天然气制二硫化碳的安全设计

冯金煜，颜廷燕

（1.北京华福工程有限公司天津分公司，天津 300384；2.天津市化工设计院，天津 300193）

二硫化碳是一种低闪点易燃液体[1]，它广泛应用于人造纤维、玻璃纸、农药、四氯化碳、橡胶、冶金选矿、石油炼制及军工等生产企业[2]。随着我国化学、冶金等工业的迅速发展，二硫化碳的用途越来越广泛，为此我国的二硫化碳生产也在不断发展。

1 二硫化碳的性质与主要生产工艺

1.1 二硫化碳的性质[1]

纯的二硫化碳是一种无色透明液体，有类似氯仿的芳香甜味，但是通常不纯的工业品因为混有其他硫化物而变为微黄色，并且有令人不愉快的烂萝卜味。

二硫化碳极易燃烧、爆炸，其闪点-30℃，自燃点90℃，爆炸极限1.0%～60%，其蒸气能与空气形成范围广阔的爆炸性混合物。接触热、火星、火焰或氧化剂易燃烧爆炸，与铝、锌、钾、氟、氯、迭氮化物等反应剧烈，有燃烧爆炸危险，受热分解产生有毒的硫化物烟气。高速冲击、流动、激荡后可因产生静电火花放电引起燃烧爆炸。其蒸气比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇明火会引着回燃。

1.2 主要生产工艺

二硫化碳可用硫磺与木炭、焦炭、石油焦、废塑料、废橡胶等进行气固相反应来制取，也可以用硫磺和甲烷、丙烯、石油气、硫化氢、二氧化硫、二氧化碳、氧硫化碳等气体进行气相反应来获得。我国目前工业生产二氧化硫，主要是用木炭硫磺法和天然气硫磺法两种方法。

木炭硫磺法是以木炭、硫磺为原料，在反应釜内用煤或电加热到830～920℃的高温下进行化学反应，所得到二硫化碳气体经过除硫、冷却、精馏等工序得到液体二硫化碳。这种方法工艺简单易行，但是生产规模小、效率低，工人劳动强度大，生产过程中不仅要消耗大量的木材，并且还产生有毒有害气体、污水、废渣，造成环境污染严重。

而以天然气为原料代替木炭生产二硫化碳，即天然气硫磺法是目前国内外首选的先进的生产路线，它与木炭法相比，不仅具有流程紧凑、结构和操作简单、可连续自控生产的优点，还可减少维修时间、提高产量、降低产品成本，具有重大的经济、社会效益。结合本人参与的二硫化碳项目，现将天然气制二硫化碳的生产工艺简述如下。

1.2.1 液硫制备

固体硫送入熔硫槽，槽内盘管加热熔融后，用液下泵送至液硫过滤器过滤后与硫冷凝回收器和克劳斯系统回收来的液硫沉清槽，一并送至液硫，再通过计量泵加压送去反应工段的加热炉，并气化过热。

1.2.2 天然气净化

从天然气配气站来的天然气先经天然气压缩机压缩，再经PSA变压吸附脱出其中的CO2和C3以上杂质后，净化气去反应工段作原料气，脱附出来的部分天然气与部分PSA前的天然气合并去反应工段加热炉作燃料气。

1.2.3 二硫化碳制备及其精馏

从液硫沉清槽经计量泵打出和按比例计量的原料天然气一起送入加热炉的炉管中进行预热。用天然气加热硫气化过热，反应炉温度670～720℃，炉管内的系统压力保持0.40MPa，天然气与硫蒸气开始反应，从反应炉出来的反应产物进入绝热反应器继续完成反应。为保证反应完全，硫加入量一般控制过量5%～10%，使绝热反应器中吸热和放热反应的温度达到平衡。

绝热反应器出来的反应产物进入硫冷凝器冷凝下来未反应的硫，再进入捕硫捕碳器捕集冷凝下来的硫，从捕硫捕碳器出来的反应气体经二硫化碳冷凝器，二硫化碳闪蒸器，二硫化碳经冷凝器冷凝成液体二硫化碳，液体二硫化碳经脱硫塔，经精馏为精制品二硫化碳进入成品贮罐，纯度可达到国家优级品标准。

分离出的硫化氢气体正常情况下，经热交换器加热至室温后，直接可用于生产甲硫醇的原料或经克劳斯工艺回收硫。

2 二硫化碳生产的危险危害性分析

2.1 主要危险、有害物质分析

天然气制二硫化碳生产过程中，主要涉及到的危险有害物质是：硫磺、天然气、硫化氢、二硫化碳等。

2.2 工艺过程危险因素分析

天然气制二硫化碳生产过程中存在的危险因素有火灾、爆炸、机械伤害、高处坠落、灼烫等。主要有害因素有中毒、灼伤、噪声等。主要设备危险因素有反应炉等泄漏发生火灾爆炸。在储存与运输过程中存在的主要危险因素有火灾、爆炸、车辆伤害等。

