医用分子筛制氧装置爆炸危险分析

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  医用分子筛制氧装置爆炸危险分析

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   作者：彭友德

   摘要：针对医用分子筛制氧装置存在的危险有害因素进行系统分析，运用爆炸理论对医用制氧装置进行爆炸计算，准确量化医用制氧装置爆炸影响范围，为医用制氧装置本质安全管理提供依据。

   1 前言

   医院因抢救病人和康复病人需要医用氧气，因此，大多数医院配套设置了分子筛制氧装置，应用分子筛变压吸附（Pressure Swing Adsorption，以下简称PSA）空气制氧，空气压缩机和制氧设备选用成套设备。在发达国家，PSA变压吸附制氧技术广泛使用，其工艺技术成熟，医用制氧成本低，安装简易、运行安全，现国内变压吸附技术推荐使用的一种新技术。

   由于制氧装置生产运行过程及产品存在一定的危险性，且工业制氧装置运行过程中曾时有爆炸发生，为此，运用爆炸理论对医用制氧装置存在的爆炸危险进行分析。

   2 危险性分析

   2.1 制氧装置工艺简况

   医用制氧装置采用变压吸附技术制氧，其VMI型医用分子筛制氧系统是目前国际上先进的变压吸附技术，即通过制氧机中的分子筛来分离空气中的氧气、氮气、杂质等，其工艺过程为：空气经压缩机压缩，后经冷干机和多级精密过滤器的干燥、净化处理，经过压缩、净化处理得到的干燥洁净压缩空气进入制氧主机，在制氧主机里，一边填充加压空气，以分子筛来吸附氮气和杂质时，另一边则减压将氮气及杂质排出。在压缩、吸附、制氧交替的过程中，氧气汇聚到分子筛槽的顶部，经平衡电磁阀互换，氧气浓度提升至95%，如此循环运行，纯氧不断地被输送到氧气储罐里，蓄积的氧气通过管道直接到达用氧终端，从而完成制氧及供氧的过程。

   2.2 医用制氧工艺流程

   医用制氧工艺过程，其流程简图如图1所示。

   

   图1 医用氧装置工艺流程简图

   2.3 制氧装置主要工艺技术参数

   氧气罐工作压力小于0.45MPa；空气罐工作压力小于1.0MPa；出口氧气纯度大于90%。

   2.4 危险化学品的特性

   制氧装置生产过程中，其主要原料为空气，空气中主要成份为氧气、氮气，同时空气中含有微量的乙炔等杂质，乙炔极易燃烧爆炸，与空气混合能形成爆炸性混合物，遇明火、高热能引起燃烧爆炸；与氧化剂接触猛烈反应，能与铜、银、汞等化合物生成爆炸性物质。压缩氧气为强氧化剂、助燃物；油脂接触纯氧可自燃，与其他可燃气体形成爆炸性混合物，遇点火源发生爆炸；压缩氧气受热后瓶内压力增大，有爆炸危险。

   2.5 固有危险性分析

   2.5.1 制氧工艺危险源分析

   在制氧装置的工艺过程中，一旦PSA吸附剂失效或吸附效果不理想，压缩机润滑油质量不合格，压缩机机械磨损造成润滑油进入系统并长期积碳或超压运行等，都存在着爆炸危险。制氧过程中氧气始终存在，且发生爆炸的条件是爆炸性物质和引爆源同时存在，因此对制氧装置工艺过程和设备的爆炸性物质和引爆来源分析如下：

   2.5.1.1 爆炸性可燃物质与活性

   （1）空气。制氧装置设置位置不同，空气中杂质成份不尽相同，一般乙炔在空气中的含量极少，约为0.001~0.1cm3/m3空气，吸入的空气中存在乙炔和其他碳氢化合物，随着压缩空气压缩进入系统，乙炔也被带入系统。在液氧中乙炔的溶解度极低，约5.2cm3/L，又属于不饱和的碳氢化合物，具有很高的化学活性，性质极不稳定；研究表明，乙炔及其他碳氢化合物为制氧过程的主要致爆源。

