尿素合成塔的爆炸分析

2013年 9月第32卷 第5期重庆文理学院学报Journal of Chongqing University of Arts and SciencesSep．，2013V0l_32 No．5尿素合成塔的爆炸分析骆晓玲，武光霞，华 媛，刘清龙(青岛科技大学机电工程学院，山东 青岛 266061)[摘 要]尿素合成塔是尿素生产中的核心设备之一，文章针对尿素合成塔的爆炸事故，叙述尿素合成塔的结构和工艺情况及其几种爆炸现象，分析其爆炸的主要原因，得出设备存在缺陷及其操作不当使得气体在爆炸范围内是导致爆炸的直接因素，可实施 CO，原料气脱氢、增加混合气中NH 含量和检漏系统改造等技术改造措施来减少爆炸事件.

[关键词]尿素合成塔；爆炸原因；爆炸范围；防爆措施[中图分类号]TH788 [文献标志码]A [文章编号]1673—8004(2013)05—0076—041 尿素合成塔结构及工艺简介尿素合成塔是尿素生产厂的核心设备之一，是二氧化碳和液氨反应生成氨基甲酸铵、甲铵脱水生成尿素的场所，专业管理属于 3类容器．水溶液全循环法尿素合成塔结构如图 1所示，塔内工作物料是二氧化碳气、氨液、尿素甲铵熔融物和为防腐蚀所添加的少量空气．反应的原料氨液、二氧化碳气和甲铵液分别从塔底 a、b、C三个管口进入尿素合成塔，经过反应后尿素、甲铵 、水、氨和二氧化碳混合物由塔顶管 口f引出．为了防止尿素合成塔超压，管口 f插入塔内一部分，使塔内有气相空间有缓冲作用．塔顶和塔底共有 3个测温点，分别测量尿素合成塔顶部、中部和底部物料的温度.

尿素合成塔系统的工艺流程如图2所示．将CO，气从脱碳装置导入，其中加防腐空气后纯度达到96．5％，氧气 的体积分数约 占 0．4％至0．6％．通过液滴分离器 5后再经五段压缩处理 ，最终 压力约达 到 20．69 MPa，最后送人尿素合成塔 7.

76图 1 尿 素合成塔 简图氨液首先从合成氨车间的氨库被送出，经过液 NH 过滤器后，进入液 NH 缓冲槽，与氨冷凝器中存在的冷凝的氨液一起通过 3、4加压预热后进人尿素合成塔 7．尿素合成塔的反应液经一段、二段分解、闪蒸和一段循环之后，在一吸塔底[收稿日期]2013—03—08[作者简介]骆晓玲(1966一)，女，山东青岛人，教授，博士，主要从事压力容器 、过程设备方面的研究部生成甲铵 笔一廿 8加压至 3爆炸原因分析 20
～ 69 MPa，最终送入尿素合成塔7?． 一～? ～ ? ‘1液 NH3过滤器；2液 NH3缓冲槽 ；3液 NH3泵；4氨预热器；5液滴分 离器；6二氧化碳压缩机；7尿素合成塔 ；8一甲泵图2 尿素合成系统工艺流程简图2 爆炸现象概述尿素合成塔主要有泄漏、衬里腐蚀、层板腐蚀、爆炸以及其他失效形式．爆炸是一种常见的失效形式 ，国内外已发生多起尿素合成塔爆炸事故 .

物系由于某因素而导致容器内系统出现能量过剩，这些过剩能量随之转化为物系的动能或势能，然后造成系统物性参数发生变化，从而引起系统压力升高，最终发生爆炸的现象．从原理上来划分，爆炸现象主要分为xx爆炸、物理爆炸、化学爆炸和原子爆炸4类 J.

密闭容器内发生爆炸的类型主要有 3种，即化学爆炸、普通物理爆炸和平衡破坏型蒸汽爆炸．化学爆炸是指系统或容器中的气体混合物，由于受到激发而发生化学反应，使其中的分子结构变化，在特定条件下瞬间释放出大量的化学能量，导致压力和温度突然急剧升高而引起的爆炸现象．而物理爆炸则是因为容器内物质的状态，如密度、温度 等参 数发 生变 化 ，从 而 引起 系统压力升高 ，导致 破坏容器 的爆炸现 象．物理和化学爆 炸现象 一般发生 在密 闭系统 的容器或贮器 内 3¨ J.

3．1 设备存在缺陷引起物理爆炸的诱因主要可以归纳为衬里腐蚀尤其层板腐蚀、层板应力腐蚀以及层板焊接缺陷．从爆炸事故来看，其爆炸率为4％o以上，而层板严重开裂而造成尿素合成塔报废的报废率高达 l％o以上．因此 目前的尿素合成塔是一个存在严重安全隐患的设备 j.

