硝銨裝置真空結晶機的隱患治理及安全使用探討

(四川美豐化工股份有限公司，四川 德陽 621000)

真空結晶機是結晶硝銨裝置的關鍵設備之一，其作用是將95%左右的硝銨溶液，生產成粉狀的硝銨結晶產品。

2014年2月，某廠硝銨裝置8臺真空結晶機投入使用。2014年12月，A臺在正常運行過程中突然發出巨大的爆破聲音，泄料門沖開，軸承座損壞，軸承座上的填料壓緊螺栓飛出約10 m。該事故雖然沒有造成人員傷亡和較大的設備損傷，但性質極為嚴重，造成的后果也極其可怕。

1947年，美國發生的3次船運硝銨產品爆炸，就導致1 100余人死亡，5 000余人受傷[3]。1998年，陜西某化工集團的硝銨裝置發生爆炸，死亡22人，重傷6人，輕傷52人，直接經濟損失約7 000萬元[1]。而震驚中外的天津港“8.12”事故，也是因為硝化棉自燃引起其他化學品燃燒，隨著溫度持續升高，硝銨分解速度不斷加快，達到其爆炸溫度，引起爆炸而導致事故急劇擴大。經了解同行企業，發現該型真空結晶機在使用過程中多次出現罐內燃燒、燃爆等事故。一般的解決辦法是每周均停車檢查、檢修軸承油封并重新加注潤滑油，極大地增加了日常檢修維護工作量，且不能解決根本問題。為解決該問題，通過設備結構改造，加強日常維護，從根本上解決了硝銨進入軸承的問題，取得了良好的效果。

1 真空結晶機狀況

1.1 設備參數

真空結晶機的設計及運行參數見表1。

表1 真空結晶機參數表

1.2 設備結構

硝銨真空結晶機結構見圖1。

圖1 真空結晶機結構示意

1.3 工作原理

真空結晶機在工作過程中，攪拌刮刀始終保持旋轉狀態，確保罐內硝銨在逐步結晶過程中不板結。其工作原理是在初始狀態下，關閉泄料門，通過加料口將濃度約95%、溫度125 ℃左右的硝銨溶液加入真空罐內。在攪拌狀態下，通過對罐內抽真空，使硝銨溶液中的水分逐步蒸發并結晶。當結晶硝銨中的水分含量合格后，破掉真空罐內真空，打開泄料門，利用刮刀將結晶后的硝銨排出。

根據上述工作原理可以看出，在初始狀態下，加入硝銨溶液時，真空罐內處于微正壓，壓力約0.07 MPa(g)，溫度125 ℃。而在硝銨逐步結晶過程中，真空罐內從正壓變為負壓，壓力逐漸降至-2.45 MPa(g)，溫度逐漸降至85 ℃左右。隨著設備的連續運行，真空罐內的溫度和壓力始終處于這樣一個反復交變狀態。

2 設備故障現象

2014年12月，在正常生產過程中，現場突然發出巨大的爆破聲，真空結晶機A泄料門被沖開。經檢查發現，真空罐內已結晶的硝銨表面有大約300 mm2的黑色污點，分析為潤滑脂及部分炭黑。檢查真空結晶機內部的支撐軸承，發現軸承內有大量的硝銨結晶，幾乎沒有潤滑脂。軸承座下的填料壓緊螺栓螺母脫落，一顆螺母被沖出，骨架油封的密封刃口有磨損現象。

出現該事故后，立即將結晶硝銨裝置停下檢查，發現其他幾臺真空結晶機內部的支撐軸承，也有數量不等的硝銨結晶進入，但尚有潤滑脂，未完全干磨，但填料壓緊螺栓也有部分松動。

3 事故原因分析

該設備發生事故后，立即請設備廠家一起從潤滑脂的選擇及加注、設備的日常維護及管理、設備的結構、硝銨產品的特性等方面進行了原因分析。

3.1 潤滑脂的選擇及加注

真空結晶機使用過程中，加注的潤滑脂為安治化工有限公司上海分公司生產的NAUTICA2#高性能抗水磺酸鈣潤滑脂，其基本參數見表2。

表2 潤滑脂基本參數

從表2可以看出，該潤滑脂是完全能夠滿足真空結晶機的使用溫度及潮濕的工況。

經查，該設備在日常使用過程中，維修人員每1～2個月檢查1次，根據情況加注潤滑脂。因此，因為潤滑脂本身選擇不當或未及時加注引起的軸承干磨的原因可以排除。

3.2 設備的日常維護及管理

在發生事故后，查閱了設備的日常操作記錄和維護檢修記錄。設備的日常操作工藝指標完全符合設計要求，沒有超溫、超壓現象，電機電流和溫度、設備運行的聲音等均正常。

從該設備投用后，尚未檢修，只是每1～2個月打開人孔蓋進入內部檢查各緊固螺栓是否有松動現象，并從注油孔加注少量潤滑脂，檢查軸承密封的填料是否足夠，未檢查過骨架油封是否正常。在檢查中，曾經出現過填料壓緊而導致螺栓松動的現象，及時進行了緊固。

