【科普】液氨制冷原理及吉林事故分析

眼镜蛇osicl

一、液氨制冷的原理

此次出事的禽业公司，通俗的理解是一个“养鸡场”，养鸡场怎么会用到液氨呢？相信很多人一开始对此并不理解。更有网友质疑说，食品行业使用有毒物质氨，是不是又一个“有毒食品行业潜规则”？因此，我认为有必要将液氨的用途简要介绍一下。
液氨主要用于制冷。工业上制冷原理主要分为“压缩式制冷”和“吸收式制冷”，前者工艺比较成熟，成本较低，而后者在节能与安全性方面要强一些。本例中应该是用前者。
压缩式制冷的原理和我们家用的空调、电冰箱的制冷原理基本是相同的。本质而言，制冷过程其实就是将热量从一个地方转移到另一个地方而无视温度差（大多情况下是从低温到高温），这样，根据热力学第二定律，就必然要损失一部分功或热。实现这一过程，就要建立一个制冷循环，通过一种物质作为热量的载体（制冷剂）在循环中流动而实现。氨就是一种制冷剂；冰箱中的氟利昂也是一种制冷剂。
学过物化的同学应该会对“卡诺循环”有印象。制冷循环就是一个“逆卡诺循环过程”。在制冷循环中，最关键的一步是利用“节流膨胀效应”（也叫焦耳-汤姆逊效应）的原理：流动的流体压力突然降低，根据焦耳-汤姆逊效应，温度也会随之降低。具体而言，这里是一个节流阀，作用是将流体的压力减小；而压力的增大过程则是通过压缩机来实现的，这里要外加功，能耗主要在这里。这样在这个回路中，流体从压缩机出来之后、进入节流阀以前是高压状态，从节流阀出来、进入压缩机以前是低压状态；再加上一个蒸发器、一个冷凝器，分别负责热量的吸收和释放，就构成了一个完整的循环。如下图（《化工热力学（通用版）》，第一版，马沛生等著）。

                               
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图一

这是简图，工业上具体的过程要复杂一些，但基本原理差不多。如下图（氨吸收制冷及压缩制冷工艺比较，朱延煜，广州化工，2010年38卷第7期220-221页）。

                               
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注1)透平;(2)表冷器;(3)冷凝液泵;(4)一段进口分离器;(5)二段进口分离器;(6)氨压缩机;(7)一段出口冷却器;(8)二段出口冷却器;(9)压缩机最终冷却器;(10)氨冷凝器;(11)液氨储罐;(12)闪蒸槽;(13)过冷器;(14)惰性气体冷却器;(15)液氨泵;(A)透平驱动蒸汽;(B)冷凝液;(C)氨气;(D)液氨;(E)放空气。

图二

压缩机将从蒸发器来的低压蒸汽进行压缩，变成高温、高压蒸汽后进入冷凝器，受到水或空气的冷却而凝结成高压液体，再经过节流机构后变成低压液体，其蒸发温度也相应下降，于是在蒸发器中吸收热量，使被冷却介质温度降低。氨由液态变为气态，重返压缩机，再进行下一个循环。
来自脱硫、脱碳工段的-38℃氨气体，压力约为0.07MpaA，进入一段进口分离器，将气体中的液滴分离出来后进入离心式氨压缩机一段进口，经三段压缩后，出压缩机气体压力为1.65MpaG，温度约为135℃，进入氨冷凝器。氨蒸汽通过冷却水冷凝成液体后，靠重力排入氨储槽。由储槽出来的温度为40℃氨液体节流到0.3MpaG进入氨闪蒸槽，氨液体降温至约-2℃，氨闪蒸气经二段分离器后进入压缩机二段进一步压缩至排气压力。出闪蒸槽的氨液体进氨过冷器的管程，温度进一步降低后送往脱硫、脱碳工段。再次经各冷点调节阀节流至-38℃，蒸发后的气体返回到本系统完成制冷循环。（以上数据来自：氨吸收制冷及压缩制冷工艺比较，朱延煜，广州化工，2010年38卷第7期220-221页）
到这里我们应该知道液氨是干什么的了。它的作用相当于我们冰箱里的氟利昂，我们把食物放在冰箱里，并不是把食物泡在氟利昂里吧。所以食品行业用液氨作制冷剂，没有什么问题——液氨是封闭在循环里，和食品是不接触的。如果不出现泄露等意外事故的话。
由于液氨成本较其他制冷剂（如氟利昂）为低，所以工业上应用较广泛。当然，由于其腐蚀性、毒性和易燃易爆性等危险性质，如果能有更好的制冷剂以取代它则更好。目前我国正逐步用氟利昂来取代液氨。但是，工艺更新换代需要一个过程，目前液氨仍然在工业上广泛使用着。而且氟利昂就一点问题也没有吗？相信大家对氟利昂的问题应该了解的比液氨多吧，这里就不用多说了。
所以，工业上使用的东西，没有绝对的安全，关键是有充分的安全防范意识。

