新時代下甲醛生產過程中火災爆炸危險性和安全分析

龍 潔

（南昌市消防救援支隊，江西南昌 330038）

1 甲醛生產的主要工藝

目前甲醛生產主要使用DBW工藝，該工藝的原料為甲醇，生產時甲醇與空氣混合，使用鐵鉬催化劑，在高溫下甲醇被空氣中的氧氣氧化，獲得甲醛氣體，氣體經過吸收塔獲得甲醛溶液。生產中的氣壓在45kPa左右，循環氣體混合后循環風機繼續加壓到75kPa。甲醇由預熱器加熱到60℃，從反應器的出口冷卻器進入，和空氣混合，之后混合氣體被繼續加熱到160℃，再被投入260℃的環境中，經過鐵鉬催化，經過氧化反應生成甲醛氣體后釋放熱量，然后進入吸收塔，經過6層塔盤吸收后，在塔底形成50%濃度的甲醛溶液[1]。對于沒有被吸收的甲醛氣體，會進入下一部分循環，在循環風機中繼續循環使用，還有一部分進入尾氣轉化器中，經過鉑鈀催化劑催化，將其中的甲醇、甲醛、一氧化碳、甲酸等尾氣物質轉化為二氧化碳和水，最后排放到大氣中。

2 甲醛生產火災爆炸的危險性分析

2.1 原材料生產易引發爆炸

甲醛生產中所使用的甲醇原料有非常強的揮發性，容易與空氣中的氧氣劇烈反應發生爆炸，如果現場沒有做好對甲醇儲存的控制，出現甲醇泄漏，一旦現場存在明火，就會導致火災甚至爆炸等問題[2]。生產流程中，甲醇需要先進行預熱獲得甲醇蒸汽，此過程最容易導致甲醇泄漏，一旦泄漏問題出現，進料管的壓力會比較大，甲醇蒸汽將會大量噴出。如果噴出中周圍有靜電影響，或者存在明火，將會有火災和爆炸出現。并且，甲醇和空氣很容易構成具有爆炸特性的混合氣體，必須在現場加強防護。

甲醇在氣態條狀況下的爆炸速度非常快，并且能產生超過1 000℃的火焰溫度，1m3的甲醇完全燃燒可以產生超過萬千焦的熱量，爆炸過程中如果形成的沖擊波和超壓等情況，產生的能量等同于TNT炸藥產生的超壓，由于燃燒熱值大，爆炸速度快，整個反應會在瞬間結束，所以破壞性非常強。

2.2 反應過程中會產生大量熱量

空氣和甲醇混合后，會在反應中出現脫氧和脫氫反應，反應過程中溫度會保持在300℃以上，反應非常強烈，而且隨著反應的深入，反應器內部縱向會有明顯的溫度梯度變化。催化劑的某一點將會成為整個反應器的最高溫度，該點就是反應器的熱點。熱點溫度會不斷增加，催化劑會達到更好的效果，讓反應變得愈發劇烈，如果控制不足，就會出現飛溫的問題[3]。與反應器的換熱載體是聯苯、聯苯醚導熱油，如果導熱油的液位處在正常位置，在反應產生熱量后會被帶走。如果導熱油的液位存在過低或者過高的情況，反應器床層溫度將不能被及時帶走，就可能出現飛溫的問題，并且會造成火災爆炸事故發生概率增加。反應過程中，必須避免出現超溫的情況，所以必須控制甲醛和氧氣的摩爾比。另一方面，由于所有的反應都是放熱過程，導致熱量會在反應系統內累積，更高的溫度會增加反應速度，之后會進一步增加反應過程中熱量的累積速度，如果不能及時轉移反應中的能量，將會導致反應過程中溫度快速提升，并直接造成飛溫的問題。

2.3 大量的副反應增加火災概率

甲醛的生產中副反應比較多，有90%以上的甲醇都會被用于甲醛生產，其余接近10%的甲醇則會出現深度氧化或者燃燒，反應后會生成一氧化碳、二氧化碳、水、甲烷、氫氣等，由于反應都是放熱反應，所以系統內的反應一旦開始，熱量就不斷增加，容易出現飛溫的情況，并且溫度一旦達到甲醇或者甲醛的自燃點，也會在控制不足的情況下爆炸。

2.4 控制混合物比例

甲醇和甲醛都能和氧氣反應，所以和空氣混合會獲得可以爆炸的混合物，產生爆炸的混合比例受溫度影響，針對現場情況，一般根據25℃下的混合比例作為極限，并進行修正。一般需要控制甲醇和空氣體積比在0.48~0.6，但是即便有效控制了比例，也仍然存在爆炸風險，在氧醇比較低時，就有可能出現爆炸[4]。從過熱器到氧化器的入口，氣體包括甲醇和空氣兩部分，混合的過程中存在爆炸風險，而且氧化過程中還存在氫氣、一氧化碳、甲烷、氧氣流動成分，也屬于爆炸性混合物，只要有火源接近，將會立即發生燃燒和爆炸事故。

