大型、超大型煤化工配套空分設(shè)備的安全使用

大型、超大型煤化工配套空分設(shè)備的安全使用

1煤化工配套空分設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀中國是一個相對富裕的國家，缺乏石油、少氣和煤炭（煤炭人均占有量世界的一部分）。根據(jù)《中國國家安全研究報告(2014)》,我國2012年能源消費總量為36.2億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,比2011年增長3.9%。一次能源消費結(jié)構(gòu):煤炭占68.5%,石油占17.7%,天然氣占4.7%,核能占0.8%,水電及其他可再生能源占8.3%。2013年我國煤炭凈進口量達3.2億噸,比2012年增加4000萬噸,再創(chuàng)煤炭進口量新高。2013年我國天然氣消費量達到1676億m3,對外依存度首破30%,達到31.6%,且有繼續(xù)升高趨勢。2013年我國原油進口突破2.8億噸,對外依存度達到58%,首次超過50%這一“國際安全警戒線”。我國能源安全形勢嚴(yán)峻。為了全面建成小康社會,實現(xiàn)中國夢;為了適應(yīng)國民經(jīng)濟快速、穩(wěn)定、健康、可持續(xù)發(fā)展;為了建成資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會,科學(xué)發(fā)展;為了國家能源安全,適合要求的以煤制油、煤制天然氣、煤制氫、煤制烯烴、煤制二甲醚、煤制乙二烯和IGCC(整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng))為代表的新型煤化工和新能源風(fēng)起云涌,獲得了快速發(fā)展。煤化工是以煤炭為原料,經(jīng)過化學(xué)方法將煤炭轉(zhuǎn)化為氣體、液體和固體產(chǎn)品或半成品,再進一步加工成一系列化工產(chǎn)品或石油的工業(yè)。煤氣化技術(shù),是煤化工產(chǎn)業(yè)鏈中的龍頭技術(shù)。隨著我國煤化工的大發(fā)展,煤氣化技術(shù)多達十余種,既有國外引進的也有自主開發(fā)的。截至2012年,我國已連續(xù)5年成為全球最大的煤氣化市場。煤氣化技術(shù)與空分技術(shù)緊密相連,空分設(shè)備成為煤化工發(fā)展的關(guān)鍵,不能或缺。據(jù)資料記載,我國“十二五”期間,新型煤化工大發(fā)展,2015年規(guī)劃所需空分設(shè)備制氧能力達600萬m3/h左右,約合60000m3/h等級以上空分設(shè)備100套,其中8萬10萬m3/h空分設(shè)備的比例很大。2013年4月,神華寧夏煤業(yè)集團“煤制油”項目招標(biāo)12套10萬m3/h空分設(shè)備合同,總額40億元,創(chuàng)下全球空分行業(yè)迄今為止一次性簽約金額最高記錄,號稱“全球第一單”。煤化工配套空分設(shè)備具有容量大、壓力高、等級多、環(huán)境差及控制嚴(yán)等特點。容量大指總?cè)萘考皢螜C容量均大,一個煤化工項目每小時氧氣需用量少者數(shù)萬立方米,多者數(shù)十萬至百萬立方米。單套空分設(shè)備一般采用大型或特大型(≥60000m3/h)空分設(shè)備,以60000m3/h空分設(shè)備居多,8萬10萬m3/h空分設(shè)備也不少?？