空分裝置危險性及處置注意事項

傅吉品，何俊霖(寧波市危險化學品應急救援研究中心，浙江 寧波 315000)

0 引言

隨著工業突飛猛進式發展，工業上使用空分裝置生產液氧、液氮等產品隨之越來越多，與此同時，近年來國內因空分裝置發生的安全事故相對頻發，造成人員傷亡和經濟損失，給社會帶來負面影響。

1 空分裝置簡介

在現實生產活動中，用于進行空氣分離的裝置較多，不同的空分裝置所使用的技術方法也不同，在實際生產活動中，根據生產目的對空分裝置工藝技術進行選擇。

1.1 工藝技術

現階段我國主要空氣分離技術有3種，即深冷法、膜分離法、吸附法，具體到工藝裝置中，可能是這幾種方法的組合。

(1)低溫法(深冷法)。將過濾后的空氣壓縮、膨脹、降溫，直到液化，然后利用氮、氧沸點的不同，沸點低的容易汽化這個特征，在分離塔內讓相對溫度高的蒸氣與溫度低的液體不斷接觸，利用低沸點的氮多蒸發，高沸點的氧多冷凝的原理，使塔上部蒸氣氮含量不斷提高，塔下部液體中的氧含量不斷增大，實現氧、氮分離。通過低溫液化空氣再進行分離的方法目前在工業上應用最廣泛。常見的低溫法空分裝置工藝如圖1所示。

圖1 常見的低溫法空分裝置工藝示意圖

(2)變壓吸附法。利用特定吸附劑(分子篩等)在一定壓力下，對氣體混合物中某些特定組分吸附能力的差異進行分離，通過吸附劑以及壓力的轉變，獲得不同純度等級的氮氧產品。

(3)膜分離法。通過氣體擴散原理，利用一些有機聚合膜的潛在選擇性，讓空氣通過透析膜，不同氣體有不同的滲透率，以實現氣體分離。

1.2 主要組成

采用深冷法的空分裝置主要包括壓縮機組、預冷和純化、制冷和換熱、精餾以及與產品相關的其他單元。

壓縮系統：有自潔式空氣過濾器、汽輪機、空壓機、增壓機、儀表壓縮機等，用于空氣壓縮和增壓空氣壓縮。原料空氣壓縮機用于為裝置提供帶壓原料氣，增壓空氣壓縮機用于為裝置提供膨脹及液氧氣化的氣源。

預冷和純化系統：將壓縮空氣進行初步冷卻，并去除空氣中的水分和二氧化碳等雜質。主要設備有空冷塔、水冷塔、分子篩純化器、冷卻水泵等。

制冷換熱系統：利用膨脹機制冷，由氣體在膨脹機中等熵膨脹而制取冷量，用于精餾分離出不同氣體。

精餾系統：不同氣體沸點不同，通過在精餾塔上部和下部多次的熱交換，即部分蒸發和部分冷凝來完成整個精餾過程，實現氮氧分離。

1.3 工藝流程

首先吸入空氣進行過濾純化，再通過低溫分離和壓縮循環深度冷凍的方法把空氣變成液態，經過低溫精餾，根據不同沸點而從液態空氣中逐步分離生產出氧氣、氮氣及氬氣等惰性氣體。

2 空分裝置危險性分析

2.1 火災、爆炸危險

(1)火災、化學性爆炸

①氧氣。當空氣中的氧濃度增加到25%及以上時，有火星就能引起活潑的燃燒反應，燃燒如果發生在容器、管道之中，則會使其溫度、壓力急劇上升，一旦得不到控制，勢必會造成爆炸。同時，氧氣泄漏導致氧含量偏高，使得在平時在空氣中不易燃燒(氧指數高)的物質變的容易燃燒，大大增加火災風險[4]。

②碳氫化合物和油脂。空氣中含一定量的碳氫化合物(如乙炔、乙烯等)，它們的爆炸極限范圍較寬，閃點較低，當這些物質遇上引爆源時，便會發生化學爆炸。另外，在液氧環境中，來源于空壓機系統的潤滑脂會與不飽和烴、氮氧化物和氧氣的混合物在低溫下起化學反應，生成其他靈敏度較高的可燃物。當這些可燃物在設備中積聚并遇上引爆源時，同樣會發生化學爆炸[4]。

(2)物理性爆炸。空分裝置中的空氣壓縮機組、增壓透平膨脹機組等配套設施均為壓力容器。如果壓力容器承受的實際壓力超過設計允許值，或者壓力表、安全閥等部件失靈，那么均存在出現裂紋、破碎、甚至爆炸的危險[4]。

2.2 冷凍傷害

由于液氧、液氮、液氬等空分產品的沸點非常低，加之汽化時需要吸收大量的熱，一旦輸送這些產品的泵、閥門、管道及儲罐等密封不嚴，設備出現裂紋或破碎，將發生泄漏事件，若噴灑到人員的身體上，不可避免的會造成冷凍傷害[5]。

