高壓聚乙烯裝置料倉燃爆危險分析及對策

宮 宏，劉全楨，孫立富，高 鑫，李義鵬,孟 鶴,李亮亮

(中國石化安全工程研究院，山東青島 266071)

高壓聚乙烯裝置料倉燃爆危險分析及對策

宮 宏，劉全楨，孫立富，高 鑫，李義鵬,孟 鶴,李亮亮

(中國石化安全工程研究院，山東青島266071)

分析了某石化企業(yè)高壓聚乙烯裝置料倉靜電燃爆危險性，從工藝操作、設(shè)備管理、可燃氣體控制、靜電控制、靜電消除等方面提出了防止料倉燃爆的技術(shù)和管理措施。

高壓聚乙烯 料倉 粉塵 靜電 可燃氣 燃爆

1 高壓聚乙烯裝置現(xiàn)狀

某石化企業(yè)高壓聚乙烯裝置采用荷蘭STAMICARBON公司的無脈沖高壓管式工藝，設(shè)計能力14×104t/a，于1998年11月建成投用。裝置以乙烯單體為原料，采用無脈沖高壓管式工藝連續(xù)生產(chǎn)，在管式反應器里，注入過氧化物引發(fā)乙烯的聚合反應，生成高壓聚乙烯，熔融狀態(tài)的聚乙烯和乙烯的混合物料經(jīng)過高低壓分離，進入螺桿式擠壓機與來自側(cè)線擠壓機的添加劑混合后，經(jīng)過水下造粒過程成為顆粒狀的高壓聚乙烯產(chǎn)品。顆粒狀產(chǎn)品經(jīng)過離心干燥，由風力輸送到料倉，經(jīng)過脫除殘余乙烯、產(chǎn)品摻混等過程，風送到包裝料倉，包裝成25 kg的袋式包裝出廠。裝置工藝流程見圖1。

2 高壓聚乙烯裝置料倉燃爆危險性分析

顆粒狀產(chǎn)品由風力管道輸送到料倉，輸送過程中聚乙烯顆粒料之間、顆粒料與管道之間的摩擦與碰撞而產(chǎn)生靜電和靜電集聚，帶電物料進入料倉時帶有大量靜電會在料倉內(nèi)引發(fā)靜電放電。經(jīng)過脫除殘余乙烯、產(chǎn)品摻混等過程, 當聚乙烯料倉中粉塵、可燃氣體混合達到爆炸極限時，如果發(fā)生一定能量的靜電放電，就會導致料倉燃爆，損毀料倉，危害人身安全。理論上排除上述3個因素中的任何一個因素，都能夠預防料倉燃爆事故的發(fā)生。

圖1 裝置工藝流程示意

自1998年裝置投產(chǎn)后，料倉發(fā)生過3起燃爆事故，兩次發(fā)生在脫氣倉(T306 T301)，另一次發(fā)生在摻混倉(M301)，事故造成了較大經(jīng)濟損失，并嚴重影響了企業(yè)的安全生產(chǎn)。2002年后該裝置脫氣倉料倉反吹風脫氣系統(tǒng)、粒料輸送管線等先后進行了改造，料倉安全性有了較大提升。但因裝置生產(chǎn)牌號的變化，特別是生產(chǎn)高熔融指數(shù)產(chǎn)品，物料中揮發(fā)份含量提高，在裝置前端低分脫氣、造粒設(shè)備和工藝條件無法改變情況下，粒料倉靜電燃爆危險性仍然存在。目前，該裝置脫氣倉(T301-306)和摻混倉(M301-302)被列為I類料倉，即為聚烯烴料倉中危險性最高的料倉。

2.1 料倉可燃性氣體分析

分析物料的燃爆特性是解決聚乙烯料倉安全隱患的前提。料倉燃爆是由含可燃氣的粉塵爆炸引起的，可燃性氣體對粉塵的最小點火能影響很大，而料倉內(nèi)可燃氣濃度是由多種因素決定的。

2.1.1可燃性氣體對粉塵最小點火能影響

最小點火能是表征物質(zhì)燃爆特性的重要參數(shù)，計算或?qū)嶋H測出其大小對分析靜電放電引燃性有重要作用。實驗表明，料倉中粉塵與氣體混合物的最小點火能MIEH通常隨可燃氣含量C呈指數(shù)率變化：

MIEH=MIED·(MIEG/MIED)C/COPC

(1)

式中：MIED——粉塵最小點火能，mJ；

MIEG——可燃氣最小點火能，mJ；

COPC——敏感氣體濃度，%。

a)標準顆粒。標準顆粒(75 μm)的最小點火能MIED=10 mJ，不同乙烯濃度下的計算值(MIEH)見表1。

b)混合粉料?；旌戏哿螹IED實測值：20.12 mJ。樣品粒度：60目以上：10%，60～90目：40%，90～120目：40%，120目以下：10%。不同乙烯濃度下的計算值(MIEH)見表2。

