乙烯装置的危险性及消防处置对策

潘佳俊

摘要：乙烯是石油化工的基本有机原料，主要用来生产聚乙烯、聚氯乙烯、环氧乙烷、乙二醇、二氯乙烷、苯乙烯、聚苯乙烯、乙醇、醋酸乙烯等多种重要的有机化工产品。然而，乙烯的生产从原料、产品到整个工艺过程都具有易燃易爆、有毒、高温、高压等危险性，并且生产装置的规模正朝着集约化、智能化、超大型化发展，一旦发生泄漏、爆炸和火灾等事故，势必将会对国家和人民的生命财产安全带来极大威胁。为此，以上海化学工业区内的赛科120万t乙烯装置为例，就乙烯装置生产过程中的危险性及处置对策做简单探讨，以供相关人员参考。

关键词：乙烯装置；危险性；消防处置

中图分类号：D631.6      文献标识码：A       文章编号：2096-1227（2024）03-0055-04

1 基本情况介绍

赛科120万t乙烯装置位于上海化学工业区西河路赛科公司，由生产装置区和辅助设施两部分组成。生产装置区由裂解区、急冷区、压缩区、冷区、热区、烯烃转化区及汽油加氢区组成，装置的辅助设施由3座变、配电所和两座污水预处理池组成。

2 工艺流程简介

该乙烯装置以石脑油为主要生产原料，经过裂解区、急冷区、压缩区、冷区、热区、烯烃转化及汽油加氢七个区域，最后的主要产出物为120万t乙烯/年、丙烯60万t/年、碳四18万t/年、碳六～碳八56万t/年（注：碳四以及碳六～碳八均为烷烃碳氢化合物的统称，根据分子式中碳原子数量的不同，碳一～碳四为气体，碳五～碳十六为液体，碳十七以上为固体）、燃料油17万t/年。装置工艺流程简述如下：

2.1  裂解区

裂解区共采用9台裂解炉，其中8台为液体裂解炉，1台为气体裂解炉，液体炉中有1台为备用炉。正常操作时，原料先进入预热段进行加热，在这过程中原料汽化，再进入辐射段进行高温裂解，生成烯烃的一次反应在辐射段进行，二次反应在辐射段末端进行。

2.2  急冷区

液体裂解炉产生的裂解气经冷却后进入汽油分馏塔，气体裂解炉的裂解气一部分用作重燃料油汽提塔的汽提介质，剩余的进入急冷水塔。裂解气在急冷区中经急冷油、急冷水冷却到40℃后进入压缩系统，分离出的裂解燃料油。在急冷水塔釜冷凝下来的汽油，一部分返回急冷油塔，另一部分和压缩区冷凝下来的汽油一起被汽提出轻组分后，送往汽油加氢系统。急冷塔釜中的工艺水凝液送往稀释蒸汽发生系统。

2.3  压缩区

来自急冷塔顶的裂解气在五段离心式压缩机中被压缩到3.79MPaG。各段间分离出的汽油凝液合并后送到汽油加氢系统，分出的水返回到急冷水塔。在三段和四段之间，用碱洗或水洗以脱除裂解气中的酸性气体。五段出口排除罐的裂解气经多级冷却干燥后送往脱甲烷系统。凝液汽提塔还分出一股液体去脱丁烷塔。

2.4  冷区

裂解气经脱甲烷塔、乙烯塔、丙烯冷剂、乙烯冷剂、冷箱等多级冷却后得到凝液进入脱甲烷塔，气相分离出氢气和甲烷尾气产品。脱甲烷塔的塔釜物料进入脱乙烷塔。脱乙烷塔塔顶产物经碳二加氢脱乙炔后进入乙烯精馏塔分离出乙烯产品，釜液送往热区。

2.5  热区

凝液汽提塔和脱乙烷塔的塔釜物料进入脱丙烷塔，塔顶分出的物料进入丙炔/丙二烯反应器催化剂床层发生加氢反应，使丙炔/丙二烯加氢生成丙烯和丙烷后送往丙烯塔；釜液去脱丁烷塔。丙烯精馏塔使用双塔系统，塔顶生產聚合级丙烯，塔釜生产丙烷。脱丁烷塔塔顶分出混合碳四产品，送往烯烃转化单元和界区外储存，塔釜汽油与中质汽油和重汽油合并后作为粗裂解汽油送往汽油加氢单元。

