大型、超大型煤化工配套空分設備的安全使用

1煤化工配套空分設備發展現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《中國國家安全研究報告(2014)》,我國2012年能源消費總量為36.2億噸標準煤,比2011年增長3.9%。一次能源消費結構: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峻。為了全面建成小康社會,實現中國夢;為了適應國民經濟快速、穩定、健康、可持續發展;為了建成資源節約型、環境友好型社會,科學發展;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(整體煤氣化聯合循環發電系統)為代表的新型煤化工和新能源風起云涌,獲得了快速發展。煤化工是以煤炭為原料,經過化學方法將煤炭轉化為氣體、液體和固體產品或半成品,再進一步加工成一系列化工產品或石油的工業。煤氣化技術,是煤化工產業鏈中的龍頭技術。隨著我國煤化工的大發展,煤氣化技術多達十余種,既有國外引進的也有自主開發的。截至2012年,我國已連續5年成為全球最大的煤氣化市場。煤氣化技術與空分技術緊密相連,空分設備成為煤化工發展的關鍵,不能或缺。據資料記載,我國“十二五”期間,新型煤化工大發展,2015年規劃所需空分設備制氧能力達600萬m3/h左右,約合60000m3/h等級以上空分設備100套,其中8萬10萬m3/h空分設備的比例很大。2013年4月,神華寧夏煤業集團“煤制油”項目招標12套10萬m3/h空分設備合同,總額40億元,創下全球空分行業迄今為止一次性簽約金額最高記錄,號稱“全球第一單”。煤化工配套空分設備具有容量大、壓力高、等級多、環境差及控制嚴等特點。容量大指總容量及單機容量均大,一個煤化工項目每小時氧氣需用量少者數萬立方米,多者數十萬至百萬立方米。單套空分設備一般采用大型或特大型(≥60000m3/h)空分設備,以60000m3/h空分設備居多,8萬10萬m3/h空分設備也不少?？辗衷O備規模大,發生事故時的損失大,而且空分設備在整個煤化工生產流程的前端,一旦發生事故會給整個煤化工生產造成更大損失。壓力高、等級多是指氧、氮產品壓力均高且等級多。氧氣產品壓力一般為48MPa,高的達到10MPa,也有一些中低壓用戶;氮氣產品壓力等級更多,高壓可達20MPa,也有8、5.2、2.5、0.8、0.45MPa等壓力用戶。由于氧、氮產品壓力高,空分設備只能采用內壓縮流程,要配套高壓板翅式換熱器、閥門、壓縮機和低溫泵等設備,制造難、成本高、故障多?；は到y采用的原動機多為汽輪機,高溫、高壓,汽輪機驅動多臺動設備,控制嚴格,操作復雜,容易發生故障。環境差指空分設備安裝在化工區、煤礦區(煤化工原料地),有的甚至在砂塵暴區,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,空氣質量遠遠不達標,主冷易發生燃爆事故,威脅空分設備的安全運行。控制嚴指各種操作指標控制要嚴,自動化水平高,自動監測控制系統嚴格到位,避免各種事故。煤化工配套空分設備,所處環境惡劣,單機容量大,產品壓力高,高壓設備多,情況復雜,若防范不周,易發生故障或事故,損失巨大。因此空分設備安全至關重要,應高度關注與防范。2大型和大型空分設備的主冷防雨防護2.1空分設備主冷襲擊據不完全統計,20世紀70年代末至80年代初,國內大、中型空分設備爆炸30余套次,小型空分設備爆炸100余套次。鞍鋼、包鋼、武鋼、蘭州石化等單位均發生過多起事故。其中,1986年7月27日,北京燕山石化3200m3/h空分設備發生的大爆炸比較典型。1987年2月12日,安陽鋼鐵6000m3/h空分設備主冷也發生過局部爆炸。進入20世紀90年代中期后,又到了一個主冷爆炸的高發期,國內外連續幾套空分設備主冷爆炸,損失慘重。1996年3月2日,江西新余鋼鐵6000m3/h空分設備主冷爆炸,冷箱內設備及管道報廢。1997年5月16日,遼寧撫順化工6000m3/h空分設備主冷爆炸,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空分設備主冷爆炸,下塔壓入地內,上塔和主冷被炸飛到75m以外,炸飛的碎片最遠達2.2km,5km內窗玻璃震碎,飛出的金屬擊破石腦油和煤油儲罐引發大火,爆炸威力相當于20噸TNT炸藥,空分設備全毀,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,嚴重污染環境,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備,未及時采取停機措施。而且,由于當時膨脹機存在故障,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”。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”,從而造成嚴重后果。這次事故后,有4個問題引起空分行業關注:(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”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)嚴格空分設備操作與管理。由上可知,大型、特大型空分設備主冷防爆,是空分設備安全技術的關鍵與要害,是第一要務。對于煤化工配套空分設備更是如此。2.2爆炸機和爆炸原則2.2.1主冷通道引發火災(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,但結晶析出后易堵塞主冷通道,造成主冷“干蒸發”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)主冷內的大量液氧,是強氧化劑。(3)引爆的激發能源有多種:(1)爆炸性雜質固體微粒的機械撞擊,如液氧中析出的固態乙炔微?；ハ嗄Σ?