3.3 設備的結構

從前面硝銨真空結晶機的結構示意(見圖1)及真空罐內部支撐軸承結構示意(見圖2)可以看出，該設備內部布置了支撐軸承并有潤滑脂存在。雖然為防止泄漏的潤滑脂和硝銨溶液進入軸承內部，在設備設計時，在軸承的上部設置了骨架油封，下部設置有密封填料和骨架油封。根據GB/T 9877—2008《液壓傳動旋轉軸唇形密封圈設計規范》，骨架油封的密封腔壓力≤0.05 MPa(g)[4]。在該設計中，軸承上部僅骨架油封，其密封壓力最大0.07 MPa(g)，已超過骨架油封的最大壓力，根本不能形成有效地密封。而軸承下部的密封，當填料磨損或壓緊螺栓松動失效時，含硝銨蒸氣、硝銨溶液進入軸承內部。

圖2 真空罐內部支撐軸承結構示意

3.4 硝銨產品的特性

硝銨是無色無臭的透明結晶或呈白色的結晶，易溶于水，易吸濕結塊。純硝銨在常溫下是穩定的，對打擊、碰撞或摩擦均不敏感。但在高溫、高壓和混入還原性物質時會影響并改變其物理和化學性質，甚至導致爆炸[3]。很多研究表明，在175 ℃時，油脂可以使硝銨發生分解反應并伴有氣體產生[2]。一般的研究認為，油脂的餾出成分包含多種有機物，高溫時可被氧化生成CO、CO2、焦炭及水等，而硝銨本身具有較強的氧化性，溫度較高時，兩者會發生氧化還原的放熱反應，從而促進硝銨的熱分解[3]。

綜上所述，該設備出現事故的原因為設計結構不合理，真空罐內設置了支撐軸承且有潤滑脂。當真空結晶機開始進硝銨溶液時，由于液體的下落高度有大約1 m，必然有硝銨溶液飛濺到軸承座上，同時，由于硝銨溶液溫度為125 ℃，其中的水蒸氣必然蒸發并充滿真空罐內，包括軸承座，而該水蒸氣中也含有一定量的硝銨。生產過程中真空罐內部的壓力和溫度始終隨著加硝銨溶液、抽真空、硝銨逐步結晶、結晶硝銨排出的過程，交替變化，壓力從0.07 MPa(g)到-2.45 MPa(g)，溫度從125 ℃下降到85 ℃，循環往復。由于該軸承的密封結構為骨架油封和填料密封，根據GB/T 9877—2008《液壓傳動旋轉軸唇形密封圈設計規范》，骨架油封的密封壓力也不足以滿足該工況下的密封要求。同時，在真空罐內溫度和壓力的交變作用下，填料螺栓完全可能出現松動現象，骨架油封也存在老化和磨損。設備使用一段時間后，隨著填料螺栓的松動和骨架油封的失效，密封性能變差，在罐內帶壓及抽真空狀態時，軸承座上下的硝銨溶液和蒸汽等進入軸承內部與潤滑油混合并結晶。隨著設備運行時間的增長，軸承內部的硝銨結晶越來越多，最終造成軸承干磨，軸承溫度急劇升高，引起硝銨熱分解，從而引起燃爆。

4 設備結構的改進

針對設備結構上的缺陷，經過反復論證，確定了設備的改造方案，經過計算將攪拌軸加粗，將真空罐內的支撐軸承移到真空罐外，避免設備使用過程中硝銨溶液進入軸承內部，影響軸承的潤滑并引起干磨發熱，從根本上解決引起硝銨熱分解的隱患。改造后的真空結晶機結構示意見圖3。

圖3 改造后的真空結晶機結構示意

5 安全使用管理

通過設備的改造，雖然將真空罐內的軸承移出，杜絕了硝銨溶液進入軸承的可能，但在日常生產中，結晶完成后，泄料仍然有硝銨粉塵飄逸，若不及時處理，日積月累，也可能進入真空罐外的支撐軸承內部，造成重大安全事故。因此，修訂了巡檢制度，明確操作人員每小時1次的巡檢內容，必須檢查上部軸承處是否有硝銨粉塵聚集。檢維修人員每天必須進行1次巡檢，檢查軸承內的潤滑脂是否足夠，是否有硝銨粉塵進入軸承內部的跡象，同時采用測溫槍檢查軸承運行溫度是否正常等措施，來判斷設備運行狀況。

6 結語

通過對全部真空結晶機的改造，從2015年5月開始到6月全部完成并逐臺投入使用后，一直正常運行至今，沒有出現過任何異常。說明對真空結晶機事故的原因判斷是正確的，解決問題的措施是有效的。

[1]張為鵬,趙省向,張亦安.雜質對硝銨溶液熱分解特性的影響[J].化肥工業 ,2001，28(4)：12-14，45，61.

[2] 王志榮，胡園園，吳倩.敞開氣氛中硝銨熱分解過程危險特性的實驗研究[J].中國安全生產科學技術,2010，6(1)：49-53.

[3] 王春麗.硝銨水溶液熱安全性研究[D].太原:中北大學，2010.

[4] GB/T 9877—2008，液壓傳動 旋轉軸唇形密封圈設計規范[S].