尿塔塔體爆破與物料化學爆炸的相關性分析

安衛龍

（航天工程大學，北京 101400）

尿素合成是在高溫高壓下進行的化學反應，所以尿塔是一種高溫高壓裝置。同時，最近的研究強調，尿素在塔內的合成是一個非常復雜的化學反應，是一個化學平衡、焓平衡和相平衡同時存在的復合化學過程，氣相和液相的組成和變化非常復雜。本文分析了尿塔在各種異常裝置中爆破的可能性，通過與已發生的爆破時間進行對比，分析物料化學爆炸引起尿塔塔體爆破的可能性。

1 尿素及尿素合成工藝總結

尿塔是尿素生產裝置的主要設備之一。CO2與液氨反應生成氨基甲酸銨（以下簡稱甲銨），甲銨脫水生成尿素。屬于第三類專業管理容器。圖1為水溶液全循環法尿素塔結構示意圖。塔內工質物料為NH3、CO2、尿素甲銨熔融物和少量防腐空氣。反應原料的NH3、CO2氣和甲銨液分別經a、b、c管三個閘門進入尿塔。反應結束后，尿素、甲銨、H2O、NH3和CO2的混合物從上管f門抽出。為防止尿塔壓力過大，將管口f插入塔部，使塔內留有氣相空間，起到緩沖作用。在尿塔的頂部和底部放置三個溫度計，分別測量尿塔的上、中和底部材料的溫度變化。

圖1 尿素塔結構示意圖

尿素系統工藝流程：CO2由脫碳裝置送入，加入防腐空氣后，CO2純度為96.5%，O2體積分數為0.4%～0.6%。經過分離器5后，最終壓力約為20.69MPa，傳輸至尿塔7。

反應液在尿塔中經過一、二級分解、快速蒸發和單相循環后，在溫度約90℃的條件下從第一吸塔末端取一甲液。通過一甲泵加壓至20.69MPa泵入尿塔7。

尿塔壓力為19.6MPa，反應溫度為178～188℃，NH3與CO2的分子比約為4，反應分為兩步進行。在第一步中，NH3液體與CO2反應生成碳酸銨。這是一個快速的步驟，CO2可以在完美的平衡狀態下轉化為甲銨溶液。在第二步中，甲銨脫水，緩慢轉化為尿素。在平衡狀態下，甲銨溶液不能完全轉化為尿素，轉化率一般為60%～70%[1]。

在正常生產條件下，合成氣遠離爆炸極限，不會爆炸。

2 異常工況分析

2.1 CO2進料異常

在氨合成中，NH3、H2和 CO2在脫碳過程中被分離（見圖2）。碳酸丙烯酯脫碳過程如圖3所示，NH3、H2壓縮機排出的2.7MPa轉化氣體轉化為氣體分離器1、活性炭從脫硫罐2出來，通過脫碳塔3末端進入，將循環槽來的碳丙（碳酸丙烯酯）循環罐內的液體由脫碳泵6送入脫碳塔3，與轉化氣體由上至下逆流接觸。從凈化氣體中去除CO2，通過凈化分離器4進入閃蒸洗滌塔7，其間的碳丙回收部分與稀液泵9的稀液逆流接觸。碳丙回收后，凈化氣體中所含的碳丙由凈化氣體分離器8分離回收，凈化后的氣體送入NH3、H2壓縮機。碳丙富液吸收CO2后，從脫碳塔底部流出，通過自動調節閥減壓或從脫碳泵渦輪中回收能量，然后進入閃蒸洗滌塔 7底部閃蒸段。NH3、H2、少量CO2和其他氣體在閃蒸區閃出。閃蒸蒸汽由閃蒸洗滌塔的上部回收段回收，然后排出（或返回到氮氫壓縮機的第一段入口）。閃蒸后的富液在隨后的段中被解吸，碳丙液被回收，CO2被送至CO2壓縮段。

圖2 脫碳過程工藝流程圖

尿素合成氣全循環的傳統水溶液條件略高于圖2溫度150℃，壓力17.5MPa[2]。由于缺少綜合條件下的爆炸距離圖，所以使用圖3進行模擬分析。

圖3 NH3-H2-N2-AIR 在 150℃，17.5MPa 的爆炸圖

2.2 異常情況

（1）脫碳液變化較大。在脫碳液中，只有濃度發生變化，濃度變化對氫溶解度的影響可以忽略不計，CO幾乎不存在。因此，更換脫碳液不會影響CO2原料氣中H2和CO的濃度。

（2）脫碳程度降低。即使從脫碳塔中抽出H2，也不能進入CO2。脫碳液到閃蒸塔，閃蒸塔中的溶液到再生塔，控制閥都有調節，只有兩個調節閥同時堵塞，在兩塔液位抽空的情況下，N2和H2會產生過多的CO2，這種可能性不存在的原因在于兩個塔都有低液位報警，閃蒸塔的常壓塔報警也會失效。

如果脫碳液泵跳閘，則只能關閉脫碳塔和閃蒸塔。此時應發出低液位警報，控制閥將自動關閉。由于這個主位置的調整，在關閉電源，停儀表風后，調節閥的操作自動關閉，無法打開。

