尿素合成塔化学爆炸的可能性分析
——第一篇 导言
沈华民
(中国化工学会化肥专业委员会,上海200336)
[摘 要]由考察燃爆气体(以天然气为代表)的共性与特点入手,分析燃烧与爆炸条件的异同,指出可燃气的爆炸浓度极限是区分其燃烧或爆炸的唯一依据。在此基础上,结合NH3-N2-O2和H2-N2-O2爆炸范围图及NH3-H2-N2-Air(空气)在180 ℃、17.5 MPa条件下的爆炸范围图,探讨尿素装置合成系统有关物系的爆炸浓度极限,阐明不论何种工艺尿素装置,其合成系统(除尾气系统外)在正常生产中均不存在爆炸的可能,但在非正常生产,如短停后开车阶段、加氧量超标、NH3/CO2严重偏低等情况下,则有爆炸的可能。
[关键词] 尿素装置;爆炸;燃烧;爆炸浓度极限;爆炸范围图;尿素合成塔;化学爆炸条件
[中图分类号] TQ 441.41 [文献标志码] A [文章编号] 1004-9932(2016)
0 引 言
随着我国经济的发展,为改善人民生活,天然气已进入千家万户。目前人们已普遍地将天然气作为燃料使用,清洁方便,但同时我们要认识到,天然气既是可燃性气体,又是爆炸性气体,需安全使用!
人们将如天然气这种兼具燃烧和爆炸双重特性的气体称为燃爆性气体。除天然气(CH4)之外,还有CO、H2、NH3、烷烃类、汽油、柴油、酒精等都属于燃爆性气体。本文以天然气为代表,由考察燃爆气的共性和特点入手,探讨发生爆炸事故的原因,并在此基础上分析尿素合成塔发生化学爆炸的可能性,从而达到防患于未然。
1 燃烧与爆炸条件的异同[1]
就本质而言,燃烧与爆炸是一回事,都属于氧化反应,是一个释放能量的化学反应。
例如,CH4在空气中燃烧或爆炸,都是同一化学反应,并放出热能。而引起燃烧或爆炸必须具备3个充分条件:一是有可燃物,如CH4、H2、CO、NH3等;二是有助燃物,如O2、空气或其他氧化剂等;三是有火源,如明火、静电火花、摩擦撞击、雷击、炽热物体等。对于爆炸,除上述3个充分条件之外,还需同时存在以下2个必要条件:一是浓度极限,当可燃物与助燃物处于特定的浓度比例时,才会发生爆炸;二是能量极限,当引发之爆炸能量达到激发状态时,才会发生爆炸。燃烧与爆炸之异同,分述如下。
1.1 浓度范围
关键的不同之处在于可燃物与助燃物之间的浓度比例关系。低浓度和高浓度的可燃气只会发生燃烧;而处于中间浓度状态的可燃气则会发生爆炸。例如,CH4在空气中的浓度小于5.3%或大于15%时,则会发生燃烧;而当其浓度在5.3%~15%时,则会发生爆炸。
人们日常使用的天然气,就是用调节空气量的方法将混合气中的CH4浓度保持在大于15%的安全浓度范围;反之,若管道天然气有泄漏时,进入房间的天然气浓度会逐渐下降,当其浓度在5.3%~15%时,就处于可能爆炸的危险状态,稍有火种(如拉线开关的电火花或用火柴点香烟等),均会发生爆炸!人们将上述的浓度范围,即空气中CH4浓度为5.3%~15%称为CH4在空气中的爆炸极限。常温常压下单组分可燃气体在空气或氧气中的爆炸极限见表1。
表1 单组分可燃气体的爆炸极限(体积分数) %
组分 |
空气中 |
氧气中 | ||
下限 |
上限 |
下限 |
上限 | |
H2 |
4.0 |
74.2 |
4.0 |
94.0 |
CO |
12.5 |
74.2 |
12.5 |
94.0 |
NH3 |
15.5 |
27.0 |
13.5 |
79.0 |
CH4 |
5.3 |
15.0 |
5.1 |
61.0 |
由表1可见:单组分可燃气体均存在着爆炸上限和爆炸下限,当可燃气体的浓度在爆炸浓度极限范围内时,即为爆炸性气体;而当其含量低于下限或高于上限时则为非爆炸性气体,属燃烧性气体;H2的爆炸极限最宽,因而是最危险的可爆炸性气体。
1.2 反应速度
燃烧与爆炸的另一重要区别在于反应速度的巨大差异。燃烧是一个速度较缓慢的氧化反应,可以调节控制,能量逐渐释放;而爆炸则是一个速度极快的连锁氧化反应。例如,H2在空气中发生爆炸时(H2在空气中的含量在4.0%~74.2%),其氧化反应可以这样描述:
H2+O2→H2O+O ① 链的起始
O+H2→OH+H ② 链的支化
OH+H2→H2O+H③ 链的支化
H+O2→ OH+O ④ 链的支化
上述分子连锁反应是无穷尽的,速度极快,系统内的H2和O2瞬间耗尽,并瞬间释放出巨大的化学能。
1.3 表现形式
从现象来看,燃烧与爆炸也是截然不同的。燃烧过程是一个温和而缓慢的能量释放过程,对人类具有极大的利用价值,它的利用造就了工业革命以及国民经济的方方面面。而爆炸过程是一个剧烈而快速释放能量的过程,会造成重大的人财物损失,通常应尽力防止其发生。
化学爆炸现象可以这样来描述:系统内(包括环境或密闭容器),由于可燃气体(H2、CO、CH4、NH3等)与助燃气(空气、O2等)以及惰性气体(N2、CO2、H2O、Ar等)构成的气体混合物在其爆炸浓度极限范围内,因某种着火源(明火、摩擦电火花等)而激发,物系发生连锁化学反应,在极短时间内释放出巨大的能量,进而引起温度和压力的骤然升高,并产生破坏性冲击波,损坏系统内的人员和物体,同时发出声响和伴随有火光。
更多内容详见《中氮肥》2016年第2期