保护气体站为非爆炸性气体危险环境的说明

纪峰(河南省正大工业工程技术有限公司， 河南 郑州 450002)

保护气体站为非爆炸性气体危险环境的说明

纪峰(河南省正大工业工程技术有限公司， 河南 郑州 450002)

笔者在一个热镀铝锌硅钢板材项目的安全评价工作中，部分专家对其保护气体站是否需要采用防爆措施存在一些争议，本文通过相关规范的符合性分析、计算，对保护气体站不属于爆炸危险区进行说明。

保护气体站；非爆炸性气体危险环境；说明

1 概况

大多数热镀铝锌硅钢板材项目保护气体站布置于生产厂房附房内，且附房基本长36m，宽6m，高5m，与厂房之间要求采用实体防火墙隔开，上部采用混凝土预制板和轻质屋面板。在附房的向外侧墙壁设置3台22kW的轴流风机，每台通风量14000m3/h。

保护气体站内布置2台氨分解炉，平均分解能力为90Nm3/h。炉内采用电加热辐射盘管，温度为800～850℃。

2 氨分解和制氮工艺

2.1 市工艺流程图

图1 氨分解工艺流程简图

2.2 工艺流程概述

(1)制氮工艺。首先空气经空压机压缩后，出口压力为0.8MPa，出口温度≤45℃，含油量≤5ppm。压缩空气先进入C级过滤器初步过滤(除去大部分油、水、尘埃后使含油量≤1.0ppm，含尘量≤1μm)，再进入冷冻式干燥机除水(使压缩空气的露点降至-20℃左右，除去大量的水分)，再经T级和A级过滤器精密过滤(使含油量≤0.01ppm，含尘量≤0.01μm)。 然后洁净的压缩空气先进入空气缓冲罐，再进入制氮机制取氮气，氮气再进入氮氢配比装置。

制氮机工作原理：由两个填装吸附剂(主要为碳分子筛，复合床结构)的变压吸附分离系统组成，即FD-440型制氮装置。洁净的压缩空气由吸附塔底端进入，气流经特殊的空气扩散器扩散以后，均匀进入吸附塔，进行氧氮吸附分离，然后从出口端流出氮气，进入氮气缓冲罐，之后经均压和减压(至常压)，吸附剂脱除所吸附的杂质组分(主要为氧气)，完成吸附剂的再生。两个吸附塔交替循环操作，连续送入原料空气，最后通过粉尘过滤器连续生产纯度≥99%的氮气，产量为200Nm3/h，氮气输出压力为≤0.6MPa(可调)，氮气常压露点为≤-40℃。

FD-440型制氮机配备了氮气分析仪(量程95-99.999%)，可数字显示、在线分析，保证氮气纯度控制在99%以上。

从氮气缓冲罐出来的纯度为99%的氮气经过氮气纯化装置处理后，除去氮气中的杂质、水分和尘埃，得到高纯度氮气，其氮气产量440Nm3/h，氧含量≤3ppm，露点≤-60℃，氮气输出压力为≤0.6MPa(可调)。

制氮装置配备了氮气分析仪+微量氧分析仪，可数字显示、在线分析，保证氮气纯度控制在99.999%以上。合格氮气经过增压机增压后输送至用气点，经过2个减压阀组，减压至0.5MPa，与后续用气管路连接。

(2)氨分解工艺。液氨自液氨储罐中经汽化器汽化后，进入氨分解制氢装置，在装置内经换热器换热，约700℃左右进入AQ型氨分解炉，氨气在装置内经催化剂作用下，分解为氮气和氢气。小部分氮氢混合气进入低压缓冲罐，经氢压机加压后进入另一缓冲罐，再进入氮气纯化装置除氧；大部分氮氢混合气直接进入氮氢配比装置，和制氮机制取的氮气配比后，进入退火炉。