辗衷O(shè)備規(guī)模大,發(fā)生事故時的損失大,而且空分設(shè)備在整個煤化工生產(chǎn)流程的前端,一旦發(fā)生事故會給整個煤化工生產(chǎn)造成更大損失。壓力高、等級多是指氧、氮產(chǎn)品壓力均高且等級多。氧氣產(chǎn)品壓力一般為48MPa,高的達到10MPa,也有一些中低壓用戶;氮氣產(chǎn)品壓力等級更多,高壓可達20MPa,也有8、5.2、2.5、0.8、0.45MPa等壓力用戶。由于氧、氮產(chǎn)品壓力高,空分設(shè)備只能采用內(nèi)壓縮流程,要配套高壓板翅式換熱器、閥門、壓縮機和低溫泵等設(shè)備,制造難、成本高、故障多?；は到y(tǒng)采用的原動機多為汽輪機,高溫、高壓,汽輪機驅(qū)動多臺動設(shè)備,控制嚴(yán)格,操作復(fù)雜,容易發(fā)生故障。環(huán)境差指空分設(shè)備安裝在化工區(qū)、煤礦區(qū)(煤化工原料地),有的甚至在砂塵暴區(qū),空氣中有害氣體(燃爆組分、堵塞組分、腐蝕組分等)含量高,粉塵多,空氣質(zhì)量遠遠不達標(biāo),主冷易發(fā)生燃爆事故,威脅空分設(shè)備的安全運行。控制嚴(yán)指各種操作指標(biāo)控制要嚴(yán),自動化水平高,自動監(jiān)測控制系統(tǒng)嚴(yán)格到位,避免各種事故。煤化工配套空分設(shè)備,所處環(huán)境惡劣,單機容量大,產(chǎn)品壓力高,高壓設(shè)備多,情況復(fù)雜,若防范不周,易發(fā)生故障或事故,損失巨大。因此空分設(shè)備安全至關(guān)重要,應(yīng)高度關(guān)注與防范。2大型和大型空分設(shè)備的主冷防雨防護2.1空分設(shè)備主冷襲擊據(jù)不完全統(tǒng)計,20世紀(jì)70年代末至80年代初,國內(nèi)大、中型空分設(shè)備爆炸30余套次,小型空分設(shè)備爆炸100余套次。鞍鋼、包鋼、武鋼、蘭州石化等單位均發(fā)生過多起事故。其中,1986年7月27日,北京燕山石化3200m3/h空分設(shè)備發(fā)生的大爆炸比較典型。1987年2月12日,安陽鋼鐵6000m3/h空分設(shè)備主冷也發(fā)生過局部爆炸。進入20世紀(jì)90年代中期后,又到了一個主冷爆炸的高發(fā)期,國內(nèi)外連續(xù)幾套空分設(shè)備主冷爆炸,損失慘重。1996年3月2日,江西新余鋼鐵6000m3/h空分設(shè)備主冷爆炸,冷箱內(nèi)設(shè)備及管道報廢。1997年5月16日,遼寧撫順化工6000m3/h空分設(shè)備主冷爆炸,冷箱毀損,死亡4人,等等。尤其是1997年12月25日圣誕之夜,馬來西亞賓特魯殼牌石油公司80000m3/h空分設(shè)備主冷爆炸,下塔壓入地內(nèi),上塔和主冷被炸飛到75m以外,炸飛的碎片最遠達2.2km,5km內(nèi)窗玻璃震碎,飛出的金屬擊破石腦油和煤油儲罐引發(fā)大火,爆炸威力相當(dāng)于20噸TNT炸藥,空分設(shè)備全毀,傷12人,損失慘重,世界震驚。事故的直接誘因是印度尼西亞森林大火,嚴(yán)重污染環(huán)境,分子篩的凈化能力遠遠達不到要求,大量碳氫化合物、二氧化碳、氧化亞氮等可燃組分和堵塞組分穿透分子篩進入空分設(shè)備,未及時采取停機措施。