CSB经典案例分析-埃克森美孚公司Torrance炼油厂静电除尘器爆炸事故

1CSB经典案例分析—埃克森美孚公司Torrance炼油厂静电除尘器爆炸事故唐彬1天津市居安企业管理咨询有限公司何琛2上海于睿商务咨询有限公司关键词:炼油厂、静电除尘器、爆炸、美国化学品安全与危害调查委员会(CSB)摘要本文结合美国化学品安全与危害调查委员会（CSB）对埃克森美孚公司Torrance炼油厂静电除尘器爆炸事故的调查，梳理静电除尘器爆炸事故的发生过程，并从技术和管理角度综合分析、总结导致埃克森美孚公司Torrance炼油厂静电除尘器爆炸事故发生的原因和机理，分享CSB调查组对此次事故的总结与启示。1.事故简介2015年2月18日，星期三，位于美国加利福尼亚州的埃克森美孚公司Torrance炼油厂的静电除尘器发生爆炸事故。事故发生时，埃克森美孚公司正在试图隔离设备进行维护作业，维护活动的准备工作导致出现压力偏离，造成油气通过工艺流程回流进入静电除尘器，并在静电除尘器内点燃，发生爆炸。事故中涉及的静电除尘器是流化催化裂化装置（FluidCatalyticCrackingUnit，FCC）中的一个污染物控制设备，使用带电板除去再生器烟气中催化剂颗粒，以满足再生器烟气排入大气的环境要求。带电板能够产生火花，形成了潜在的点火源。2.炼油厂背景2.1埃克森美孚公司埃克森美孚公司成立于1999年11月30日，由美孚石油和埃克森石油合并而成。埃克森美孚公司在美国拥有5家炼油厂，总生产能力约1,857,500桶/天。埃克森美孚公司还从事石油和天然气勘探、钻井、原油运输和石化产品（包括汽油）销售等业务，埃克森美孚公司的化学品分公司生产多种产品，包括合成橡胶、增塑剂和催化剂等。2016年，埃克森美孚公司2财报收入为2260亿美元，净利润为78亿美元。2.2Torrance炼油厂Torrance炼油厂属于埃克森美孚公司生产规模较小的炼油厂，在加利福尼亚州南部、亚利桑那州和内华达州每天销售约1893万升的低排放汽油。Torrance炼油厂生产的汽油占加利福尼亚州南部汽油总销售量的20%，占整个州汽油总销售量的10%。Torrance炼油厂还生产航空燃料、柴油、液化石油气（LPG）、焦煤和硫磺等。Torrance炼油厂占地约3km2，拥有约650名员工和550名承包商。Torrance炼油厂位于Torrance市中心（如图1所示），城市人口约148000人。2015年9月30日，埃克森美孚公司宣布将Torrance炼油厂卖给PBF控股能源公司。PBF公司成立于2008年3月1日，在美国拥有5家炼油厂，总生产能力约884000桶/天。2016年7月1日，PBF公司正式完成Torrance炼油厂的收购，目前由Torrance炼化公司（PBF全资子公司）负责运营。图1：Torrance炼油厂及周围社区卫星图2.3工艺描述2015年2月18日Torrance炼油厂爆炸事故发生在炼油厂FCC装置，如图2所示，该装置在热和催化剂的作用下使高沸点的重质油分子发生裂化反应，转变为较低沸点的裂化气、汽油和柴油等，主要产品是汽油。3装置内静电除尘器爆炸前的一系列事件涉及了FCC装置的大部分设备。为了满足环境法规要求，再生器烟气排入大气前需经静电除尘器除去催化剂颗粒。图2：FCC装置工艺流程简图（1）催化剂循环在正常运行情况下，催化剂是以微小球形颗粒的形式在反应器和再生器之间循环，在不改变自身性质的条件下提高化学反应速率，催化剂循环流动方向如图3中箭头所示。催化剂通常是经流化的，意味着固态催化剂颗粒被夹带在烃类蒸气、水蒸汽或空气中，运动行为类似液体。催化剂一方面促进裂化反应，同时将再生器的热量传递给进入反应器提升管的重质烃供料。4图3：催化剂循环裂化反应发生在反应器提升管内，重质烃物料进入反应器提升管，通过与流化的高温催化剂接触立即汽化，开始裂化反应。随着烃类蒸汽与催化剂的混合物在提升管内上升，裂化反应持续进行。反应过程中，裂化反应生成的副产品（焦炭）附着在催化剂颗粒表面，影响催化剂效果。