2 非爆炸性气体危险环境的说明

2.1 根据明火和高温进行说明

根据《爆炸危险环境电力装置设计规范》GB50058-2014第3.2.2条，符合下列条件之一时，可划为非爆炸危险区域：

(1)没有释放源并不可能有易燃物质侵入的区域；

(2)易燃物质可能出现的最高浓度不超过爆炸下限值的10%；

(3)在生产过程中使用明火的设备附近，或炽热部件的表面温度超过区域内易燃物质引燃温度的设备附近；

(4)在生产装置区外，露天或开敞设置的输送易燃物质的架空管道地带，但其阀门处按具体情况定。

由于氨分解炉的电加热辐射管的温度为800～850℃，远远高于氢气的着火点591℃，另外刚分解完毕的氮氢保护气温度为800℃，也属于高温气体，所以该保护气体站场所属于上述条款中的第3条的情况，即：“在生产过程中使用明火的设备附近，或炽热部件的表面温度超过区域内易燃物质引燃温度的设备附近”所以该保护气体站可视为非爆炸危险区域。

2.2 根据通风水平进行计算说明

《氢气站设计规范》GB50177-2005第10.0.5条，有爆炸危险房间的自然通风换气次数，每小时不得少于3次；事故排风装置换气次数每小时不得少于12次，并与氢气检漏装置联锁。

若考虑保护气体压缩和供气设施位于气体保护站的西侧，距离高温氨分解炉有一定的间距，为了提高安全水平，企业在保护气体站的北墙设置了3台22kW的轴流风机，每台通风量14000m3/h，常规时期可开2备1。

(1)换气次数和新风量。根据保护气体站的建筑尺寸，保护气体站的内部空间体积为：

36m×6m×5m=1080m3

机械强制通风量为：

14000m3/h×2=28000m3/h

则换气次数为：28000/1080=25.9次/小时，远高于国家标准事故通风不小于12次/小时。

(2)氮气混合气的爆炸下限值计算。根据项目工艺，氨分解直接气由75%体积比的H2和25%体积比的N2组成，然后再通入氮气(由变压吸附制氮机提供)，使保护气变成22%体积比的H2和78%体积比的N2组成。

然后计算该(75% N2、25% H2)保护气的爆炸下限：(图1)

根据项目运行实际情况，该项目惰性气体比可燃气体的分数是78/22=3.55

查表如下：(图2)

根据上表中的氮氢混合气爆炸上下限的曲线坐标，可知(75% N2、25% H2)保护气的爆炸下限为21%。则爆炸下限的10%为2.1%。

(3)氮气混合气的泄漏量计算。①气体流动状态。当式(1)成立时，气体流动属音速流动；当式(2)成立时，气体流动属亚音速流动。

氢气和氮气都属于双分子气体，绝热指数k取值1.41。混合气的供气压力为微正压，约为240Pa ～500Pa(退火炉内氮氢保护气氛压力为200Pa)，大气压取值105Pa，则P0/P=0.005，根据公式计算[2/(k+1)]k/(k-i)=0.526，则P0/P＜ [2/(k+1)]k/(k-i)，所以气体泄漏呈音速流动。

图1

②气体泄漏量计算。气体泄漏呈音速流动时，泄漏公式为：

Cd取值1.00

A裂口面积=0.0018m2(管径DN80mm，根据《安全评价》第三版，28章的泄漏情况综述，管道的典型泄漏可取联接管道管径的20%～100%，本次计算裂口形状取不规则的圆形)。

M=相对分子量取值22.3

T=293K

R=8.314J/mol.K

ρ=0.995kg/m3

带入公式(3)得：

Q=0.05895kg/s

常温常压下，该保护气的密度ρ=0.995kg/m3，于是泄漏量

Q=0.0589/0.995=0.0592m3/s=212.22m3/h。

(4)气体泄漏下限计算。该项目机械强制通风量为：14000m3/h×2=28000m3/h，则若达爆炸下限的10%即为2.1%的情况，则泄漏量至少应为28000m3/h×2.1%=588m3/h。

则根据上述计算212.22m3/h的泄漏量小于588m3/h，达不到爆炸下限的10%。另外，该项目氮氢保护气实际生产量为300Nm3/h，即使全部泄漏在保持风机常开的情况下也达不到爆炸下限的10%。

所以该项目的保护气体站在采取通风措施后也可以符合《爆炸危险环境电力装置设计规范》GB50058-2014第3.2.2条的第二种情况。结合以上2点说明，该保护气体站属于非气体爆炸危险区域。

图2