而且,由于當(dāng)時膨脹機存在故障,沒有排放液體。大量二氧化碳、氧化亞氮堵塞膜式主冷氧通道,形成“死端蒸發(fā)”。大量碳氫化合物濃縮、析出、積聚,與液氧形成爆炸混合物后引爆。之后,引起鋁材與液氧混合物的威力更大的“二次燃爆”,從而造成嚴(yán)重后果。這次事故后,有4個問題引起空分行業(yè)關(guān)注:(1)降膜式主冷的安全性;(2)氧化亞氮在主冷濃縮析出,堵塞氧通道,容易引起碳氫化合物的“干蒸發(fā)”與“死端沸騰”,造成主冷爆炸;(3)浸入液氧中鋁材的“二次燃爆”;(4)嚴(yán)格空分設(shè)備操作與管理。由上可知,大型、特大型空分設(shè)備主冷防爆,是空分設(shè)備安全技術(shù)的關(guān)鍵與要害,是第一要務(wù)。對于煤化工配套空分設(shè)備更是如此。2.2爆炸機和爆炸原則2.2.1主冷通道引發(fā)火災(zāi)(1)可燃組分主要是乙炔等碳氫化合物。乙炔最危險,乙炔在液氧中的溶解度很低(5.6×10-6),很容易以固態(tài)析出引爆。堵塞組分主要是二氧化碳、水分和氧化亞氮等,它們本身雖不可燃,但結(jié)晶析出后易堵塞主冷通道,造成主冷“干蒸發(fā)”和“死端沸騰”,進而造成乙炔等碳氫化合物可燃組分濃縮、積聚、析出,引發(fā)主冷燃爆事故。尤其是氧化亞氮的危害,日漸引起注意。(2)主冷內(nèi)的大量液氧,是強氧化劑。(3)引爆的激發(fā)能源有多種:(1)爆炸性雜質(zhì)固體微粒的機械撞擊,如液氧中析出的固態(tài)乙炔微?；ハ嗄Σ痢⑴c器壁摩擦、受液氧沖擊等;(2)靜電放電,液氧中含有的微量冰粒、固態(tài)二氧化碳會產(chǎn)生靜電荷,二氧化碳含量提高到(200300)×10-6時,產(chǎn)生的靜電壓可達3000V;(3)化學(xué)敏感性特強的物質(zhì)(如臭氧和氮的氧化物等);(4)氣流沖擊、壓力沖擊、汽蝕現(xiàn)象引起的壓力脈沖,造成局部壓力升高而溫度升高。2.2.2主要冷杉原理消除和防止乙炔等碳氫化合物可燃組分和二氧化碳、水分、氧化亞氮等堵塞組分的積聚,消除激發(fā)能源即多種引爆因素,是主冷防爆的原則。2.3主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷主冷總結(jié)以往事故教訓(xùn),結(jié)合國內(nèi)外研究成果,參考國際大公司如德國林德公司、美國空氣化工產(chǎn)品公司(APCI)、法國液化空氣公司、俄羅斯深冷機械公司的經(jīng)驗,并以國家標(biāo)準(zhǔn)《深度冷凍法生產(chǎn)氧氣及相關(guān)氣體安全技術(shù)規(guī)程》(GB16912—2008)為依據(jù),提出主冷防爆措施。2.3.1煤炭工區(qū)產(chǎn)污水水平(1)氧站應(yīng)選擇在環(huán)境清潔地區(qū),并布置在有害氣體及固體塵埃散發(fā)源的全年最小頻率風(fēng)向的下風(fēng)側(cè)。距國家鐵路的距離不應(yīng)小于200m。應(yīng)有良好的地質(zhì)條件,不應(yīng)設(shè)置在地震基本烈度大于或等于9度的地震區(qū)。(2)空分設(shè)備吸風(fēng)口與散發(fā)碳氫化合物(尤其是乙炔)等有害氣體發(fā)生源應(yīng)有一定的安全距離。吸風(fēng)口空氣中有害雜質(zhì)允許極限含量通過實際檢測,符合表1中國家標(biāo)準(zhǔn)的要求(非國標(biāo)部分供參考)。