2.6  汽油加氢区

来自热区脱丁烷塔和急冷单元汽油汽提塔的裂解汽油合并后一起进入一段加氢反应器，加氢后的物料进稳定塔，塔顶脱出轻组分，釜料进碳九切割塔。碳九切割塔的釜料碳九送界区，塔顶物料碳五～碳八馏分进二段加氢反应器。二段反应器物料进低压闪蒸罐，液相进脱戊烷塔，塔顶产出的碳五返回裂解炉进行裂解，釜料碳六～碳八馏分送芳烃抽提装置。

2.7  烯烃转化区

来自脱丁烷塔的部分混合碳四进一段加氢反应器，反应后的物料与丁二烯抽提装置来的抽余碳四混合，进二段加氢反应器。二段加氢反应器出来的物料进脱异丁烯塔，塔顶采出循环碳四返回裂解炉进行裂解，塔釜料丁烯2与乙烯一起进歧化反应器转化生成丙烯。歧化反应后的物料进脱乙烯塔，乙烯返回歧化反应器循环使用，塔釜料进脱丙烯塔。脱丙烯塔塔顶产出聚合物级丙烯产品，釜料循环碳四返回裂解炉进行裂解。

3 物料性质及装置危险程度划分

乙烯装置生产过程中所涉及的物料都具有易燃易爆的特性。这些物质一旦泄漏或受到外部刺激，极易引发火灾。特别是在高温高压的环境下，部分化学物质可能发生不可预测的反应，增加火灾事故的复杂性[1]。另外，氢氧化钠、阻聚剂、甲醇、硫酸、一氧化碳、硫化氢、硫等物质还具有腐蚀性和毒性，大量有毒有害气体散发到空气环境中，消防救援人员和现场被困人员需要做好防护处理，否则容易出现中毒、窒息现象[2]。可以说，石油化工装置事故现场综合情况复杂，牵一发而动全身，通常从物料、工艺条件和厂区布置等方面开展安全风险的辨识、分析和评估[3]。为此，笔者根据各单元中的危险物料性质及工艺特点，整理出了乙烯装置的主要危害分布及危险程度划分，结果如下：

根据危险物料性质来分，7个单元都具有火灾和爆炸的危险。物料危险性如表1所示：

其中裂解炉单元、压缩单元和汽油加氢单元还具有中毒的危险（SO2、S、H2S），冷分离单元还具有冻伤的危险（-165℃）；

根据“操作压力越大就越容易引起物料泄漏事故”的工艺特性，笔者对乙烯装置的危险程度作了如下划分：其中最危险的部位有脱乙烷塔（40m，67.2℃，2.246MPaG）、乙烯精馏塔（-12.2℃，1.68MPaG）、高压脱丙烷塔（35m，85℃，1.99MPaG）；比较危险的部位有裂解炉、脱甲烷塔（59m，-50.6℃，0.598MPaG）、碳四选择加氢反应器；中危险的部位有歧化反应器、二段汽油加氢反应器、脱戊烷塔（41m，165℃，0.45MPaG）；低危险程度的部位是粗裂解汽油储罐。

4 乙烯装置常见事故原因分析及采取的保护措施

通过对以往事故案例的统计和分析后得出，化工企业发生火灾事故的主要原因为消防安全管理工作不到位、设备维修保养不及时，生产工艺和流程把控不严格、火灾预防手段不足以及员工责任心和消防能力不足的问题[4]。

为了减少事故的发生或者在事故初期进行有效控制，除了加强人员的安全及规范操作意识外，乙烯装置主要从工艺方面和消防固定设施方面采取相应的保护措施。工艺方面的保护措施主要有：

各单元和炉子均有安全连锁系统。一旦发生事故，启动连锁系统就会使装置部分或者全部停车。

在必要的系统单元设有压力控制及排放管线。当压力失去控制时，可以通过安全阀将物料排向火炬系统。

对于有明火的炉子，比如高温裂解炉，操作时维持炉膛负压，以防止火焰外泄。

对于发生放热反应的反应器，如炔烃、烯烃加氢反应器，均设有温度保护，当发生紧急情况时，一方面可以采取切断进料，用惰性气降温等措施，将反应温度控制在安全范围内，防止反应器超温超压。另一方面，连锁系统还将打开必要冷却管线阀门以对系统进行置换和降温。

