大型、超大型煤化工配套空分设备的安全使用

大型、超大型煤化工配套空分设备的安全使用

1煤化工配套空分设备发展现状中国是一个相对富裕的国家，缺乏石油、少气和煤炭（煤炭人均占有量世界的一部分）。根据《中国国家安全研究报告(2014)》,我国2012年能源消费总量为36.2亿吨标准煤,比2011年增长3.9%。一次能源消费结构:煤炭占68.5%,石油占17.7%,天然气占4.7%,核能占0.8%,水电及其他可再生能源占8.3%。2013年我国煤炭净进口量达3.2亿吨,比2012年增加4000万吨,再创煤炭进口量新高。2013年我国天然气消费量达到1676亿m3,对外依存度首破30%,达到31.6%,且有继续升高趋势。2013年我国原油进口突破2.8亿吨,对外依存度达到58%,首次超过50%这一“国际安全警戒线”。我国能源安全形势严峻。为了全面建成小康社会,实现中国梦;为了适应国民经济快速、稳定、健康、可持续发展;为了建成资源节约型、环境友好型社会,科学发展;为了国家能源安全,适合要求的以煤制油、煤制天然气、煤制氢、煤制烯烃、煤制二甲醚、煤制乙二烯和IGCC(整体煤气化联合循环发电系统)为代表的新型煤化工和新能源风起云涌,获得了快速发展。煤化工是以煤炭为原料,经过化学方法将煤炭转化为气体、液体和固体产品或半成品,再进一步加工成一系列化工产品或石油的工业。煤气化技术,是煤化工产业链中的龙头技术。随着我国煤化工的大发展,煤气化技术多达十余种,既有国外引进的也有自主开发的。截至2012年,我国已连续5年成为全球最大的煤气化市场。煤气化技术与空分技术紧密相连,空分设备成为煤化工发展的关键,不能或缺。据资料记载,我国“十二五”期间,新型煤化工大发展,2015年规划所需空分设备制氧能力达600万m3/h左右,约合60000m3/h等级以上空分设备100套,其中8万10万m3/h空分设备的比例很大。2013年4月,神华宁夏煤业集团“煤制油”项目招标12套10万m3/h空分设备合同,总额40亿元,创下全球空分行业迄今为止一次性签约金额最高记录,号称“全球第一单”。煤化工配套空分设备具有容量大、压力高、等级多、环境差及控制严等特点。容量大指总容量及单机容量均大,一个煤化工项目每小时氧气需用量少者数万立方米,多者数十万至百万立方米。单套空分设备一般采用大型或特大型(≥60000m3/h)空分设备,以60000m3/h空分设备居多,8万10万m3/h空分设备也不少。空分设备规模大,发生事故时的损失大,而且空分设备在整个煤化工生产流程的前端,一旦发生事故会给整个煤化工生产造成更大损失。压力高、等级多是指氧、氮产品压力均高且等级多。氧气产品压力一般为48MPa,高的达到10MPa,也有一些中低压用户;氮气产品压力等级更多,高压可达20MPa,也有8、5.2、2.5、0.8、0.45MPa等压力用户。由于氧、氮产品压力高,空分设备只能采用内压缩流程,要配套高压板翅式换热器、阀门、压缩机和低温泵等设备,制造难、成本高、故障多。化工系统采用的原动机多为汽轮机,高温、高压,汽轮机驱动多台动设备,控制严格,操作复杂,容易发生故障。环境差指空分设备安装在化工区、煤矿区(煤化工原料地),有的甚至在砂尘暴区,空气中有害气体(燃爆组分、堵塞组分、腐蚀组分等)含量高,粉尘多,空气质量远远不达标,主冷易发生燃爆事故,威胁空分设备的安全运行。控制严指各种操作指标控制要严,自动化水平高,自动监测控制系统严格到位,避免各种事故。煤化工配套空分设备,所处环境恶劣,单机容量大,产品压力高,高压设备多,情况复杂,若防范不周,易发生故障或事故,损失巨大。因此空分设备安全至关重要,应高度关注与防范。2大型和大型空分设备的主冷防雨防护2.1空分设备主冷袭击据不完全统计,20世纪70年代末至80年代初,国内大、中型空分设备爆炸30余套次,小型空分设备爆炸100余套次。鞍钢、包钢、武钢、兰州石化等单位均发生过多起事故。