只有在以下情況下才會發生漏氣、停儀表風或停電，導致兩個閥門同時鎖死。DCS 有 UPS 來支持電源，儀器的常規電源必須關閉。

如果出現串氣，脫碳塔到閃蒸塔的過程中還會經過渦輪機，如果脫碳液混入N2、H2，渦輪機會振動劇烈，導致系統混亂，而且閃蒸塔為低壓設備，通常解塔為常壓并有部分為真空設備，所以在脫碳過程中會出現壓力事故甚至爆炸。

（3）設備與變換氣和脫碳液接觸時出現滲漏，變換氣進入脫碳液變成CO2。情況與上述分析相同。

2.3 NH3進料異常

NH3進料異常通常是由于氨罐已抽空，NH3泵只能空轉，CO2壓縮機正常將CO2送入尿塔。由于尿塔內NH3不足，大量CO2不參與反應，形成CO2富集，導致塔壓急劇升高，氣相空間增大，出料管可能會暴露液相層。CO2進料管氣體中空氣的體積分數為2.5%。由于CO2基本不反應，空氣比例變化不大，合成塔內氣體遠未達到爆炸極限。

2.4 保溫、保壓短停

異常輸出，如短期停機，在蓄熱和壓力作用下可形成爆炸性氣體。

（1）尿素裝置減負荷，CO2減少，O2繼續，O2從0.5%增加到1.0%，保持壓力為20MPa，保溫溫度175℃（448.15K）。在上述數據中，當O2轉化為空氣時，R=014［R值代表n（H2）/n（H2）+NH3）］，其爆炸范圍為δp1 p2 p3。此時，合成氣成分點位于 z1 點，如圖3所示。雖然該點不在爆炸現場內部，屬于非爆炸性氣體，但距離爆炸區域較近。這個綜合條件比借用的爆炸圖更嚴格，爆炸范圍也比圖3大。在真實爆炸半徑圖中，點z1可能已經進入爆炸區，是一個不確定點。

尿塔頂部的氣相爆炸后引起尿塔爆炸所需的最小能量為 64.79MJ。化學爆炸產生的能量小于28.20MJ，甚至小于事故消耗的能量4 415.13MJ。考慮到熱量和傳聲所消耗的能量，尿塔“爆沸”所消耗的實際能量小于28.20MJ。如果尿塔筒體完好，不可能造成化學爆炸引起的尿塔爆炸事故，更談不上化學爆炸引起的一般事故。如果尿塔中的筒體破裂，則可能是化學爆炸引起的“碰撞”。不過，從氣塔氣相空間的爆炸特征來看，引起“爆沸”而導致遷安和平陰尿塔爆炸事故與氣相爆炸無關。

（2）減負狀態，CO2減少，增氧同情況1，增氧1.0%，保壓p=20MPa，保溫T=170℃（443.15K）。O2轉化為空氣后，R=0.2，爆炸范圍為δq1 q2 q3。合成氣由z2點組成（見圖3），z2點已進入爆炸范圍，為爆炸性氣體。

上述合成氣相組成沒有考慮溶解在液相中的爆炸性氣體的量。爆炸性氣體并不都集中在氣相空間，因此氣相空間中爆炸性氣體的含量實際上要少得多。如果合成氣進入爆炸極限，則爆炸產生的能量小于上述計算值，引起或引起塔爆炸的概率很小[4]。

2.5 爆炸性氣體在氣相空間的積累

尿素排放系統在正常情況下更容易發生化學爆炸。這是因為有效成分氣相中的NH3和CO2排氣系統得到凈化和恢復，氣相中O2和H2成分的濃度相應增加。在有限的爆炸濃度范圍內，廢氣很容易進入。例如去除CO2的高壓尿素裝置凈化器、多余氨冷凝器的尾氣成分、全水循環尿素裝置的惰性氣體凈化器最容易形成爆炸性氣體混合物。1970年代中期以來，國內采用全循環水稀釋法的橋梁廠發生了數十起化學尾氣爆炸事故。韓國的CO2汽提橋廠也發生了高壓洗滌器爆炸事件。

尿素合成系統中的裝置，由于氣液平衡氣相中NH3含量很大，O2和H2含量地，所以在正常（穩定）生產條件下，氣相合成系統中氧含量很低（水溶液全循環法尿素裝置為1.64%，CO2汽提的橋接裝置為0.94%），物料系統遠離爆炸極限，無爆炸危險。

然而，它不應該被忽視。短暫停機后，啟動階段O2超標，在正常生產條件下（如NH3/CO2合成系統很低），合成氣混合物的成分可進入爆炸濃度范圍限制，導致尿素合成系統爆炸的風險。

3 結束語

通過對因異常生產和短停引起尿塔爆炸的各種情況進行分析，認為物料化學爆炸產生的能量雖然在某些情況下較大，但不足以引起尿塔爆炸對周圍的建筑物造成嚴重破壞。如果尿塔出現嚴重缺陷，氣相空間的爆炸可能會導致平衡破壞型蒸汽爆炸，但在這種情況下，尿塔的部分氣相空間將具有化學爆炸的特性。尿塔化學爆炸事故應引起重視和避免，但應查明尿塔化學爆炸的確切原因，防止此類災難性事故再次發生。