   （2）压缩机内的润滑油。压缩机内的润滑油及润滑油轻馏分，因机械密封不当或损坏，且运行过程中排气还存在一定温度，易将润滑油及润滑油轻馏分蒸发带入系统，但此类可燃物必须积聚达到一定的量，另外还与系统温度及这些杂质的化学稳定性有关。

   （3）外用氧气瓶可燃物。氧气瓶内串有可燃气体或使用的瓶有误等，可燃气体可能串入系统。

   （4）施工与操作。氧气设备、管道内存在铁绣、焊渣、粉末、油污等杂质或未清洗、置换等。

   2.5.1.2 引爆源分析

   在制氧装置运行中，引爆源主要来自下列环节：

   在制氧工艺过程中存在摩擦和撞击的机械作用；固态乙炔颗粒与管壁摩擦；氧气在高速流动过程中容易产生静电放电；臭氧与氮的氧化物的促进作用；压力脉冲和气流冲击。

   2.5.1.3 爆炸危险部位分析

   （1）空气压缩机。空气压缩机使用的润滑油属于可燃物，常压常温下不会燃烧，在空气压力为9.8×105Pa以上，温度达到90~100℃，能够发生燃烧，且随空气压力升高，燃烧温度降低，燃烧加快；空气压力为6.86×105Pa左右，着火温度最低，一般压缩机排气温度在100℃以上，一旦润滑油着火会继续燃烧，甚至发生爆炸。

   （2）制氧机。在氧气升压分离过程中，PSA失效或效果不理想，带入系统的乙炔、碳容易积聚并达到一定量时，易发生爆炸。

   （3）氧气贮罐。氧气贮罐超压或内残余可燃物或焊接氧化铁渣；可能是超压、腐蚀、损伤或存在缺陷，接触油脂和混入了可燃气体。

   （4）氧气管道、阀门。压力高于2.94×106Pa的氧气与油脂直接接触时，由于它们进行激烈的氧化反应，油脂可立即自燃、爆炸，且随着氧气浓度和压力的提高，可燃物着火温度随着降低。主要原因是安装或检修时，脱脂不净，或管道、阀门及密封填料等材质不符合要求；或内部存在氧化铁焊渣；或开关速度过快。

   3 爆炸计算

   制氧装置生产过程中各种性质的燃烧、爆炸危险始终存在，有非化学反应引起的物理性爆炸和因激烈的氧化反应引起的燃烧、爆炸。其中氧压机、氧化贮气罐、受压容器及管道等，一旦发生爆炸，都将释出威力极大的爆炸能量。为此以制氧规模5m3/h装置为例，从物理和化学爆炸2方面介绍。

   3.1 物理性爆炸

   所谓物理性爆炸，即爆炸不是由于激烈的化学反应产生高温高压造成的，而是由于其承受的应力超过了材料的强度极限，造成容器、设备及管道等破坏。物理性爆炸可发生在超压状态，也可在低于正常的工作压力下发生，且因为爆炸都是在一瞬间发生，所以爆炸过程中接近于绝热过程。