表1 標準顆粒不同乙烯濃度下最小點火能計算值

表2 混合粉料不同乙烯濃度下最小點火能計算值

c)結(jié)論。如圖2，無論標準顆粒還是混合粉料，其最小點火能MIE都隨乙烯氣濃度的增加而明顯下降。對混合物料而言，當乙烯氣濃度為30%LEL時，MIE約下降一倍(10.32 mJ)，如果乙烯氣濃度為80%LEL，則MIE下降到3.4 mJ。

圖2 聚乙烯最小點火能與乙烯氣濃度關(guān)系曲線

2.1.2影響料倉可燃氣濃度的因素

根據(jù)高壓聚乙烯裝置的生產(chǎn)工藝及設(shè)備情況，影響料倉可燃氣濃度的因素主要有3個。

a)物料進入料倉時攜帶的氣體。這與裝置和工藝過程有關(guān)，造粒前應盡量提高脫除乙烯單體的效率，主要控制單元是高壓聚乙烯裝置的低壓分離器，降低低分壓力以減少高壓聚乙烯中的乙烯含量。

b)粒料中氣體逸出速率與停留時間。在生產(chǎn)過程中溶入粒料中的乙烯單體逸出速率是溫度和粒子形狀的函數(shù)(外部吹風和填充狀態(tài)影響不大)。經(jīng)驗公式如下：

G=M×A×TnB

(2)

其中：G——造粒后氣體逸出速率，mL/min；

M——生產(chǎn)負荷，kg/min；

Tn——時間，min；

B——常數(shù)(0.405)；

A——與溫度有關(guān)的系數(shù)(粒子溫度40 ℃為88.5，30 ℃時為70.5)。

以某廠高壓聚乙烯裝置為例，在生產(chǎn)過程中溶入粒料中的乙烯單體約為900～1000 mL/kg，按生產(chǎn)最高負荷(400 kg/min)和溫度40 ℃進行計算，根據(jù)計算結(jié)果繪出氣體逸出曲線，見圖3。

圖3 聚乙烯粒料倉氣體逸出曲線

由圖3可以看出，只有在330～400 min(約5～6.6 h)后，氣體逸出速率才和料倉進料負荷相平衡，即粒子氣體基本全部逸出。

c)反吹風脫氣。前兩種因素造成了可燃氣的積聚，而反吹風脫氣可以降低可燃氣的濃度。高壓聚乙烯裝置脫氣倉、摻混倉、不合格品倉設(shè)置了底部反吹風，是防止料倉內(nèi)可燃性氣體濃度過高的主要措施。

2.2 料倉靜電放電

靜電放電是引起高壓聚乙烯料倉爆燃的點火源。對高壓聚乙烯料倉進行靜電安全性評估，必須分析其可能存在的放電形式及其可能產(chǎn)生的點燃危險性。

2.2.1料倉靜電放電形式

高壓聚乙烯料倉內(nèi)存在以下幾種放電形式：電暈放電、刷形放電、沿面放電、火花放電、傳播型刷形放電等。其中前二種屬自放電，后三種在料倉中的放電部位見圖4。

2.2.2靜電危險性分析

a)高能放電。傳播型刷形放電和火花放電屬高能放電，前者放電能量可達上千毫焦，后者也可達幾十毫焦，料倉內(nèi)即使不存在可燃性氣體，也能引起聚乙烯粉塵的燃爆，必須堅決杜絕。

b)沿面放電。當高壓聚乙烯粉塵中乙烯氣濃度為30%LEL(0.81%)時，其最小點火能降至10.32 mJ，沿面放電能量相當10 mJ左右，可以將其引燃。因為料堆表面的沿面放電比較頻繁，而且料倉中的可燃氣與生產(chǎn)關(guān)系密切，影響環(huán)節(jié)多，容易出現(xiàn)失控現(xiàn)象，所以生產(chǎn)中應采取通風措施，特別是在料倉底部設(shè)置反吹風系統(tǒng)。

圖4 料倉內(nèi)靜電放電形式和部位

c)其它放電。當高壓聚乙烯粉塵中乙烯氣濃度為80%LEL，則MIE下降到3.4 mJ，普通的刷形放電(放電能量在1～3.6 mJ)也能引起燃爆，但這種可能性很小。電暈放電放電能量在μJ級，不能引起燃爆事故。

3 高壓聚乙烯料倉靜電燃爆預防措施

根據(jù)對高壓聚乙烯料倉靜電危險分析，要消除高壓聚乙烯料倉靜電燃爆危險，必須從兩方面采取相應措施：一是控制料倉內(nèi)可燃氣體濃度，保證料倉反吹風脫氣風量；二是降低進入料倉物料帶電量，減少或消除料倉內(nèi)物料堆表面的沿面放電和由金屬突出物引發(fā)的火花放電。