3．2 尿素生产中存在着爆炸物系?如图3所示为给定条件下的爆炸范围示意图．图3中的3个顶角分别表示可燃气 F(H +NH。+其它可燃气)、N (还包含其它惰性气体)和空气．底边 F表示总可燃气 F在空气中的爆炸极限(在 150 oC和 17．5 MPa条件下)；图3可用于判断 CO：汽提法尿素气体混合物爆炸性质的图例，也可用于 CO 汽提法尿素装置的合成气及其高压洗涤气的爆炸性质的检验.

图3 NH3一H2一N2一空气在 150℃和 17．5 MPa条件下爆炸范围尿素生产过程之所以会发生爆炸，归根结底是存在可发生爆炸的物系．在生产中各部位的物系，由于所处的条件不同，其物系中各组分比例也不尽不同，从 NH3一N2—02，H2—0：一N：和H 一NH，一0 的爆炸相图可知：A．H：一0：二元系混合物的爆炸限要比H一 NH 一0：三元系混合物的爆炸限宽些.

B．随着温度、压力的增加，其爆炸限也随之扩展.

77 C．混合气体中的 H，在可燃气体中所占的比例越小，则爆炸范围越小_5 J．.

3．3 操作不当水溶液全循环法由预分离流程变为预精馏流程后，将氧气防腐加在预精馏塔与一分塔之间．由于在开车前过早地加入氧气或者停车时忘关闭加氧阀及加氧阀内漏，这样会导致系统内进入大量的氧气，在开车打开合成塔切断阀时，合成塔气相中的可燃气体进入一段循环系统后，与一段循环系统中的氧气混合便形成了爆炸性气体.

当停车时间较长时，合成塔 内压力不断减小，溶解在液相中的氧气大量逸出进入气相；或者当停车时状态不好时，合成塔气相空间到第一切断阀之间充满 NH，、H：、O 、CO 、水蒸气等混合气体，尤其在冬季，越靠近合成塔顶部，混合气体中的H 和0：的含量越高，也会存在气体组分落在爆炸范围内的情况.

3．4 着火源要产生爆炸必须具备2个条件，即存在可爆炸性气体，并且同时又有着火源．在尿素生产中火源一般有如下几种：A．静电火花一 般来说，纯净的干燥气体在管内流动或是以较高的速度从管口喷出是不会产生静电的．而实际上气体往往是不纯净的，常含有灰尘、金属粉末、液滴和蒸汽等，当气体在管道中以较高的速度流动或由阀门等缝隙中高速喷出时，这些杂质便会与管道摩擦产生静电．管径越大，静电积累值越大．流速越大，静电积累值也越大；在尿素生产过程中，一循环系统压力调节阀前后的压差高达 1．7 MPa以上，在阀门由关闭状态急速打开时，含有液滴的尾气通过阀门时速度可高达 100m／s以上．因此，尿素生产中的设备和管道系统不做静电接地是十分危险的.

B．焊接物体时引起的火花在生产过程中，对管道及生产设备进行焊接或对非生产设备进行焊接时，把地线搭在生产系统的管道或设备上，容易导致设备及管道带电而引起电火花．这种情况在生产中要坚决杜绝。 .

4 防爆措施尿素合成塔的安全稳定运行不但是公司经78济效益的保障，而且关系到本地区人民的生活环境质量和生命财产安全．造成燃爆有 2个必要条件：浓度极限，气体混合物中的可燃气与助燃气在达到一定比例时，即进入爆炸范围；能量极限，进入爆炸极限的混合气体还须具有最低着火能的火源才能引起爆炸.

4．1 对设备定期监测设备衬里钢板有多处点蚀坑，焊缝多处有浅表裂纹和小针孑L均有可能导致爆炸：将所有腐蚀坑打磨光滑，这样便不产生积液，避免集 中腐蚀 J．尿素合成塔的衬里经过焊接和打磨后应作钝化清洗处理 J．为防止这类事故的发生，首先应当采取有效的检漏措施；其次，要对检漏介质指标(如压力、蒸汽的杂质含量等)提出严格的控制；最后，对运行时间久的尿素合成塔，应采取有效的措施检测并评估出其已存在缺陷的严重程度，不可忽视这类层板严重开裂的存在带来灾难性事故的可能．尿素合成塔的检修由生产厂家进行，严格按要求对修理方案进行编制、审核和报特种设备安全监察部门批准，在修复完成后作出修理报告．并在修复后经检验单位检验合格后才能使用.

另外，为避免类似爆炸事故的发生，应正确选择合成塔内件，不应追求生产强度而增加高效塔板，有条件的企业可以将尿素合成塔改进为等温尿素合成塔，以此实现安全与经济的统一.

