美国肯塔基州碳化物工业公司电石炉超压爆炸事故分析

CSB经典案例分析—美国肯塔基州碳化物工业公司电石炉超压爆炸

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:电石炉、电石（碳化钙）、爆炸、美国化学品安全与危害调查委员会(CSB)

摘要

电石（碳化钙）由于其本身物理化学性质，属于遇湿易燃物品，生产过程涉及高温、高压、乙炔、一氧化碳和粉尘等诸多危险因素，并伴随着高电压、大电流，在生产过程中灼烫、爆炸、窒息与中毒等都属于多发事故。2017年2月12日2时59分，位于新疆准东经济技术开发区新疆宜化化工有限公司电石事业部3车间的5号电石炉发生喷料灼烫事故，造成2人死亡、8人受伤，直接经济损失420余万元。电石生产行业事故的频发，充分说明了电石生产的高风险性。

本文结合美国化学品安全与危害调查委员会（CSB）对美国肯塔基州一家碳化物工业公司发生的电石炉超压爆炸事故的调查，描述电石炉超压爆炸事故的背景、过程及后果，并从技术和管理角度综合分析、总结导致电石炉超压爆炸事故的各方面原因，并分享CSB调查组针对此次事故的调查结论和建议措施。

1. 事故简介

2011年3月21日，星期一，下午约5:40，位于美国肯塔基州路易斯维尔的一家碳化物工业公司内，一台电石炉发生超压爆炸，剧烈爆炸的同时喷射出大量设备碎片、高温热气和温度约2100℃的熔融碳化钙（电石）。电石炉爆炸形成的高温热气和碎片击穿了旁边一间控制室的双重加固玻璃窗户，导致控制室内的2名工作人员严重烧伤，由于伤势过重，2名工作人员在24小时内死亡。图1为事故现场照片。

图1：事故现场照片

2. 事故背景

2.1 公司简介

该碳化物工业公司是北美区域的一家大型电石生产商，主要为钢铁企业和乙炔生产商提供电石。碳化物工业公司电石生产装置与路易斯维尔北部的俄亥俄州河毗邻，公司拥有生产、维护和管理人员共约160人，运行着一台50兆瓦特的电石炉，每年能生产120000吨的熔融碳化钙。熔融的碳化钙从电石炉中排出后，经冷却后成为固态，然后把固态碳化钙破碎，再包装成不同等级的成品电石，进行销售。

2.2 电石（碳化钙）化学性质

纯净的电石（即碳化钙）化学式为CaC2，包含2个碳原子和1个钙原子，熔点约1926℃。在室温条件下，工业生产的电石为灰黑色块状固体，通常以颗粒或粉末状供应，包含比重约75~85%的碳化钙和比重约15~25%的氧化钙和其他杂质。

电石可以与水（例如空气中的水分或者人体组织中的水分）反应，生成乙炔气（化学式为C2H2）和氢氧化钙（化学式为CA（OH）2），并释放大量热量。乙炔是一种高度易燃的气体，氢氧化钙是一种腐蚀性固体，通过接触后会刺激皮肤和眼睛，吸入后还可能造成严重的呼吸系统不适和急性肺水肿。

2.3 电石炉

电石炉通过某种材料上方的空气传导电流，为这种材料加热，称作间接电石炉。还有一些设

计中，电石炉也通过材料传导电流为自身加热，称作开弧炉和埋弧炉。电流通过大型导电体（称作电极）进入电石炉。在埋弧炉中，电极穿过被加热的材料，通电后材料周围空气中的电弧产生辐射加热，电流通过材料时产生直接电阻加热，渗透材料的电弧形成的高温气体产生对流加热，通过上述过程提供热量生产电石。电石炉可以产生数千摄氏度的高温。

电石生产工艺中，焦炭和石灰块（氧化钙，化学式为CaO）预先进行混合后被送入电石炉，电极通过电石炉炉盖伸入焦炭和石灰堆中。当电石炉通电后，把送入的混合物料加热至2260℃以上，焦炭中的碳在高温条件下与石灰反应，生成液态的碳化钙和具有毒性、可燃性的一氧化碳（副产物）：

CaO+3C→CaC2+CO

石灰+碳+热量→碳化钙+一氧化碳

由于焦炭中含有一些氢原子，该过程还会释放出极度易燃的氢气。

2.4 设备描述

该碳化物工业公司的电石炉位于一栋五层建筑物的一楼，如图2所示。由于电石炉自身的高度，电石炉炉盖位于二楼，用于电石炉操作人员控制化学物料和电力输入的控制室也位于二楼。该控制室的窗户是双层的，约1.27cm厚，并进行过金属加固处理。控制室窗户距离电石炉炉盖约3.7m远。

图2：电石炉结构示意图

电石炉是一个具有耐火材料衬里的金属罐，侧壁上设有3个孔，用于排出熔融的碳化钙产品。这3个孔的位置位于一楼和二楼之间的中层楼高度。电石炉炉盖约1.2m高，由具有耐火材料衬里的金属制成，使用水冷却降温。耐火材料衬里可以防止电石炉内的高温物料接触并熔融金属储罐和炉盖。电石炉炉盖由几部分通过螺栓组装到一起。冷却水从每个空心部分流过，作为防止过热的附加保护。

3个电极穿过电石炉炉盖，电极从五楼向下延伸至二楼高度以下，位于三楼的3个变压器为电极提供交流电。

位于四楼的储罐储存着预先混合的焦炭和石灰物料，传送机系统把物料分配至斜槽里，再从斜槽向电石炉电极周围卸料。焦炭和石灰混合物料通过电极鞘与电极穿过电石炉炉盖的孔之

间的空隙流入电石炉内。

2.5 工艺描述

如图3所示，电石生产装置分别通过卡车和铁路接收输送过来的焦炭和石灰物料。烘干设备把焦炭进行干燥处理，并通过称重系统把焦炭与石灰以期望的比重进行混合，送入电石炉。一套储罐和斜槽系统把固态的混合物料（焦炭和石灰）通过电石炉炉盖分布在3个电极周围。电石炉内含有高温的原料、液态的碳化钙和可燃、有毒气体副产品，包括氢气和一氧化碳。焦炭和石灰混合原料通过供料斜槽进入电石炉，漂浮在液态碳化钙的表面，在每个电极周围形成厚层物料。

电石炉保持在微正压条件下运行，防止空气被吸入电石炉中并点燃可燃气体。电石炉内产生的气体主要从排放系统进入湿式洗涤器，通过与液体接触把气体中的污染物除去。有些气体会从电极鞘与电极穿过电石炉炉盖的孔之间的空隙进入电石炉二楼。除了监控电力消耗、电极消耗和物料流量等参数，工作人员会通过控制室窗户观察工艺气体从电石炉出来后接触空气自燃产生的火焰形状（体积、颜色和动态）判断生产过程的状态。

图3：工艺流程示意图

3. 电石炉超压爆炸事故分析

3.1 物理原因

CSB调查组无法确定此次电石炉超压爆炸事故的准确原因，但是通过审查生产装置记录、员