工程研究院，山東 青島 266101；)

環(huán)氧乙烷(EO)、乙二醇(EG)是石油化學(xué)工業(yè)的重要原料，隨著我國(guó)聚酯行業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)乙二醇的需求強(qiáng)勁增長(zhǎng)，給EO/EG行業(yè)帶來(lái)了蓬勃生機(jī)，我國(guó)EO/EG生產(chǎn)能力和產(chǎn)量逐年上升。

環(huán)氧乙烷工藝是國(guó)家重點(diǎn)監(jiān)管的化工工藝生產(chǎn)裝置，筆者根據(jù)近期多個(gè)乙二醇裝置HAZOP分析[3]和SIL評(píng)估項(xiàng)目，同時(shí)結(jié)合某石化廠環(huán)氧乙烷精制塔爆炸案例[4]，針對(duì)環(huán)氧乙烷精制單元進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，為今后環(huán)氧乙烷精制單元設(shè)計(jì)和運(yùn)行操作提供一些幫助。

1 環(huán)氧乙烷精制單元工藝概述

來(lái)自乙二醇汽提塔的低醛區(qū)釜液，經(jīng)精制塔進(jìn)料泵將其中的一部分液體環(huán)氧乙烷精制塔。塔頂氣體在塔頂冷凝器中冷凝，進(jìn)入精制塔回流罐中，用回流泵進(jìn)行塔的回流，多余部分相當(dāng)于含有大約原料的10%的環(huán)氧乙烷作為塔頂餾出物采出，用以脫除甲醛。塔頂采出與塔盤(pán)的含乙醛的餾出物匯合，返回到乙二醇汽提塔中。不含環(huán)氧乙烷的塔釜液(水)，用精制塔釜液泵經(jīng)精制塔進(jìn)料和釜液換熱器冷卻后，送往環(huán)氧乙烷吸收塔塔釜。環(huán)氧乙烷精制塔采用再沸器間接加熱。

2 環(huán)氧乙烷物化特性

環(huán)氧乙烷[5]有毒、易燃，是一種具有潛在危險(xiǎn)的物質(zhì)。環(huán)氧乙烷分子結(jié)構(gòu)內(nèi)含氧原子，更重要的是三元環(huán)，為不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，可釋放出氧，因此其爆炸上限可以達(dá)到100%，此外，環(huán)氧乙烷的閃點(diǎn)很低，為-17.8℃，大于等于3%的環(huán)氧乙烷的空氣混合物是可燃的。

其蒸氣能與空氣形成范圍廣闊的爆炸性混合物。遇熱源和明火有燃燒爆炸的危險(xiǎn)。若遇高熱可發(fā)生劇烈分解，引起容器破裂或爆炸事故。接觸堿金屬、氫氧化物或高活性催化劑如鐵、錫和鋁的無(wú)水氯化物及鐵和鋁的氧化物可大量放熱，并可能引起爆炸。其蒸氣比空氣重，能在較低處擴(kuò)散到相當(dāng)遠(yuǎn)的地方，遇火源會(huì)著火回燃。

3 某石化廠環(huán)氧乙烷精制塔爆炸事故

3.1 事故簡(jiǎn)介

某天4時(shí)，某石化廠環(huán)氧乙烷生產(chǎn)裝置崗位人員聽(tīng)到現(xiàn)場(chǎng)有異常放空聲，立即對(duì)該塔進(jìn)行緊急處理，采取切斷進(jìn)料、切斷加熱蒸汽等措施，并趕到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢查確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)環(huán)氧乙烷精制塔T-430塔頂安全閥起跳。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控視頻顯示，5時(shí)37分，塔釜再沸器上封頭附近有白煙冒出。6時(shí)整，再沸器上封頭附近白煙變大。6時(shí)01分50秒，再沸器上封頭附近起火。現(xiàn)場(chǎng)人員立即通知車(chē)間領(lǐng)導(dǎo)，車(chē)間立即啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急預(yù)案，組織人員進(jìn)行滅火，并于6時(shí)03分42秒報(bào)火警。6時(shí)04分36秒，精制塔發(fā)生第一次爆炸，6時(shí)06分10秒，發(fā)生第二次爆炸。