(3)煤化工配套空分設(shè)備處于化工區(qū),一般靠近原料產(chǎn)地———煤礦附近,多在寧夏、內(nèi)蒙古、山西、陜西、新疆一帶,有的自然條件惡劣,沙塵暴、霧霾嚴(yán)重,原料空氣遠不達標(biāo)。乙炔、甲烷、烯烴等可燃組分,二氧化碳、水分、氧化亞氮等堵塞組分和氨、氯化氫、二氧化硫等腐蝕組分的含量高,還有大量粉塵,直接威脅空分設(shè)備安全運行。因此,煤化工配套空分設(shè)備的總圖選址安全性要求更高、更重要,一定要布置在煤化工區(qū)有害氣體及固體粉塵散發(fā)源的全年最小頻率風(fēng)向的下風(fēng)側(cè)。吸風(fēng)口有害氣體及粉塵含量要根據(jù)大量實測數(shù)據(jù)確定,指導(dǎo)選址。當(dāng)空氣中有害成分超標(biāo)無法避免時,應(yīng)在空分設(shè)備前端凈化工序中妥善去除,確保安全。2.3.2空分設(shè)備的吸附技術(shù)煤化工配套空分設(shè)備所處環(huán)境空氣質(zhì)量差,必須在空壓機前采用高效大容量脈沖自潔式過濾器,并有較大安全裕量,以保證粉塵的凈化。應(yīng)在空氣預(yù)冷系統(tǒng)中采用空氣與水直接接觸的換熱方式,以凈化空氣中的酸堿有害雜質(zhì)。在臥式雙層床分子篩吸附器的設(shè)計中,要加大活性氧化鋁和13X型分子篩的床層厚度,強化水分、二氧化碳、乙炔等碳氫化合物的去除。必要時設(shè)計三層床或多層床。林德公司和APCI已采用三層床,在分子篩床層上加一層鈣基分子篩吸附劑去除氧化亞氮。根據(jù)原料空氣中非常規(guī)有害雜質(zhì)的含量,針對性研發(fā)不同的分子篩吸附劑,可靠凈化,確?？辗衷O(shè)備運行安全。為了增強分子篩吸附器凈化效果,優(yōu)化吸附過程與節(jié)能,要加快研發(fā)與推廣應(yīng)用智能化不對稱切換控制技術(shù)。煤化工配套空分設(shè)備一般為大型、特大型空分設(shè)備,臥式雙層床分子篩吸附器的直徑與長度日益增加。長度過大,氣流分布不勻,吸附效果差,需要攻關(guān);直徑過大,運輸成為瓶頸。應(yīng)該研發(fā)與采用立式徑向流雙層床分子篩吸附器,以縮小直徑,方便運輸,減少占地面積,并且減小阻力,降低再生能耗,延長分子篩的使用壽命,提高吸附效率,確保安全。但這個技術(shù)目前是我國空分行業(yè)的短板,與國際先進技術(shù)之間的差距明顯,需加大研發(fā)力度?？辗衷O(shè)備常用的13X型分子篩及其他常規(guī)吸附劑,國產(chǎn)產(chǎn)品能達到吸附效果,滿足空分設(shè)備工藝安全要求。但能高效吸附氧化亞氮、甲烷和特定有害雜質(zhì)的吸附劑,其生產(chǎn)技術(shù)國內(nèi)仍未解決,必須盡快攻關(guān),取得成果,以減少進口,確保安全,同時降低成本。另外,采用分子篩前端凈化流程的內(nèi)壓縮空分設(shè)備一般比較安全,但煤化工配套空分設(shè)備環(huán)境特別惡劣和必要時,也應(yīng)設(shè)置液氧循環(huán)吸附器,以確保空分設(shè)備運行安全。2.3.3空分設(shè)備在線質(zhì)量檢驗(1)隨著空分設(shè)備大型化、自動化、智能化的發(fā)展,為滿足安全生產(chǎn)的需要,各種磁氧、電化學(xué)、紅外線、電容式、熱導(dǎo)、氫火焰、氦離子化等采用高新技術(shù)、高精密度的尖端檢測儀表被廣泛應(yīng)用。