3 火災與爆炸危險性分析

隨著“火災、爆炸危險指數”評價法的提出，其逐漸被應用在國內外安全評價當中。這種方法應用的設備、物質與數量等信息數據，按照逐步推算法，獲得火災與爆炸等危害，評價期間用到的數據，多源自過往事故、物質潛能、防災數據等。這種評價工作開展的目標是明確危險場所爆炸與火災存在的危險，尋找到容易引起安全事故的設備，便于將這些設備與物品融入安全管理范圍中。

通過分析甲醛生產系統安全性，對裝置危險情況進行分析，充分展示甲醛生產期間設備與工藝危險，同時對事故嚴重性進行評價，便于尋找到危險因素，然后從工藝、技術與設備等視角妥善采取措施，全面降低事故危險性。

3.1 選取評價單元

結合甲醛生產工藝，可劃分整個工藝裝置為四個單元，即貯存、氧化、蒸發、吸收。因評價期間多選擇工藝影響單元，所以可選擇危險性最大的氧化單元進行評價。

3.2 明確物質系數（MF）

計算火災與爆炸指數期間，物質系數作為基礎數值，其代表物質燃燒期間產生的火災與爆炸能量。氧化單元當中，甲醇與甲醛為容易引發火災爆炸的主要物質，但反應器中甲醛物質系數與體積較大，所以選用甲醛作為評價單元物質系數。查閱文獻發現，甲醛MF是21，燃燒熱數值是1.86×104kJ/kg，產生的健康危害系數是3，可燃性是4，沸點-19.44℃，閃點50℃。

3.3 明確工藝單元危險系數（F3）

F3=F1×F2，若計算完發現F3＞8.0，隨后計算當中可認定F3=8.0。

普通工藝危險系數（F1）

普通工藝危險作為明確事故危害的關鍵要素，系數大小為1.0放熱反應當中，甲醇催化氧化與脫氫反應放熱反應十分強烈，系數大小是1.0；就泄漏與排放控制而言，單元四周多為平坦地勢，該位置若發生火災，系數將變為0.5。此時，F1=1+1+0.5=2.5。

特殊工藝危險系數（F2）

特殊工藝危險也會對事故發生產生影響，特定工藝情況是引起爆炸與火災的關鍵原因，基本系數是1.0。工藝單元危險系數大小F3=F1×F2=6.50。

3.4 火災爆炸危險指數（F&EI）

火災爆炸指數多用于估算生產期間事故帶來的破壞程度，該數值可利用單元危險系數與物質系數進行計算，F&EI=MF×F3=21×6.50=136.50。從表1能了解火災爆炸危險指數和危險程度間關系。由表1發現，氧化單元級別越高，其產生的危險也越大。

表1 F&EI和危險程度間關聯

3.5 安全措施補償系數（C）

安全措施包含物質隔離、工藝控制與防火措施等，這里補償系數包含三種，即C1，C2，C3，將這三個補償系數相乘即可獲得總補償系數C。

3.6 氧化單元安全評價

（1）補償后火災爆炸指數（F&EI）。F&EI*= F&EI×C=136.50×0.46=62.79，通過查詢發現，該數值和危險程度有一定關聯，實施安全補償措施之后，氧化單元危險性逐漸減輕。

（2）暴露半徑（R）。該數值顯示生產單元危險區 域劃分情況，其將工藝設備位置作為核心，暴露半徑 作為圓半徑。具體計算結果如下：R=F&EI×0.256= 34.9m

（3）暴露區域（A）。半徑大小直接影響暴露區域，區域面積A=πR2=3 825m2。為對火災爆炸中的設備受損情況進行評價，應結合具體破壞面積，假定氧化器是圓柱體，底面積作為暴露位置，高度和暴露半徑相等。這一體積顯示火災爆炸事故發生期間，生產單元風險承受能力。

（4）危險系數（DF）。結合DOW法規定，DF大小由單元危險系數與物質系數確定。查找文獻可得到該數值為0.74。

4 安全策略分析

甲醛生產過程中會出現比較嚴重的安全風險，為此必須結合甲醛生產的狀況，分析甲醛生產危險的損害，并結合分析結果采取針對性防護措施，有效控制生產過程中的安全性。針對不同的工作狀況、工作環節，都要采取對應的管理方法，從技術、工藝、設備等不同角度制定保護措施，降低事故的發生概率，以及將安全事故的影響控制到最低。