其中,1986年7月27日,北京燕山石化3200m3/h空分设备发生的大爆炸比较典型。1987年2月12日,安阳钢铁6000m3/h空分设备主冷也发生过局部爆炸。进入20世纪90年代中期后,又到了一个主冷爆炸的高发期,国内外连续几套空分设备主冷爆炸,损失惨重。1996年3月2日,江西新余钢铁6000m3/h空分设备主冷爆炸,冷箱内设备及管道报废。1997年5月16日,辽宁抚顺化工6000m3/h空分设备主冷爆炸,冷箱毁损,死亡4人,等等。尤其是1997年12月25日圣诞之夜,马来西亚宾特鲁壳牌石油公司80000m3/h空分设备主冷爆炸,下塔压入地内,上塔和主冷被炸飞到75m以外,炸飞的碎片最远达2.2km,5km内窗玻璃震碎,飞出的金属击破石脑油和煤油储罐引发大火,爆炸威力相当于20吨TNT炸药,空分设备全毁,伤12人,损失惨重,世界震惊。事故的直接诱因是印度尼西亚森林大火,严重污染环境,分子筛的净化能力远远达不到要求,大量碳氢化合物、二氧化碳、氧化亚氮等可燃组分和堵塞组分穿透分子筛进入空分设备,未及时采取停机措施。而且,由于当时膨胀机存在故障,没有排放液体。大量二氧化碳、氧化亚氮堵塞膜式主冷氧通道,形成“死端蒸发”。大量碳氢化合物浓缩、析出、积聚,与液氧形成爆炸混合物后引爆。之后,引起铝材与液氧混合物的威力更大的“二次燃爆”,从而造成严重后果。这次事故后,有4个问题引起空分行业关注:(1)降膜式主冷的安全性;(2)氧化亚氮在主冷浓缩析出,堵塞氧通道,容易引起碳氢化合物的“干蒸发”与“死端沸腾”,造成主冷爆炸;(3)浸入液氧中铝材的“二次燃爆”;(4)严格空分设备操作与管理。由上可知,大型、特大型空分设备主冷防爆,是空分设备安全技术的关键与要害,是第一要务。对于煤化工配套空分设备更是如此。2.2爆炸机和爆炸原则2.2.1主冷通道引发火灾(1)可燃组分主要是乙炔等碳氢化合物。乙炔最危险,乙炔在液氧中的溶解度很低(5.6×10-6),很容易以固态析出引爆。堵塞组分主要是二氧化碳、水分和氧化亚氮等,它们本身虽不可燃,但结晶析出后易堵塞主冷通道,造成主冷“干蒸发”和“死端沸腾”,进而造成乙炔等碳氢化合物可燃组分浓缩、积聚、析出,引发主冷燃爆事故。尤其是氧化亚氮的危害,日渐引起注意。(2)主冷内的大量液氧,是强氧化剂。(3)引爆的激发能源有多种:(1)爆炸性杂质固体微粒的机械撞击,如液氧中析出的固态乙炔微粒互相摩擦、与器壁摩擦、受液氧冲击等;(2)静电放电,液氧中含有的微量冰粒、固态二氧化碳会产生静电荷,二氧化碳含量提高到(200300)×10-6时,产生的静电压可达3000V;(3)化学敏感性特强的物质(如臭氧和氮的氧化物等);(4)气流冲击、压力冲击、汽蚀现象引起的压力脉冲,造成局部压力升高而温度升高。2.2.2主要冷杉原理消除和防止乙炔等碳氢化合物可燃组分和二氧化碳、水分、氧化亚氮等堵塞组分的积聚,消除激发能源即多种引爆因素,是主冷防爆的原则。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总结以往事故教训,结合国内外研究成果,参考国际大公司如德国林德公司、美国空气化工产品公司(APCI)、法国液化空气公司、俄罗斯深冷机械公司的经验,并以国家标准《深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程》(GB16912—2008)为依据,提出主冷防爆措施。2.3.1煤炭工区产污水水平(1)氧站应选择在环境清洁地区,并布置在有害气体及固体尘埃散发源的全年最小频率风向的下风侧。距国家铁路的距离不应小于200m。应有良好的地质条件,不应设置在地震基本烈度大于或等于9度的地震区。(2)空分设备吸风口与散发碳氢化合物(尤其是乙炔)等有害气体发生源应有一定的安全距离。吸风口空气中有害杂质允许极限含量通过实际检测,符合表1中国家标准的要求(非国标部分供参考)。