2.3 窒息危害

(1)缺氧窒息。一旦分離出來的液氮、液氬等產品發生泄漏，會逐漸沖淡周圍空氣中的氧含量，使人吸入的氣體中含氧量下降，當人呼吸的氣體中，氧含量低于18%時，定為缺氧。輕則造成缺氧反應，使人呼吸量增大，脈搏加快；重則有可能造成窒息死亡[5]。

(2)機械性窒息。因空分裝置冷箱內存有漏出的低溫液體，打開人孔時，內外發生熱量交換，裝置內低溫液體大量吸熱急劇汽化，冷箱被撐破，珠光砂大量噴泄而出，埋住扒塔人員[5]。

2.4 中毒

為滿足防爆要求，空分裝置中與介質氧接觸的零部件表面要求有很高的清潔度，必須進行脫脂清洗。清洗經常要用到三氯乙烯、四氯化碳等，這類物質具有一定的毒性，使用不當可能會發生中毒事故[5]。

3 事故處置

(1)整體評估。到場后，第一時間要對現場環境作一個整體評估，包括碳氫化合物、氧含量濃度等，需先進行通風置換，或事先做好相關安全措施，尤其是在受限空間，不能急于救人，以防窒息。

(2)明確重點。一旦發生火災，要鋪設水幕水帶設置水幕分隔，重點保護壓縮機和冷箱，否則一旦失去冷源和冷媒，整個關聯設備將發生超溫超壓連鎖爆炸事故。

(3)堵截蔓延。對氣體(尤其是氧氣)外泄，應在關閉控制閥，切斷氣體來源的同時，采用霧狀射流形成水幕墻，防止氣體向重要目標或危險源擴散。

(4)驅散稀釋。在事故部位、單元之間對液氧四周鋪設屏障水槍陣地，控制其擴散范圍。利用水幕水帶、霧狀水、自擺炮等實施驅散、稀釋或阻隔，抑制遇火閃爆等危險。

(5)送風吹掃。對于確定有或可能有窒息性氣體聚集區域，必須清楚地作出標記，通過機械送風、吹掃等方式進行驅散。并避免人員在氧氣濃度增高的區域內停留。嚴禁人員進入氮氣(氬氣)增濃區域。

(6)充氮置換。在破損空分裝置的保冷箱內充以干燥氮氣等密封氣或其他方法，保持一定壓力，既可排除濕氣進入以防止氧的積累，又可加溫珠光砂，使存儲的液體汽化，減少存儲量，從而減少噴砂量[2]。

4 注意事項

(1)切忌直接出水。如對已受損冷箱盲目出水冷卻有可能造成冷箱內的低溫液體加速揮發，或使冷箱爆炸倒塌，當火災有蔓延危險時，應設立陣地進行堵截，保護冷箱不受熱輻射威脅。

(2)嚴禁火源。當有易燃易爆氣體，應對周圍實施可燃氣體濃度實時監測，并注意非防爆對講機、手機等使用。不得穿著帶有鐵釘或任何鋼質件的鞋子進入空分生產區，在充滿氧氣的環境中不得穿合成纖維衣物。

(3)防靜電。當裝置中液化的氣體流速增高時，靜電場的強度便迅速提高，且可能達到較高的電壓而發生靜電火花，形成火災爆炸的引爆源。

(4)防凍、防爆、防窒息。針對空分產品的低溫窒息性能，應穿戴好防凍服、低溫手套、護目鏡等，背好空呼，褲腳不要塞進鞋子內。針對液氧泄漏，注意防止爆燃。

(5)數據分析。在進低溫操作室處置之前，應該先對冷箱含氧量做數據分析。如果其值低于19%，則必須佩戴好空氣呼吸器或者長管式面具等隔離式面具，同時要在其他人員的監護下進行操作[3]。

(6)防機械傷害。空分裝置機械設備運轉時部件的外露部分(電機、聯軸器等)，如若存在防護措施缺失，稍不注意可能導致衣物等纏繞其上，造成更為嚴重的傷害。

(7)區段加溫。如若發生有人員被困冷箱內，在進入空分裝置的保冷箱內施救被困人員前，必須經廠方技術人員評估，是否具備對有關區段進行加溫條件，或在做好相關個人防護后方可進入[2]。

(8)注重洗消。人員在氧氣濃度較高區域內長時間停留，則其衣著必被氧氣所浸透，浸透氧的衣物極易著火并會迅速燃燒，應用空氣進行徹底吹洗置換。

5 結語

總之，每一套空氣分離設備及其相關設施的燃爆事故都有其自身的特殊性，但也有共同之處。因此，首先必須加強對空分裝置安全設計，嚴格遵守國家法律法規的相關規定，落實各項安全措施。此外消防救援力量在處置此類事故時，一定要把握好共同重要節點，在廠方技術人員采取相關工藝處置的同時，有針對性地進行專業處置，最大程度減少事故造成的損失。