4.1 防止反應物料泄漏

在生產工作投入實施的過程中，應該結合甲醇生產建立全面的管理制度，實際操作中嚴格執行，實現制度上對生產工作的控制，避免出現反應物泄漏的情況。制度建設需要結合甲醛生產中各類物質的特性、生產工藝、生產設備性能、生產環境，研究高風險環節和薄弱環節，提升制度的針對性。技術人員也要不斷分析現場情況，研究現有制度存在的不足，不斷優化制度提升對生產工作的控制效果。比如需要加強對設備的維護保養管理，避免出現滴、漏、跑、冒等問題，使設備可以保持穩定的運行狀態。為保證物料管理的針對性，應該對物料的安全性進行評價，在評價過程中，由于甲醛的物質系數最大，因此可以將甲醛作為單元評價系數。

4.2 抑制氧化單元反應物

采取措施之前，需要計算暴露半徑，確定生產中危險的區域，合理調整平面布局，控制暴露區域的面積。為了能對火災、爆炸等對設備的損害進行評價，應該分析生產過程中的體積情況，然后將氧化器作為圓柱體，將氧化器的地面作為暴露區域，高度作為暴露半徑，分析爆炸事故承受的單元的風險大小。結合風險分析結果，可以對周圍的情況進行調整，控制反應物爆炸危險性，加強對反應物料爆炸的針對性抑制。技術人員應該針對混合空氣的比例進行控制，以及調整甲醇和空氣的組成方式，為提升氧化反應的控制精度，避免增加風險，在比例異常時應該進行聲光連鎖報警。

4.3 控制現場明火

現場如果出現明火，很容易導致爆炸事故，因此控制明火出現概率也是生產安全控制的重要內容，必須控制現場環境，避免明火出現。為此，針對明火需要制定安全管理制度，比如對工藝提出嚴格要求，強化現場的操作管理，生產過程中也要做好巡查工作，杜絕現場的不安全狀況，控制明火火源提升安全水平。同時，針對制度落實情況，也要進行總結工作，不斷完善明火控制內容，為生產安全管理提供支撐。

4.4 提升防火水平

甲醛生產過程中，不同環節出現爆炸和火災的概率并不相同，導致火災和爆炸出現的原因也不一樣。所以在實施過程中，需要針對不同環節使用針對性的配置和防火裝置，以便在出現異常情況時可以及時識別，并自動采取措施和發出報警。比如可以針對現場特殊工藝危險系數進行分析，結合分析結果確定安全措施。針對可能出現的安全問題，可以使用物質隔離、防火措施，比如可以在床層和出口設置監測溫度的報警系統，在系統的內部增設聯鎖報警設備，時刻監測生產環節反應裝置的內部壓力。如果出現壓力異常的情況，采取聲音、燈光進行警報，告知工作人員調整操作方式，提供現場的各項數據，方便工作人員使用正確的方法鎖車，保證裝置人員和設備人員的安全。還可以設置防爆片在事故狀態下及時泄壓，控制火災事故發生概率。

4.5 強化培訓

甲醛生產中對質量、安全影響最多的是甲醇氧化工藝，操作人員必須加強培訓，熟練掌握甲醛的生產工藝，參加生產的人員必須在上崗之前考取資格證書。培訓工作中，需要同時開展理論和實踐兩方面的培訓，保證工作人員可以充分了解反應原理，也能在實際工作中具有較強的實踐能力。培訓過程中，除了傳統的培訓授課，還應設置座談、講座等理論培訓工作，依靠優秀人員現場授課，加強技術交流和分享經驗，使工人能在學習中獲得操作經驗，滿足理論和實踐同時進行培訓的要求。在實踐培訓過程中，可以使用對外交流的方式，增加工人的實踐操作機會，以及方便工人接觸到先進的操控技術規定，了解先進技術的操作方式和應用要求，使工人能充分利用相關理論進行操控，感受各項技術規定的正確性和先進性，形成遵守規章制度的自覺，提升操作人員總體水平。在培訓管理工作中，還需要加強對人員的安全教育，包括培訓過程中對安全控制制度提出明確要求，指導工人學習操作規章制度，加強事故應急防護預案的演練，提升工人安全問題的處理能力。

5 結論

甲醛生產是一項具備較高危險性的生產活動，現場布置、安全防護、管理制度、人員操作、材料等因素都會影響生產中的安全水平。為了控制火災和爆炸風險，應該加強現場安全評價，結合安全評價結果確定重點安全管理項目，根據工藝特點、生產環節加強監控、檢查、防護工作，保證生產中的安全。最后，也需要做好對工人的培養，提升工人安全意識和技術能力，保證安全管理效果。