火灾危害：天然气制二硫化碳生产中所处理的原材料、成品、半成品均具有易燃易爆性（主要有天然气、硫化氢、二硫化碳），如果设备密封不好，操作不当，在系统氧含量超标或发生泄漏等意外的情况下，有火灾爆炸的危险。

高温：二硫化碳装置的反应炉炉温达到1000℃，设备表面散热面积较大，如有易燃物质与设备接触，极易被烤燃。在密闭容器中，高温可燃气体一旦混入空气，使氧含量增加，极易在设备、管道内发生爆炸。

火源的产生：常见的主要有明火、高温物体、电气及静电所产生的火花等。系统中的原料气以及硫化氢都是易燃易爆气体，遇高热或明火均有可能发生爆炸事故。

毒性危害：二硫化碳是损害神经和血管的毒物，硫化氢是强烈的神经毒物，对粘膜有强烈刺激作用，一旦泄漏，对人体有极大的伤害作用。有毒物质的泄漏、飞溅均会对人造成不同程度的毒害。若储罐、管道密封损坏以及腐蚀泄露，将会造成作业环境有毒有害物质浓度增加，若通风不良或未设置防护器材将会引起人员中毒。生产检修中，未按要求对设备进行清洗置换，或防护措施不到位，也会引起人员中毒。

3 二硫化碳生产中采用的安全设计[3]

整个项目选址位于西南地区，天然气资源丰富，可以确保企业生产用气，降低成本。根据生产要求及相关规范规定，按功能分区的原则，进行总体布置，其特点如下。

3.1 二硫化碳装置危险类别为甲类，按防火、防爆要求设计，厂房设计成开敞式，保证车间有良好的通风和采光，防止易燃易爆及有毒气体聚集。

3.2 生产区应与办公区、辅助生产区、生活区隔离布置。在生产区内不应设置非生产用房，不应建员工宿舍。总图中人员集中区域位于全年最大频率风向的下风向。

3.3 二硫化碳储罐区与生产区分开布置，罐区应设防火堤，防火堤内容积应大于储罐容量。二硫化碳密度比水大又不溶于水，故二硫化碳储罐和防火堤内都设有水封措施，保证二硫化碳发生泄漏，不会散发到大气中。

3.4 生产、储存使用二硫化碳的设备、管路应严密不漏，并定期检查系统的强度和腐蚀情况，同时应设有放空管或排放筒，以便在发生事故时能安全排放。

3.5 管道排放点不应直接排入下水道及大气中，应排入封闭系统中。硫化氢的取样需设置密闭取样系统，防止硫化氢泄露。

3.6 在二硫化碳、硫化氢、天然气等可燃气体散发的车间内，设备电机和照明灯应选用防爆型，并有静电接地措施；输送二硫化碳管道的流速不应超过3m/s，以免因摩擦产生静电导致起火和爆炸。

3.7 二硫化碳装置的反应炉炉温达到1000℃，设备、管道、仪表应采取高温保护措施。

4 二硫化碳生产的设计体会

由于本设计生产的介质均为易燃易爆介质，生产设计较为特殊，现总结几点设计中需特殊注意的问题。

4.1 本项目在有毒有害气体散发的车间和岗位，设置浓度自动监测报警装置（如硫化氢检测仪），并与事故通风设施联锁，保证车间内的有毒气体控制在规范允许的范围内。

4.2 二硫化碳及硫化氢管道与管道连接采用焊接[4]，管道垫片采用金属缠绕垫片及高强度螺栓。管道、管件、阀门及管道附件的设计压力为2.5MPa，法兰密封面均为凹凸面。

4.3 二硫化碳产品罐区宜布置在便于产品运输的道路边，且尽量远离人流区；二硫化碳装车区，设置了罩棚和夏季水喷淋设施。空置二硫化碳容器时，必须经过放空、清洗、用蒸气吹蒸48h后，再用蒸气置换，直至容器内低于爆炸极限的十分之一后，才能置放于空间或焊接检修。

4.4 在二硫化碳生产装置的入口处，应设人体导除静电装置。

4.5 由于本项目生产过程中涉及的物料大部分为易燃、易爆、有毒、有腐蚀、有异味的物质，设计、操作中应严格控制跑、冒、滴、漏现象的发生，一旦发生泄漏，一定要按照事故处理应急预案，及时对操作人员进行救治，保证消防设施的安全有效，将事故控制在一定的范围。

[1]周国泰.危险化学品安全技术全书[M].北京:化学工业出版社，1997.

[2]刘维昕.二硫化碳国内外工艺技术概况[J].辽宁化工，2002，31(2)：78—79.

[3]张德姜，修长征，等.全国压力管道设计审批人员培训教材[M].北京:中国石化出版社，2005.

[4]中华人民共和国原化学工业部.工业金属管道设计规范[M].北京:中国计划出版社，2008.