4．2 增 NH 法原理：合成气中易爆气体主要是 H：和 NH ，若将弱爆炸性气体 NH 替代强爆炸性气体 H：，这样可使混合气处于爆炸极限之外．从爆炸范围图中可知，NH 的爆炸范围比H 的小很多，因此增加 NH 在混合气中的含量，对系统有保护作用．NH 对系统的保护作用主要体现在：使爆炸范围缩小；混合气体将处于爆炸上限与 F角之间的非爆区域.

方法：传统法中的尿素装置应运用替代原理，加大NH 含量，使合成气体在爆炸极限之外.

4．3 脱 H，法原理：H，是爆炸气体中爆炸范围最大的气体，合成气中的 H 主要来 自于 CO 原料气 ，液NH 中带入的H 量很少．故应提前将 CO 原料气中的 H，脱除，使其爆炸范围减小 ，从而使合成气体在爆炸极限之外的范围.

方法：将 1台脱氢反应器设置在 CO，压缩机出口处，催化剂为铂 ，通过催化燃烧反应，使H 与 0 产生化学反应．而少量 的其它可燃组分，如 CH 、CO、CH OH也同时除去，为了防止催化剂中毒的情况，要求原料 CO 不含有 H s .

4．4 改进生产工艺CO，汽提法生产和水溶液全循环相比，其工艺要安全得多，像上面所说的情况，也会导致爆炸，但不同的是，爆炸和燃烧是发生在 高压洗涤器内，而不是在合成塔的气相层，高压洗涤器的设备在设计时考虑了不安全情况下的爆炸问题 ，从而设计了防爆板和防爆空间．当发生爆炸时防爆板破裂，这样就保证了高压洗涤器和合成塔外部承受的压力非常小 ，不至于导致筒体爆炸.

为了保证安全生产，在尿素系统中安装了安全保护装置．如事故报警信号、关键设备的安全联锁装置、紧急停车装置、安全阀、关键设备的调节阀断气保护装置等．这样可以提高设备安全生产的可靠性，也是防爆的一项重要举措 U¨’“J.

5 结论通过对尿素合成塔爆炸情况的总结分析，得出其爆炸原因：一是设备存在缺陷；二是操作不当引起爆炸气体的参量落在爆炸范围内，导致爆炸发生．为改善这种状况，应有针对性地实施CO：原料气脱氢、增加混合气中 NH 含量和检漏系统改造等技术改造措施．加强塔的日常维护、检验检修和档案管理，对尿素合成塔使用寿命的延长、装置的安全稳定运行将起到很好的促进作用.

[参考文献][1]李梦丽，王威强，徐书根，等．物料化学爆炸引起尿塔塔体爆破 可能性分析[J]．山东大学学报 ：工学版，2008，38(6)：1—6.

[2]崔玉良，王威强，曹怀祥，等．尿素合成塔风险分析[J]．腐蚀科学与防护技术，2008，20(5)：377—380.

[3]沈华民．关于工业尿素合成安全的讨论(2)——平衡破坏型蒸气爆炸的判定[J]．化肥设计，2010，48(5)：1—12.

[4]王威强，李梦丽，徐书根 ，等．尿素合成塔爆炸及层板严重腐蚀开裂原因分析[J]．金属热处理，2007，(S1)：197—205.

[5]李冬 ，陶刚，张礼敬 ，等．尿素合成塔 内化学爆炸机理分析[J]．安全与环境学报，2011，11(2)：191—195.

[6]杨柏森．尿素生产中化学性爆炸问题的探讨[J]．中氮肥，1999(1)：24—26.

[7]李振．国产化尿素合成塔检验检修总结[J]．川化，2011(3)：13—14.

[8]周泉水，郑必超 ，廖定友．尿素合成塔防爆技术改造及安全使用管理[J]．化肥设计，2008，46(5)：44—46.

[9]沈华民．尿素合成的安全 [J]．化肥设计，2005，43(4)：3—8.

[10]韩志勇，刘永坤．尿素 系统爆炸原因分析及解决措施[J]．中氮肥，2000(3)：30—31.

[11]高波，施光明，姜华磊．尿素合成塔爆炸事故机理的研究[J]．中国安全生产科学技术，2011，7(8)：73—78.

Explosion analysis of urea converterLUO Xiaoling，WU Guangxia，HUA Yuan，LIU Qinglong(Mechitrone Engmeering Colege，Oingdao University ofScience and Technology，Qingdao Shandong 266061，China)Abstract：Urea converter is one of the core equipment of urea manufacturer．According to the explosion of U—rea converter，this paper described the structure，technology of urea converter and bursting phenomena，ana—lyzed the main reason of its explosion，and it was obtained that equipment defects and its improper operationare the direct factors to cause explosion．So we should implement dehydrogenation of CO2 gas，increase NH3content in the mixture and leak detection systems improvement and some other technology reform measures tostrengthen the urea converter daily operation of maintenance.

Key words：urea converter；explosion cause；explosion scope；anti—explosion measures(责任编辑 吴 强)79