爆炸事故造成環(huán)氧乙烷精制塔嚴(yán)重?fù)p壞，1人輕傷，初步估算直接經(jīng)濟(jì)損失46萬(wàn)余元。

3.2 事故分析

根據(jù)事故發(fā)生過(guò)程分析，該事故為環(huán)氧乙烷精制塔超壓，導(dǎo)致精制塔爆炸事故。根據(jù)分析，導(dǎo)致環(huán)氧乙烷精制塔超壓風(fēng)險(xiǎn)的原因有很多，如環(huán)氧乙烷精制塔壓力控制閥門(mén)開(kāi)度過(guò)小、或環(huán)氧乙烷精制塔塔頂回流流量過(guò)小、或環(huán)氧乙烷精制塔頂冷凝器循環(huán)水中斷、或環(huán)氧乙烷精制塔釜再沸器蒸汽量過(guò)大，均可以導(dǎo)致環(huán)氧乙烷精制塔超溫超壓，最終導(dǎo)致火災(zāi)爆炸發(fā)生。

3.3 風(fēng)險(xiǎn)分析

參照某石化廠爆炸后果[4]，按照中石化風(fēng)險(xiǎn)矩陣標(biāo)準(zhǔn)[2]，該危險(xiǎn)場(chǎng)景后果為E，事故初始原因?yàn)閴毫刂苹芈饭收希跏碱l率為0.1次/年，因此風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為E6，為紅色重大風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，屬于不可接受區(qū)域。

通常EO精制塔超壓風(fēng)險(xiǎn)有如下保護(hù)層：

表1 EO精制塔超壓風(fēng)險(xiǎn)保護(hù)層分析

通過(guò)以上保護(hù)層，該場(chǎng)景風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)可以降低至E1，為藍(lán)色區(qū)域，在低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。若無(wú)其他因素，該EO精制塔超壓風(fēng)險(xiǎn)處于可控范圍內(nèi)。

但根據(jù)事故最終調(diào)查，精制塔回流罐頂部壓力控制回路、壓力高報(bào)警及壓力高高聯(lián)鎖取壓點(diǎn)共用，當(dāng)環(huán)氧乙烷精制塔塔頂冷凝器回流罐管線中甲醛含量過(guò)高時(shí)，甲醛聚合堵塞儀表導(dǎo)壓管，導(dǎo)致環(huán)氧乙烷精制塔控制、報(bào)警及聯(lián)鎖失效，最終發(fā)生環(huán)氧乙烷精制塔系統(tǒng)超壓，引發(fā)火災(zāi)爆炸。

此種情況下EO精制塔超壓風(fēng)險(xiǎn)僅有安全閥一層保護(hù)層，該場(chǎng)景風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為E4，為橙色區(qū)域，在較大風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。此時(shí)該EO精制塔超壓風(fēng)險(xiǎn)在較大風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，應(yīng)立即制定計(jì)劃進(jìn)行整改。

3.4 整改措施

若無(wú)其他因素，精餾塔超壓風(fēng)險(xiǎn)處于低風(fēng)險(xiǎn)可控范圍內(nèi)，但通過(guò)實(shí)際分析，精餾塔超壓風(fēng)險(xiǎn)的保護(hù)層存在共因失效，違反了獨(dú)立保護(hù)層有效性、獨(dú)立性原則。該企業(yè)針對(duì)這種情況，排查裝置儀表設(shè)置情況，將DCS控制系統(tǒng)、報(bào)警及聯(lián)鎖儀表及取壓點(diǎn)分開(kāi)獨(dú)立設(shè)置，防止共因失效。

4 其他環(huán)氧乙烷精制單元重大風(fēng)險(xiǎn)分析及管控措施

除了環(huán)氧乙烷精制塔超壓風(fēng)險(xiǎn)，環(huán)氧乙烷精制單元還有很多風(fēng)險(xiǎn)。環(huán)氧乙烷精制單元主要設(shè)備包括環(huán)氧乙烷精制塔、回流罐、回流泵及塔釜泵等設(shè)備，針對(duì)以上設(shè)備設(shè)施分析環(huán)氧乙烷精制單元存在重大風(fēng)險(xiǎn)及相應(yīng)的保護(hù)控制措施。

(1)環(huán)氧乙烷精制塔回流罐液位過(guò)低風(fēng)險(xiǎn)

環(huán)氧乙烷精制塔回流罐液位過(guò)低，環(huán)氧乙烷精制塔回流泵可能抽空汽蝕，泵設(shè)備損壞，機(jī)封泄漏，環(huán)氧乙烷泄漏至外界，發(fā)生火災(zāi)爆炸，導(dǎo)致環(huán)氧乙烷精制塔和回流罐發(fā)生回火，引發(fā)二次爆炸。