為了測量極微量組分,甚至用到了10-9(ppb)級精度的帶脈沖放電離子化氣相色譜儀,一臺價值近百萬元。為了大型空分設(shè)備各個重要環(huán)節(jié)(特別是主冷)的安全控制,實現(xiàn)在線連續(xù)和離線定時檢測相結(jié)合,這種投入很必需。(2)原料空氣質(zhì)量檢測需正常化、制度化,定期進行,這對煤化工配套空分設(shè)備安全尤為重要。若環(huán)境空氣質(zhì)量變差,需隨時檢測,并采取有效措施。控制標(biāo)準(zhǔn)見表1。(3)在線檢測分子篩吸附器后空氣中二氧化碳和水分含量,控制標(biāo)準(zhǔn)為:吸附器后原料空氣中二氧化碳和水分含量均小于1×10-6,基本為無。(4)主冷液氧中有害雜質(zhì)含量的檢測是重點,在線檢測與離線檢測并舉,煤化工配套大型、特大型空分設(shè)備應(yīng)以在線檢測為主,隨時掌握變化情況,保證主冷安全。液氧中有害雜質(zhì)極限含量應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB16912—2008的要求(見表2,非國標(biāo)部分供參考),超過標(biāo)準(zhǔn)要迅速分析原因,并采取措施:排放液氧或提前大加熱。還應(yīng)監(jiān)控主冷液氧中堵塞組分———氧化亞氮的含量,將其控制在產(chǎn)品操作說明書的要求范圍之內(nèi)。2.3.4空分設(shè)備上塔設(shè)計注意事項(1)主冷板式單元設(shè)計時,翅片翅距要稀疏一些,以防止運行時液氧中可燃組分與堵塞組分結(jié)晶,可能產(chǎn)生堵塞。主冷板式單元制造時,環(huán)境要清潔,防止機械雜質(zhì)進入通道,造成流道不暢或堵塞,埋下重大隱患。(2)1997年12月25日圣誕之夜,馬來西亞賓特魯殼牌石油公司80000m3/h空分設(shè)備主冷爆炸時,引起上塔底部鋁質(zhì)填料“二次燃爆”,沖破上塔頂,破壞嚴(yán)重。此后,有的國外知名空分公司(如林德公司)把主冷上方的上塔底部填料由鋁質(zhì)改為銅質(zhì),以防止主冷燃爆時引起上塔鋁質(zhì)填料“二次燃爆”,使事故擴大。這雖屬上塔設(shè)計的改進,但直接與主冷相關(guān),故在此提及。(3)大型主冷液氧的進出,設(shè)計時要考慮均衡布置的雙口或多口,以改善主冷液氧的流動性與混合,避免產(chǎn)生死角,防止有害雜質(zhì)在局部沉積。(4)主冷要嚴(yán)格接地,大型空分設(shè)備要考慮多處接地,防止靜電積聚,引發(fā)燃爆事故。其接地電阻應(yīng)小于10Ω。2.3.5浸浴式主冷煤化工配套空分設(shè)備一般應(yīng)采用安全性更好的浸浴式主冷。(1)全浸操作,使主冷板式單元完全浸沒在液氧中,杜絕“干蒸發(fā)”,防止燃爆,這是浸浴式主冷安全操作的真諦。(2)大型空分設(shè)備浸浴式主冷,一般設(shè)置雙液位計,以全面準(zhǔn)確掌握液氧液位高度,確保全浸操作。即使一個液位計發(fā)生故障,也能保證主冷安全運行。(3)主冷連續(xù)排放大于氧產(chǎn)量百分之一的液氧量,防止乙炔等碳氫化合物濃縮積聚,這是最有效的安全操作措施。2.3.6多層浸浴式主冷的技術(shù)難題隨著空分設(shè)備大型化,主冷尺寸(高度、直徑)愈來愈大,運輸成為瓶頸。