、與器壁摩擦、受液氧沖擊等;(2)靜電放電,液氧中含有的微量冰粒、固態二氧化碳會產生靜電荷,二氧化碳含量提高到(200300)×10-6時,產生的靜電壓可達3000V;(3)化學敏感性特強的物質(如臭氧和氮的氧化物等);(4)氣流沖擊、壓力沖擊、汽蝕現象引起的壓力脈沖,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以往事故教訓,結合國內外研究成果,參考國際大公司如德國林德公司、美國空氣化工產品公司(APCI)、法國液化空氣公司、俄羅斯深冷機械公司的經驗,并以國家標準《深度冷凍法生產氧氣及相關氣體安全技術規程》(GB16912—2008)為依據,提出主冷防爆措施。2.3.1煤炭工區產污水水平(1)氧站應選擇在環境清潔地區,并布置在有害氣體及固體塵埃散發源的全年最小頻率風向的下風側。距國家鐵路的距離不應小于200m。應有良好的地質條件,不應設置在地震基本烈度大于或等于9度的地震區。(2)空分設備吸風口與散發碳氫化合物(尤其是乙炔)等有害氣體發生源應有一定的安全距離。吸風口空氣中有害雜質允許極限含量通過實際檢測,符合表1中國家標準的要求(非國標部分供參考)。(3)煤化工配套空分設備處于化工區,一般靠近原料產地———煤礦附近,多在寧夏、內蒙古、山西、陜西、新疆一帶,有的自然條件惡劣,沙塵暴、霧霾嚴重,原料空氣遠不達標。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,直接威脅空分設備安全運行。因此,煤化工配套空分設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有害氣體及固體粉塵散發源的全年最小頻率風向的下風側。吸風口有害氣體及粉塵含量要根據大量實測數據確定,指導選址。當空氣中有害成分超標無法避免時,應在空分設備前端凈化工序中妥善去除,確保安全。2.3.2空分設備的吸附技術煤化工配套空分設備所處環境空氣質量差,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。應在空氣預冷系統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。在臥式雙層床分子篩吸附器的設計中,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。根據原料空氣中非常規有害雜質的含量,針對性研發不同的分子篩吸附劑,可靠凈化,確?？辗衷O備運行安全。為了增強分子篩吸附器凈化效果,優化吸附過程與節能,要加快研發與推廣應用智能化不對稱切換控制技術。煤化工配套空分設備一般為大型、特大型空分設備,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;直徑過大,運輸成為瓶頸。應該研發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。但這個技術目前是我國空分行業的短板,與國際先進技術之間的差距明顯,需加大研發力度?？辗衷O備常用的13X型分子篩及其他常規吸附劑,國產產品能達到吸附效果,滿足空分設備工藝安全要求。但能高效吸附氧化亞氮、甲烷和特定有害雜質的吸附劑,其生產技術國內仍未解決,必須盡快攻關,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壓縮空分設備一般比較安全,但煤化工配套空分設備環境特別惡劣和必要時,也應設置液氧循環吸附器,以確?？辗衷O備運行安全。2.3.3空分設備在線質量檢驗(1)隨著空分設備大型化、自動化、智能化的發展,為滿足安全生產的需要,各種磁氧、電化學、紅外線、電容式、熱導、氫火焰、氦離子化等采用高新技術、高精密度的尖端檢測儀表被廣泛應用。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。為了大型空分設備各個重要環節(特別是主冷)的安全控制,實現在線連續和離線定時檢測相結合,這種投入很必需。(2)原料空氣質量檢測需正?；?、制度化,定期進行,這對煤化工配套空分設備安全尤為重要。若環境空氣質量變差,需隨時檢測,并采取有效措施?？刂茦藴室姳?。(3)在線檢測分子篩吸附器后空氣中二氧化碳和水分含量,控制標準為: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、特大型空分設備應以在線檢測為主,隨時掌握變化情況,保證主冷安全。液氧中有害雜質極限含量應符合國家標準GB16912—2008的要求(見表2,非國標部分供參考),超過標準要迅速分析原因,并采取措施:排放液氧或提前大加熱。還應監控主冷液氧中堵塞組分———氧化亞氮的含量,將其控制在產品操作說明書的要求范圍之內。2.3.4空分設備上塔設計注意事項(1)主冷板式單元設計時,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晶,可能產生堵塞。主冷板式單元制造時,環境要清潔,防止機械雜質進入通道,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空分設備主冷爆炸時,引起上塔底部鋁質填料“二次燃爆”,沖破上塔頂,破壞嚴重。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改為銅質,以防止主冷燃爆時引起上塔鋁質填料“二次燃爆”,使事故擴大。這雖屬上塔設計的改進,但直接與主冷相關,故在此提及。(3)大型主冷液氧的進出,設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,避免產生死角,防止有害雜質在局部沉積。(4)主冷要嚴格接地,大型空分設備要考慮多處接地,防止靜電積聚,引發燃爆事故。其接地電阻應小于10Ω。2.3.5浸浴式主冷煤化工配套空分設備一般應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”,防止燃爆,這是浸浴式主冷安全操作的真諦。(2)大型空分設備浸浴式主冷,一般設置雙液位計,以全面準確掌握液氧液位高度,確保全浸操作。即使一個液位計發生故障,也能保證主冷安全運行。(3)主冷連續排放大于氧產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難題隨著空分設備大型化,主冷尺寸(高度、直徑)愈來愈大,運輸成為瓶頸。