消防固定设施方面的保护措施主要有：

设置检测器。在可燃气体有可能泄漏、滞留的场合，设有可燃气体检测器；在火灾危险场所，设有火灾检测器。

设置高压消防水系统。该装置的高压消防水由厂区第二高压消防水系统供给，总供水量600L/s，供水压力0.8～1.2MPaG。

设置雨淋系统。本装置在输送烃类介质的压缩机油箱和所处位置无法用水炮保护并輸送烃类介质的泵等处，共设11套雨淋系统。

设置水幕系统。在裂解炉区朝向装置的南、北、西三侧，共设有7套水幕系统，以冲淡和稀释裂解炉周围的可燃气体。

设置消防水炮。乙烯装置内还设置了34台流量为40L/s的消防固定炮；在裂解炉西侧管廊和压缩区等设备密集区设置了8台遥控高架水炮。

此外，在装置以及配电室等处放置了一定数量的移动式干粉、二氧化碳灭火器，以便现场操作人员扑救装置初期火灾之用。

5 典型火灾事故模拟及消防处置对策

当发生大规模的燃烧和爆炸而使固定设施遭到破坏失去功用，或者事故点刚好位于固定设施射程的盲点或死角内时，就必须依靠消防救援队伍到场处置。根据上文中所提到的危险分布和危害程度划分，笔者模拟了三种突发情况并提出了相应的处置对策。

5.1  物料泄漏后导致喷火燃烧

假设灾情为：碳一～碳四物料以18kg/s的速度，从高压脱乙烷塔一个25mm的小孔中泄出，遇火源形成了长度为61m的喷射火焰。该塔高55m，最大容量约为12t碳一～碳四物料，正常操作压力为35bar，温度在-37℃～80℃之间，东邻乙烯装置热区，南邻丙烯分馏塔，西邻高架管廊，北邻脱丙烷塔。

5.1.1  对目前或潜在的危害程度作出评估和判定

根据脱乙烷塔的位置，距该塔61m半径内可能受火焰直接影响的设备有压缩机、脱乙烷塔回流罐、裂解气脱水器、氢气反应器以及相关设备高架管廊，一旦该塔发生喷火事故，如果不及时采取行之有效的处置对策，势必将形成多点燃烧，使事故形势进一步恶化。

5.1.2  灾情处置

采取工艺措施。消防队到场之后应联合企业工艺人员开展关阀断料、放空泄压、控制火源、紧急停车、上下游联动、物料转输、惰化保护、系统充氮/蒸汽等工艺措施[5]，切断对脱乙烷塔的物料供给，尽可能减少塔内已有的物料量，并启动安全联锁系统，使整个装置停车泄料。

冷却降温。除了对着火塔行冷却防止内部压力过高而发生爆炸外，也要对其他受火焰影响设备进行冷却以防止产生新的事故点。一是为了减少火焰对相邻装置的直接影响，可以先利用水枪再利用水炮将喷射火焰导向设备空旷区域。具体做法是：几组战斗员穿着隔热服，利用多支喷雾水枪，同时从喷射火焰的一侧，由远及近对准其外焰部分进行喷射，将火焰推向空旷区域。然后在此点架设数门大流量移动炮以取代水枪射流。成功布设后，人员撤离到安全区域待命。二是以使用车载炮为主，枪炮相结合。消防队到场后，利用大功率消防车的车载炮对喷火塔及周围装置的主要火点进行冷却，防止发生爆炸或者火势蔓延形成新的火点，只有车载炮射不到的盲区或死角才使用水枪、泡沫枪进行处置。这样有利于最大限度发挥各类消防设施的优势，提高灭火效果，同时有利于灭火人员的自身安全，还可以减少配置消防车和人员。

5.2  物料泄漏后与空气混合形成爆炸性蒸汽云

灾情假设为：压缩区第二段入口罐一根80mm的管道出现故障，罐内全部8.9t碳三/碳四/碳五物料泄漏后在76m的范围内形成一股处于爆炸下限值的蒸汽烟云。该罐最大容量为8.9t，正常操作压力为2.3bar，温度为32℃。消防队到场后重点采取以下措施：

