Awaryjne przetłaczanie amoniaku w zdarzeniach komunikacyjnych – założenia metody


W celu zminimalizowania negatywnych skutków związanych z awariami podczas przewozu amoniaku bezwodnego koleją w Zakładowej Straży Pożarnej Grupa Azoty Zakłady Azotowe „Puławy” S.A. opracowana została nowa technika przetłaczania ciekłego amoniaku. Jest to rozwiązanie innowacyjne, niestosowane do tej pory w działaniach ratowniczych. Metoda ta możliwa jest do zastosowania w terenie zurbanizowanym, jak również w miejscach pozbawionych infrastruktury.
Do przetłoczenia amoniaku wykorzystano zjawisko przepływu cieczy pomiędzy zbiornikami, w których panuje różne ciśnienie.
W celu stałego utrzymania przepływu amoniaku wskazane jest utrzymanie w cysternie opróżnianej ciśnienia większego o ok. 0,5 bar w stosunku do ciśnienia panującego w cysternie napełnianej.
W cysternie zawierającej amoniak ciekły, przeznaczonej do opróżnienia ciśnienie uzależnione jest od temperatury amoniaku.  Ciśnienie to można oszacować z zależności prężności pary nasyconej nad amoniakiem ciekłym od temperatury. Dla przykładu w temperaturze ok. 25 °C ciśnienie w cysternie będzie wynosiło ok. 10 bar. Ciśnienie początkowe amoniaku gazowego w cysternie przeznaczonej do napełnienia w większości przypadków będzie się zawierało w granicach 3-6 bar. Później, po częściowym napełnieniu cysterny ciśnienie również uzależnione jest od temperatury amoniaku.
Aby osiągnąć różnicę ciśnień do cysterny opróżnianej podawany jest azot gazowy. Azot gazowy otrzymywany jest w wyniku odparowania azotu ciekłego w parownicy atmosferycznej. Ciekły azot dostarczany jest w zbiorniku kriogenicznym.
Z kolei obniżenie ciśnienia w cysternie napełnianej możemy osiągnąć poprzez odprowadzenie amoniaku gazowego, częściowe odparowanie znajdującego się w niej amoniaku ciekłego i w konsekwencji obniżenie temperatury amoniaku. Gazowy amoniak z cysterny napełnianej kierowany jest do specjalnego pieca przeznaczonego do spalania amoniaku gazowego. Piec zasilany jest gazem propan-butan z butli. Z praktyki wyniesionej z ćwiczeń i akcji ratowniczych polegających na przeprowadzaniu utylizacji amoniaku gazowego można wnioskować, że butla propan-butan o pojemności 11 kg  powinna wystarczyć na okres ok. 3 godzin podtrzymywania palenia. Chcąc zapewnić nieprzerwaną prace pieca przez cały okres przetłaczania jednej cysterny amoniaku o pojemności 47 ton i zachowanym przepływie ok. 7-8 ton/h ciekłego amoniaku powinniśmy zabezpieczyć ok. 3 butle 11 kg gazu propan-butan (rysunek 1).
Opracowana technika pozwala na przetłoczenie amoniaku bez korzystania z pomp lub z kompresorów.
Ponieważ metoda wykorzystuje różnicę ciśnień to warunkiem jej skutecznego zastosowania jest szczelność opróżnianego zbiornika.

Rysunek 1. Przetłaczanie amoniaku. Założenia teoretyczne


Zestaw do przetłaczania amoniaku ciekłego (rysunek 2) składa się z następujących elementów:
- zbiornika kriogenicznego do magazynowania i transportu ciekłego azotu,
- parownicy atmosferycznej,
- pieca do spalania amoniaku gazowego,
- zestawu węży chemicznych DN 50 oraz przyłączy redukcyjnych.

Rysunek 2. Elementy zestawu do przetłaczania amoniaku.


Do podłączenia węży chemicznych do cystern zaprojektowano specjalne przyłącza montowane na zaworach fazy ciekłej i gazowej. Przyłącza te umożliwiają również monitorowanie ciśnienia oraz bezpieczne odprowadzenia resztek amoniaku z układu po zakończonym przetłaczaniu bez konieczności rozkręcania węży chemicznych (rysunek 3).

Rysunek 3. Przyłącza fazy ciekłej i gazowej


Po zmontowaniu układu i kontroli jego szczelności, poprzez podanie gazowego azotu można rozpocząć przetłaczanie amoniaku.
W większości przypadków początkowa różnica ciśnień między cysternami pozwala na przepływa amoniaku ciekłego bez podawania azotu i odprowadzania amoniaku gazowego. Z czasem konieczne staje się zastosowanie jednego lub obu sposobów wytworzenia różnicy ciśnień.