3.1 預防料倉靜電燃爆技術(shù)措施

a)優(yōu)化料倉反吹脫氣系統(tǒng)操作，低料位時要保證料倉錐部反吹風風量，避免在低料位時因反吹風 “短路”造成可燃氣體聚集。

b)改造脫氣反吹風機，將反吹風風量提高或為料倉錐部反吹風單獨設(shè)一臺風機供風。

c)將脫氣反吹風機入口過濾器由原設(shè)計距離地面約30 cm提高到距離地面180 cm，避免地面粉塵堵塞入口過濾器慮網(wǎng)；對過濾器慮網(wǎng)及時清洗、更換。

d)對料倉內(nèi)部金屬突出物(反吹風風嘴和料位計等)進行防靜電處理，避免料位接近反吹風嘴時形成高能放電。

e)在脫氣倉、不合格品倉、摻混倉入口管線上增設(shè)離子風靜電消除器，并對倉內(nèi)物料帶電情況實時進行監(jiān)測，根據(jù)檢測結(jié)果及時進行調(diào)整。

f)對插入料倉內(nèi)的音叉式料位計進行改造，采用防靜電型料位計。

g)生產(chǎn)高熔融指數(shù)牌號產(chǎn)品時，若低壓分離脫氣不能保證乙烯氣在安全控制指標內(nèi)，建議更換或增加脫氣風機，提高脫氣倉反吹風風量，并對料倉排風口可燃氣濃度進行檢測，保證可燃氣濃度低于20%LEL。

3.2 預防料倉靜電燃爆管理措施

a)嚴格低壓分離器壓力控制，防止低分壓力偏高影響脫氣效果。

b)在保證低分正常下料的前提下，低分下料閥的開度應盡量開小，以減少乙烯氣體夾帶；正常生產(chǎn)時低分料位控制在45%左右，保證脫氣效果良好。

c)嚴格執(zhí)行料倉進料、摻混、出料的操作程序。每個脫氣料倉進料時間不超過3 h，禁止超量，以保證脫氣效果，并避免物料與料倉的高料位探頭接近；脫氣料倉脫氣時間不低于3.5 h；摻混時間控制為3 h，摻混完畢后及時送料。

d)嚴禁料倉邊進料邊出料操作。

e)在開車、切換牌號或造粒不正常時產(chǎn)生的不合格料，應按正常工藝操作進行脫氣處理，脫氣合格后及時組織人員包裝。

f)每周對風機入口濾網(wǎng)徹底清理一次，每2 h檢查一次風機入口濾網(wǎng)，發(fā)現(xiàn)問題及時處理，確保有足夠的通風量來保證料倉良好的通風效果；風量低報時，料倉內(nèi)應盡快通入氮氣進行補充，同時對料倉起到保護作用。

g)定期檢查確認料倉頂部通風口和擠壓機尾部脫氣系統(tǒng)是否正常，發(fā)現(xiàn)有堵塞現(xiàn)象及時處理。

h)嚴格控制料倉內(nèi)粉塵含量。造粒時防止拖尾料產(chǎn)生；粒料輸送過程控制流速；保證輸送管線內(nèi)表面粗糙度要求，防止粒料在管道內(nèi)拖行產(chǎn)生

拉絲現(xiàn)象。

4 結(jié)語

高壓聚乙烯裝置的脫氣和摻混料倉內(nèi)由于存在可燃氣體和粉塵，且物料攜帶大量靜電，因此，具有較高燃爆風險。通過從工藝操作、設(shè)備管理、可燃氣體控制、靜電控制等方面采取有效的技術(shù)和管理措施，嚴格控制料倉內(nèi)可燃氣含量，并降低物料帶電量，控制料倉內(nèi)沿面放電并杜絕高能放電，以此降低料倉靜電燃爆風險，保障裝置安全運行。

[1] 阮赤宇.高壓聚乙烯裝置料倉閃燃隱患綜合治理[J].安全、健康和環(huán)境,2005,5(08)：28-31.

[2] 譚鳳貴.聚烯烴粉塵爆炸的危險與對策建議[J].石油化工安全技術(shù),2005(06)：21-24.

AnalysisandSolutionoftheElectrostaticBlastingDangerinaPetrochemicalLDPEUnitStorageBin

Gong Hong，Liu Quanzhen，Sun Lifu，Gao Xin，Li Yipeng，Meng He，Li Liangliang

(SINOPEC Research Institute of Safety Engineering, Shandong, Qingdao 266071)

This paper analyzed the electrostatic blasting danger in a petrochemical LDPE unit storage bin and proposed technical and management measures to prevent the storage bin from blasting from the following aspects such as process operation, equipment management, combustible gas control, static control and static elimination ect.

LDPE; storage bin; chemical dust; electrostatic; combustible gas; blasting

2016-05-06

宮宏，高級工程師，1984年畢業(yè)于山東工業(yè)大學，長期從事粉體靜電危害技術(shù)研究和靜電危害治理工作。