5.2.1  对目前及潜在的危险进行评估

由于爆炸性蒸汽处于爆炸下限范围内，一遇到点火源即发生爆炸，因此对蒸汽进行稀释、控制点火源及疏散危险区内的无关人员成为处置事故的首要措施。同时，利用侦检测器材，从下风、侧下风方向开始，由远及近接近泄漏源进行检测，确定爆炸下限值范围，最终确定警戒区范围。采取防明火措施。所有进入危险区的事故处置人员必须穿着全棉内衣及使用无火花工具，防止产生静电、火星而点燃爆炸性蒸汽。

5.2.2  采取工艺措施

对整个装置实施停车，不但要停止物料的供给，而且要停止所有转动设备的运作及明火作业，防止产生火星点燃爆炸性蒸汽。

5.2.3  喷水稀释

主要遵循如下原则：①快速出水、围堵稀释。消防队到场后，应该首先加强第一出动，在危险区下风及侧下风方向布设数道水幕及屏风水枪，还可以利用水蒸气、惰性气体等方法进行处置，一是防止泄漏范围进一步扩散，二是稀释爆炸性蒸汽浓度。②防止积聚、确保安全。比空气重的碳三/碳四/碳五物料容易在低洼处积聚，因此在整个战斗行动中，特别是事故处置后期，必须随时消除这个可能引发事故的隐患。一是利用喷雾水枪驱赶低洼处的泄漏气体，二是打开雨水井、电缆井，向下水道灌注高倍数泡沫，以阻止泄漏气体通过以上部位泄漏，还可以抬高水位、稀释蒸汽、防止爆炸。

5.3  物料泄漏后形成流淌火

灾情假设为：急冷单元的油水分离器发生较大故障，45t汽油全部发生泄漏并形成了直径为50m的地面流淌火。消防队到场后重点采取如下对策：

5.3.1  对目前及潜在的危险进行评估

直接冷却的部位是目前正在遭受火势冲击的部位，潜在危险是可能的接触地点包括：急冷塔、加热器、乙烯塔、泵、第二段入口罐和相关高架管廊。判断地势，由于是流淌火灾，火势肯定会朝地势低的部位蔓延。因此必须在蔓延方向做好筑堤堵截的各项准备。对周围雨水井进行及时封堵，防止油火通过下水道蔓延到其他装置。

5.3.2  采取工艺措施

对受到火势影响的装置及设备实施停车、退料。首先会同现场操作人员和装置工程师，利用工艺措施，启动安全联锁系统实施停车、退料，从源头上减轻火势的进一步蔓延。

5.3.3  喷射灭火剂

在对受火焰冲击或受热影响的周围装置施加冷却水流的同时，还必须考虑到：由于是汽油泄漏燃烧，对地面流淌火应该使用泡沫进行扑救。但是，泡沫覆盖层容易受热破裂，不易覆盖全面而往往导致复燃。为了解决这个问题，笔者认为应该采取对“四分之一区域”喷射泡沫的战术，具体做法为：①将整个池火划分为四个面积相等的区域；②按最低灭火剂喷射强度6.5L/m2计算，从上风方向开始，利用数门泡沫炮同时相向地朝第一个“四分之一区域”喷射泡沫并持续15min；③在完成对第一个“四分之一区域”喷射后，重新布置泡沫炮，运用相同的方法，分别对其他三个“四分之一区域”喷射15min泡沫，直到明火全部被扑灭为止。

参考文献

[1]高庆超.石油化工企业消防安全及灭火救援准备工作探讨[J].化纤与纺织技术，2023（11）：87-89.

[2]王吉颜.石油化工突發事故的消防应急救援[J].计算机产品与流通，2020（10）：279.

[3]周坤，李灯.石油化工装置事故救援常见风险及防范[J].化工安全与环境，2023（12）：83-88.

[4]包丽雅.化工企业的火灾危险性探讨[J].日用化学品科学，2023（11）：53-55.

[5]罗永强，杨国宏.石油化工事故灭火救援技术[M].北京：化学工业出版社，2020.