积有焦炭的催化剂被称作“待生催化剂”，待生催化剂和裂解的烃类油气离开提升管进入反应器沉降器，在这里大部分的催化剂颗粒从烃类油气中分离出来。然后裂解的烃类油气进入分馏塔进行蒸馏分离。待生催化剂经过待生斜管，通过待生催化剂滑阀控制待生催化剂向再生器的流动。在再生器内部，高温待生催化剂与主风机供给的空气接触燃烧，高温催化剂颗粒表面上的焦炭经燃烧反应被烧掉，恢复催化剂活性。燃烧产生的热量进一步加热催化剂颗粒，再生催化剂进入再生斜管，通过再生催化剂滑阀控制高温催化剂向反应器提升管的流动，供裂化反应循环使用。（2）分馏塔裂解的油气从反应器顶部出来，进入分馏塔。进入分馏塔的过热油气温度高于其沸点，在正常运行情况下不需要额外热量。通过分馏塔上的几个泵循环将热量带走，使气体温度降低液化，实现分离。在这些泵循环过程中，换热器将热量传递给炼油厂其他工艺物料，降低返回分馏塔的物料温度。分馏塔将反应器过来的产品分离成轻质烃、重石脑油（经进一步处理生5产汽油）、轻循环油和油浆。（3）再生器烟气从再生器顶部出来的气体成分是燃烧产品气和催化剂颗粒。如图4蓝色箭头所示，烟气进入气体/催化剂分离器，从燃烧产品气中除去大部分的催化剂粉尘颗粒。烟气中仍然含有少量的催化剂粉尘，进入膨胀节，气体膨胀做功驱动主风机。烟气热量在一氧化碳锅炉中除去（该一氧化碳锅炉实质上是作为换热器使用，采用高温的再生器燃烧产品气产生蒸汽，供炼油厂使用。该套催化裂化装置最初设计时，一氧化碳锅炉用于燃烧从再生器过来的一氧化碳，但是该工艺经过改造后，所有的一氧化碳均在再生器内烧掉），然后进入静电除尘器。静电除尘器通过带电板吸附催化剂颗粒，从烟气中除去大部分残余的微小催化剂颗粒，以满足加利福尼亚州排放标准。该工艺会在静电除尘器内部产生火花，形成潜在的点火源。图4：烟气至静电除尘器（蓝色箭头所示）（4）油气泄漏至空气部分本文把FCC装置分为两部分：“油气部分”和“空气部分”，如图2所示。油气部分包括反应器和分馏塔，空气部分包括再生器及连接至静电除尘器的再生器下游管线和设备。待生催化剂滑阀和再生催化剂滑阀用于防止空气和油气的意外混合，避免造成爆炸危险。事故当天，FCC装置处于安全停车运行模式（一种备用操作模式），这两个滑阀通过在阀门上部维持一定量的催化剂，形成一个“塞子”，以阻止反应器工艺蒸汽进入再生器或再生器工艺蒸6汽进入反应器，从而实现空气部分和油气部分的互相隔离，如图5所示。图5：催化剂隔离示意图事故发生当天，待生催化剂滑阀没有保持催化剂塞子现象，导致反应器的油气进入FCC装置空气部分的再生器，而在装置安全停车模式下，再生器不具备足够高的温度使油气燃烧。结果，可燃油气最终进入静电除尘器，与一氧化碳锅炉风扇吹入静电除尘器的空气混合。静电除尘器内部的火花引燃可燃混合物，发生爆炸。3.静电除尘器爆炸事故发生过程3.1事故发生前3.1.1膨胀节问题当FCC装置空气部分的膨胀节开始出现震动问题时，是静电除尘器爆炸事故发展的初始阶段。流经膨胀节的气体中含有少量的催化剂颗粒，随着长时间的运行，可能在膨胀节叶片上积聚，如图6所示。叶片上催化剂颗粒的不均匀分布导致膨胀节过度震动，对膨胀节造成严重损坏。Torrance炼油厂仪表系统监控到膨胀节的震动，当震动增强到一定程度时，操作人员会从膨胀节叶片上清理积累的催化剂。7图6：膨胀节叶片上积聚的催化剂颗粒2015年2月11日，星期三上午，FCC装置的膨胀节震动加剧，2月12日工作人员清理了膨胀节叶片，暂时减轻了膨胀节震动现象。然而，2月15日，膨胀节又开始剧烈震动。3.1.22015年2月16日，星期一（1）膨胀节剧烈震动并安全停车2015年2月16日，星期一上午，作业人员再次清理了膨胀节叶片，但是这一次并没有减轻震动。炼油厂人员决定在一次计划的装置负荷提升（在这种情况下通过膨胀节的流量增加会减轻震动）后进一步评估膨胀节震动问题。然而，当通过膨胀节的流量增加时反而使震动问题更加严重。