O tym, że amoniak został przepompowany możemy się przekonać obserwując poziom cieczy w cysternie opróżnianej. Na ogół występuje różnica temperatur pomiędzy częścią cysterny zawierającą fazę ciekłą i gazową. Na części płaszcza cysterny mającej kontakt z ciekłym amoniakiem może wystąpić skroplenie wilgoci a nawet szron. Można również skontrolować temperaturą płaszcza cysterny np. pirometrem. W celu uzyskania większej różnicy temperatur można fragment cysterny, na której wykonujemy pomiar temperatury pirometrem ogrzać ciepłą wodą np. z myjki wysokociśnieniowej.
W sprzyjających warunkach granicę fazy ciekłej i gazowej można określić również dotykiem dłoni. W miejscu granicznym będzie wyczuwalna różnica temperatur.
Ilość przetłoczonego amoniaku można oszacować również na podstawie czasu przetłaczania i różnicy ciśnień. Dla przykładu utrzymując różnicę ciśnień między cysternami w granicach 2-3 bar przy średnicy węży łączących zbiorniki DN50 można się spodziewać, że szybkość przetłaczania amoniaku będzie wynosiła około 7-8 ton/h.

W celu bezpiecznego i skutecznego przeprowadzenia przetłoczenia amoniaku niezbędna jest znajomość budowy zaworów oraz zbiorników cystern. W Polsce, koleją amoniak bezwodny transportowany jest trzema rodzajami cystern:
1. W cysternach z dolny rozładunkiem i załadunkiem z zaworem głównym GESTRA HWV 55/46 odcinającym jednocześnie fazę ciekłą i gazową. Otwarcie tego zaworu wymaga zastosowania haka bezpieczeństwa.
2. W cysternach z górnym rozładunkiem i załadunkiem z zaworem głównym pneumatycznym GESTRA PV 65 odcinającym jednocześnie fazę ciekłą i gazową.
3. W cysternach z górnym rozładunkiem i załadunkiem z zaworami grzybkowymi.
W celu ułatwienia montażu zestawu do przetłaczania amoniaku dla każdego typu cysterny opracowano schematy połączeń zestawu do przetłaczania.

Przy opracowaniu metody przepompowywania ciekłego amoniaku starano się przewidzieć potencjalne sytuacje awaryjne i zapobiec wystąpieniu zagrożeń dla ratowników biorących udział w działaniach ratowniczych oraz środowiska.
Pomimo starannego doboru sprzętu może jednak dojść do problemów technicznych, w konsekwencji których wystąpi wyciek ciekłego lub gazowego amoniaku. W momencie wystąpienia niekontrolowanej emisji amoniaku do atmosfery należy jak najszybciej zamknąć główne zawory fazy ciekłej i gazowej obu cystern.
W zależności od typu cysterny zamknięcie zaworów polega na:
  1. Dla cysterny z dolnym rozładunkiem i załadunkiem - energicznym pociągnięciu liny haka bezpieczeństwa cysterny napełnianej i opróżnianej.
  2. Dla cysterny z górnym rozładunkiem i załadunkiem – opróżnieniu układu pneumatycznego otwierającego zawory obu cystern.
  3. Dla cysterny z górnym rozładunkiem i załadunkiem (rosyjska) – ręcznym zamknięciu zaworów fazy ciekłej i gazowej znajdujących się na górze cysterny - cysterna nie posiada mechanizmu bezpieczeństwa umożliwiającego zdalne i szybki zamknięcie zaworów

Podczas wykonywania czynności polegających na przetłaczania ciekłego amoniaku należy zastosować następujące środki bezpieczeństwa:
  1. Samochody oraz ratownicy nie biorący udziału w przetłaczaniu amoniaku pozostają po stronie nawietrznej w stosunku do położenia cystern.
  2. Od strony zawietrznej cystern, prostopadle do kierunku wiatru ustawiamy działko przenośne. W momencie rozszczelnienia armatury i wycieku amoniaku podajemy przez działko prąd wody w celu absorpcji amoniaku gazowego.
  3. Ratownicy odkręcający zaślepki podłączenia fazy gazowej i ciekłej oraz otwierający zawory fazy gazowej i ciekłej obu cystern powinni być wyposażeni w aparaty powietrzne. 
  4. Należy zapewnić ratowników pozostających w stałej gotowości do wejścia w strefę zagrożoną emisją amoniaku wyposażonych w aparat powietrzny i ubranie gazoszczelne (ubranie pozostaje otwarte).
  5. Rozwinąć jedną linię gaśniczą zakończoną prądownicą wodną w celu ochrony ratowników wchodzących w strefę skażoną amoniakiem.
  6. Podczas wykonywania czynności związanych z demontażem zestawu węży chemicznych należy pamiętać, że wewnątrz korpusów zaworów kulowych może być obecny w śladowych ilościach amoniak. 

Opracowana metoda została sprawdzona podczas ćwiczebnego przetłaczania amoniaku i prowadzonych działań ratowniczych.