   3.1.2 制氧装置压缩气体容器物理爆炸计算

   3.1.2.1 物理爆炸计算步骤

   物理爆炸就是物质状态参数迅速发生变化，在瞬间放出大量能量并对外做功的现象，物理爆炸能量与危害后果确定分6个步骤。

   （1） 确定压缩气体容器物理爆炸能量

   压缩气体介质，按下式计算出其爆破能量Eg：

   Eg=Cg×V

   式中：Eg——爆破能，kJ；

   Cg——常用压缩气体爆破能量系数，kJ/m3；

   V——压缩气体体积，m3。

   常用压力下空气、氮气、氧气等的爆破能量系数如下表1所示。

   表1 常用压力下气体容器爆破能量系数（绝热指数为1.4）

   见表

   （2）爆破能量转换TNT当量能量

   将爆破能量Eg换算成TNT爆破当量 q，1kgTNT爆炸放出的爆破能量为4230~4836kJ/kg，一般取平均爆破能qTNT为4500kJ/kg，其公式为：

   q=Eg/qTNT=Eg/4500………………（2）

   式中：qTNT——平均爆破能，kJ。

   q——爆炸时产生冲击波所消耗的能量，TNT，kg。

   （3）确定爆炸的模拟比α

   α=(q/qο)1/3=(q/1000)1/3

   =0.1q1/3……（3）

   式中：q——爆炸时产生冲击波所消耗的炸药量，TNT，kg；

   qο——基准炸药量1000kg，kg，TNT；

   α——炸药爆炸试验的模拟比。

   （4）确定爆炸相当距离Rο

   在1000kgTNT爆炸试验中的相当距离Rο的公式为：

   Rο=R/α…………………………（4）

   式中：Rο——目标与基准爆炸中心的相当距离，m；

   R——目标与爆炸中心距离，m。

   （5）确定爆炸距离R

   根据Rο值在表2中找出距离为Rο的超压ο（中间值用插入法），此即所求距离为R处的超压。

   表2 1000kgTNT爆炸时冲击波超压

   见表

   （6）确定爆炸危害

   根据超压值，从表3中和表4中找出对人员和建筑物的伤害破坏作用。

   表3 冲击波超压对人体的伤害作用

   见表

   表4 冲击波超压对建筑物的破坏作用

   见表

   由表5计算结果得出，规模5m3/h的医用制氧装置的氧气贮罐、空气贮罐、氧气瓶发生物理爆炸时，其爆炸能量可能造成在2~3m范围内的设备设施、建筑物损坏和人员伤害，即厂房和内部设备、操作人员受到伤害，对周边影响较小。

   表5 压缩气体容器发生物理爆炸时对目标的伤害/破坏作用

   见表

   3.1.2.2 制氧装置物理爆炸计算结果

   医用制氧装置规模5m3/h（有关参数如表5），室内有压缩气体容器如空气储气罐、氧气储罐及氧气钢瓶。根据上述计算公式，压缩气体容器发生物理爆炸时对目标的伤害/破坏结果见表5。

   3.2 化学性爆炸

   化学性爆炸是指发生激烈的化学反应，产生高温高压，使容器、设备、管道等所承受的应力瞬间远远超过它们的正常工作应力，达到材料的强度极限而导致破坏，在制氧生产过程中氧气贮罐、氧气瓶、氧压机等设备和容器的爆炸，大部分属于化学性爆炸。

   制氧生产中的化学性爆炸，可分为氧气和可燃气体混合物形成爆鸣性气体爆炸如氧气瓶充装和使用过程中发生的爆炸；氧气与固体或液体可燃物混合物发生爆炸如氧压机、氧气贮罐等设备运行。

   由于化学爆炸计算复杂，篇幅所限，不再详述。

   4 结论

   通过对医用制氧装置工艺、设备设施进行爆炸分析，得出如下结论：

   （1）医用制氧装置危险特性主要为爆炸。

   （2）通过爆炸计算可知，规模较小的医用制氧装置物理爆炸可能造成厂房、建筑、设备损坏、人员伤害，其影响范围在3m内。

   尽管独立的气瓶或氧贮罐爆炸威力影响范围较小，但应考虑到爆炸次生事件发生。

   （3）只要严格控制空气和氧气中可燃物含量，保证PSA性能完好，医用制氧装置安全可靠性就会较高。

   医用制氧装置在生产过程中，应规范安全设施和装置安全技术与工艺操作管理，认真执行操作规程，加强员工安全知识和技能的培训，实现医用制氧装置本质安全。