下午12:50，震动达到上限，装置控制系统自动开始紧急关断，将装置转入安全停车模式，如图7所示，过程中会发生如下变化：待生和再生催化剂阀门关闭；向反应器提升管的油气供料停止；主风机和膨胀节关闭；向反应器提升管注蒸汽的阀门打开。分馏塔上的泵循环继续运转，油气停留在分馏塔内。另外，静电除尘器保持带电状态。8图7：FCC装置安全停车模式为了防止在安全停车模式发生爆炸，埃克森美孚公司依靠2个保护层隔离油气，防止装置油气部分的可燃油气与装置空气部分的空气混合。保护层包括：在每一个关闭的滑阀上部积聚一定料位的催化剂，实现物理隔离；向反应器通入充足的蒸汽，在反应器内部形成高压（高于分馏塔压力），防止分馏塔油气回流至反应器。在该起事故中，上述2个保护层均发生了失效，导致分馏塔内的油气进入了FCC装置的空气部分。（2）无法保持反应器催化剂料位2015年2月16日，当FCC装置自动转入安全停车模式时，控制系统将两个滑阀设置为关闭状态。但是，由于待生催化剂滑阀经过6年多的运行已被严重侵蚀，不能有效密封。结果，当FCC装置进入安全停车模式并且待生催化剂滑阀关闭后几分钟内，反应器内的催化剂颗粒通过被侵蚀的待生催化剂滑阀泄漏，进入再生器内，因此导致不能维持反应器内催化剂保护料位，反应器和再生器之间的隔离失效。（3）试图重启膨胀节在FCC装置处于安全停车模式下，操作人员试图重启膨胀节，以使装置重新开始运行。经过四次尝试均没有成功重启，炼油厂人员计划制定维修膨胀节的策略。操作人员估计膨胀节无法重启，是因为催化剂已在膨胀节叶片和膨胀节套之间积聚，影响叶片旋转。根据埃克森美孚公司管理层指示，操作人员开始把膨胀节从流程中隔离，并对膨胀节内部进行目视检查。但是，如果采用埃克森美孚公司安全操作程序要求的常规安全隔离方法，不能实现膨胀节隔9离。3.1.32015年2月17日，星期二2015年2月17日，星期二，炼油厂维保人员、设备可靠性工程师、操作主管和业务主管开会讨论了2012年发生的一起类似的膨胀节运行中断案例，当时重启失败后，在装置处于安全停车模式下进入膨胀节并检查了其内部情况。针对那次膨胀节进入操作，Torrance炼油厂制定了一个“偏离方案”，经管理层批准允许违背炼油厂设备隔离要求进行操作。埃克森美孚公司工程师经过制定、分析，并批准了该膨胀节隔离方案。因为那次“偏离方案”应用成功了，埃克森美孚公司决定再次使用相同的2012年“偏离方案”，隔离膨胀节进行目视检查。2015年2月17日，星期二下午，操作人员根据“偏离方案”要求开始进行膨胀节隔离操作，隔离要求包括在膨胀节出口的法兰处安装盲板。工作人员首先打开膨胀节出口处的法兰，以便安装盲板。3.2事故发生2015年2月18日，星期三上午，埃克森美孚公司维保人员准备接近打开的法兰安装盲板，但是，由于当时蒸汽正从打开的法兰处泄漏出来，考虑到安全问题，他们没有安装盲板，如图8所示。蒸汽从法兰处泄漏出来，说明待生催化剂滑阀没有实现完全密封，而且催化剂保护层已消失。尽管已经知道待生催化剂滑阀出现泄漏，埃克森美孚公司管理层仍然决定在装置安全停车模式下继续隔离膨胀节。图8：膨胀节出口法兰蒸汽泄漏10由于关闭的待生催化剂滑阀上部不存在催化剂料位，反应器蒸汽压力成为防止分馏器油气进入装置空气部分的唯一保护。埃克森美孚公司首先通过调整提升管蒸汽，以调整进入反应器的蒸汽流量，同时汽提蒸汽继续进反应器。“偏离方案”要求在膨胀节进入操作中，反应器蒸汽流量不应低于907kg/h。事故当天，在已知反应器蒸汽正通过待生催化剂滑阀泄漏的情况下，埃克森美孚公司没有评估该最小蒸汽流量是否足够防止油气进入再生器。根据要求的反应器蒸汽最小流量907kg/h，操作监督指示中控降低通过提升管的蒸汽流量，试图减少膨胀节出口法兰处泄漏的蒸汽量，以使人员可以安全地靠近法兰。上午7:16，通过提升管的蒸汽流量已从约9072kg/h降低至约3402kg/h。然而，当时操作人员并不知道此时反应器压力已太低，不足以阻止油气从分馏塔回流至反应器。分馏塔内的油气回流