二、氨为什么会爆炸？

对于氨是一种易燃易爆气体，相信很多同学都和我一开始一样——没听说过。的确，这个知识应该属于“冷知识”，我们从中学到大学，氨倒是没少接触，可这件事竟然没有多少人告诉过我们。实际上，氨是可以燃烧的：

                               
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这其实不难理解，我们应该记得航天中一种火箭燃料是液肼（N2H4）吧。既然肼可以燃烧，氨为什么不可以？就像既然甲烷可以燃烧，为什么乙烷不可以一样。
而氨气的爆炸极限是15.8%——28%，最低值不算低，范围也并不算宽，通常来说发生爆炸的确不太容易。再加上氨本身就是一种有强烈刺激性气味的气体，早在达到15.8%的浓度以前，人们应该早就被熏跑了。
但是作为氨制冷车间的工人而言，却有可能由于习惯了氨的气味，反而“久而不闻其臭”了。因此，对于外人而言早就可以窒息的气味，在他们闻来可能根本没有感觉！

三、爆炸原因分析

此次爆炸，直接原因应该是液氨泄露，使空气中氨的浓度达到爆炸极限，再遇到电火花或明火。
虽然原因并不复杂，但我们要问的是：为什么会泄露；为什么会有明火。
作为循环使用的制冷剂，液氨在系统中是没有消耗的。因此，稳定运行个一年两年应该是不成问题的。然而，由于氨具有腐蚀性，而工作环境也是高压，长年累月下来，设备（尤其是管道的连接处和焊接处）由于腐蚀而出现漏洞，最终导致泄漏，更是必然的。因此，只要有足够的安全意识，就应该对其进行定期检查，防患于未然。
此外，受禽流感的影响，该企业在事故前处于长期停产状态。制冷设备也处在停工状态。大家生活中应该都有这样的经验：很多设备，停工时比运行时更容易坏。因此，在这长期的停工过程中，液氨对管道应该是缓慢腐蚀的。而据说此次事故是在开工五六分钟以后就发生了，更加说明，泄露其实早就发生了。有可能头天晚上漏了一夜，甚至已经漏了好几天都有可能。这样，空气中的氨气积累，达到爆炸极限，一旦开工，设备运行摩擦或电路接通、人员走动都有可能会产生电火花，就产生了爆炸。
所以，在这种长期停工之后，重新开工之前，对设备的全方位检查应该是必须的。只要进行过这样的检查，就一定能够发现泄漏，悲剧也就能避免了。可惜没有。安全意识淡薄，太急于开工而忽视了安全检查，正是事故发生的深层次原因。

四、反思

事故发生了，生命无法挽回，然而教训是必须吸取的。对于化工行业而言，安全、环保是头等重要的，这是颠扑不破的真理。很多人对化工行业有误解，可能主要是因为化工行业是危险性很高的行业。其实，只要有充分的安全防范意识和环保意识，随着技术越来越进步，化工的安全生产、清洁生产是完全可以做到的。很多事故，都是安全意识、环保意识淡薄导致的。一次事故顶的上十次安全教育，希望搞化工的同学能够时刻绷紧这根弦，珍惜自己和他人的生命，让化工生产更加安全环保，以消除老百姓的误解，促进社会的进步。

鸡腿君

好专业呀，虽然不怎么看的懂，赞一个吧