參照某石化廠爆炸后果，按照中石化風(fēng)險(xiǎn)矩陣標(biāo)準(zhǔn)，該危險(xiǎn)場(chǎng)景后果為E，事故初始原因?yàn)榛亓鞴抟何豢刂苹芈饭收希跏碱l率為0.1次/年，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為E6，為紅色重大風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，屬于不可接受區(qū)域。

表2 回流罐液位過(guò)低風(fēng)險(xiǎn)保護(hù)層分析

通過(guò)以上保護(hù)層，該風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)可以降低至E1，為藍(lán)色區(qū)域，在低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。環(huán)氧乙烷精制塔回流罐及回流泵應(yīng)按照上述要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以將風(fēng)險(xiǎn)降至可接受風(fēng)險(xiǎn)范圍內(nèi)。

(2)環(huán)氧乙烷精制塔操作不穩(wěn)定，溫度變化過(guò)大。

EO精制塔加熱蒸汽流量過(guò)小，或EO精制塔塔釜液位過(guò)高，導(dǎo)致塔底溫度過(guò)低，塔釜EO含量升高，當(dāng)蒸汽開(kāi)度變化過(guò)大時(shí)，塔釜換熱器內(nèi)EO大量汽化，可能引起塔壓升高，部分環(huán)氧乙烷水合生成乙二醇，引起再吸收塔發(fā)泡。嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致環(huán)氧乙烷大量分解，塔釜再沸器冒煙起火，塔內(nèi)環(huán)氧乙烷回火爆炸(類(lèi)似于事故中再沸器上封頭附近起火)。

因此當(dāng)EO精制塔溫度過(guò)低，進(jìn)行塔釜升溫操作時(shí)，應(yīng)注意加熱蒸汽流量，避免蒸汽流量變化過(guò)高，防止塔釜溫度升高過(guò)快。

(3)精制塔回流泵回火爆炸

環(huán)氧乙烷是一種極易發(fā)生回火爆炸的物質(zhì)，純度越高的環(huán)氧乙烷回火爆炸威力越大，一般精制塔回流泵易發(fā)生火災(zāi)事故，極易引起精制塔和回流罐回火爆炸，產(chǎn)生二次爆炸事故。

因此設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮在回流泵進(jìn)出口管道及最小回流管線上設(shè)置緊急切斷閥，當(dāng)回流泵溫度高高時(shí)，快速切斷閥物料，防止回流泵著火，導(dǎo)致環(huán)氧乙烷精制塔及回流罐回火爆炸。

(4)環(huán)氧乙烷精制單元存在死區(qū)

環(huán)氧乙烷易發(fā)生自聚分解，生產(chǎn)氧氣，導(dǎo)致設(shè)備管道局部發(fā)生閃爆，管道泄漏，引發(fā)更大的事故。導(dǎo)致環(huán)氧乙烷分解爆炸的主要原因有設(shè)備管線局部存在熱點(diǎn)和死區(qū)，環(huán)氧乙烷流動(dòng)性過(guò)小，在某一部位堆積，形成死區(qū)和熱點(diǎn)，極易導(dǎo)致環(huán)氧乙烷分解。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中要極力避免設(shè)備出現(xiàn)死區(qū)和熱點(diǎn)部位，增加溫度監(jiān)控，增大環(huán)氧乙烷流動(dòng)性。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上事故案例分析和對(duì)其他因素的風(fēng)險(xiǎn)分析，環(huán)氧乙烷精制單元存在的風(fēng)險(xiǎn)主要包括：

(1)環(huán)氧乙烷精制塔超壓風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)此種風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)設(shè)置獨(dú)立的壓力控制、報(bào)警及安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，同時(shí)要求壓力取源點(diǎn)要分開(kāi)設(shè)置，防止工因失效。

(2)精制塔回流罐液位是重要的控制參數(shù)，液位過(guò)低可能導(dǎo)致回流泵抽空損壞發(fā)生火災(zāi)，因環(huán)氧乙烷極易發(fā)生回火，導(dǎo)致精制塔和回流罐發(fā)生二次爆炸，因此要在回流泵進(jìn)出口管線設(shè)置緊急切斷閥，防止其回火爆炸。

(3)在設(shè)計(jì)過(guò)程中要極力避免設(shè)備出現(xiàn)死區(qū)和熱點(diǎn)部位，增加溫度監(jiān)控，增大環(huán)氧乙烷流動(dòng)性。

(4)在設(shè)計(jì)及正常生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)定期進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，針對(duì)重大風(fēng)險(xiǎn)確定保護(hù)措施，確保環(huán)氧乙烷精制塔平穩(wěn)有序運(yùn)行。