(3)煤化工配套空分设备处于化工区,一般靠近原料产地———煤矿附近,多在宁夏、内蒙古、山西、陕西、新疆一带,有的自然条件恶劣,沙尘暴、雾霾严重,原料空气远不达标。乙炔、甲烷、烯烃等可燃组分,二氧化碳、水分、氧化亚氮等堵塞组分和氨、氯化氢、二氧化硫等腐蚀组分的含量高,还有大量粉尘,直接威胁空分设备安全运行。因此,煤化工配套空分设备的总图选址安全性要求更高、更重要,一定要布置在煤化工区有害气体及固体粉尘散发源的全年最小频率风向的下风侧。吸风口有害气体及粉尘含量要根据大量实测数据确定,指导选址。当空气中有害成分超标无法避免时,应在空分设备前端净化工序中妥善去除,确保安全。2.3.2空分设备的吸附技术煤化工配套空分设备所处环境空气质量差,必须在空压机前采用高效大容量脉冲自洁式过滤器,并有较大安全裕量,以保证粉尘的净化。应在空气预冷系统中采用空气与水直接接触的换热方式,以净化空气中的酸碱有害杂质。在卧式双层床分子筛吸附器的设计中,要加大活性氧化铝和13X型分子筛的床层厚度,强化水分、二氧化碳、乙炔等碳氢化合物的去除。必要时设计三层床或多层床。林德公司和APCI已采用三层床,在分子筛床层上加一层钙基分子筛吸附剂去除氧化亚氮。根据原料空气中非常规有害杂质的含量,针对性研发不同的分子筛吸附剂,可靠净化,确保空分设备运行安全。为了增强分子筛吸附器净化效果,优化吸附过程与节能,要加快研发与推广应用智能化不对称切换控制技术。煤化工配套空分设备一般为大型、特大型空分设备,卧式双层床分子筛吸附器的直径与长度日益增加。长度过大,气流分布不匀,吸附效果差,需要攻关;直径过大,运输成为瓶颈。应该研发与采用立式径向流双层床分子筛吸附器,以缩小直径,方便运输,减少占地面积,并且减小阻力,降低再生能耗,延长分子筛的使用寿命,提高吸附效率,确保安全。但这个技术目前是我国空分行业的短板,与国际先进技术之间的差距明显,需加大研发力度。空分设备常用的13X型分子筛及其他常规吸附剂,国产产品能达到吸附效果,满足空分设备工艺安全要求。但能高效吸附氧化亚氮、甲烷和特定有害杂质的吸附剂,其生产技术国内仍未解决,必须尽快攻关,取得成果,以减少进口,确保安全,同时降低成本。另外,采用分子筛前端净化流程的内压缩空分设备一般比较安全,但煤化工配套空分设备环境特别恶劣和必要时,也应设置液氧循环吸附器,以确保空分设备运行安全。2.3.3空分设备在线质量检验(1)随着空分设备大型化、自动化、智能化的发展,为满足安全生产的需要,各种磁氧、电化学、红外线、电容式、热导、氢火焰、氦离子化等采用高新技术、高精密度的尖端检测仪表被广泛应用。为了测量极微量组分,甚至用到了10-9(ppb)级精度的带脉冲放电离子化气相色谱仪,一台价值近百万元。为了大型空分设备各个重要环节(特别是主冷)的安全控制,实现在线连续和离线定时检测相结合,这种投入很必需。(2)原料空气质量检测需正常化、制度化,定期进行,这对煤化工配套空分设备安全尤为重要。若环境空气质量变差,需随时检测,并采取有效措施。控制标准见表1。(3)在线检测分子筛吸附器后空气中二氧化碳和水分含量,控制标准为:吸附器后原料空气中二氧化碳和水分含量均小于1×10-6,基本为无。(4)主冷液氧中有害杂质含量的检测是重点,在线检测与离线检测并举,煤化工配套大型、特大型空分设备应以在线检测为主,随时掌握变化情况,保证主冷安全。液氧中有害杂质极限含量应符合国家标准GB16912—2008的要求(见表2,非国标部分供参考),超过标准要迅速分析原因,并采取措施:排放液氧或提前大加热。还应监控主冷液氧中堵塞组分———氧化亚氮的含量,将其控制在产品操作说明书的要求范围之内。2.3.4空分设备上塔设计注意事项(1)主冷板式单元设计时,翅片翅距要稀疏一些,以防止运行时液氧中可燃组分与堵塞组分结晶,可能产生堵塞。主冷板式单元制造时,环境要清洁,防止机械杂质进入通道,造成流道不畅或堵塞,埋下重大隐患。(2)1997年12月25日圣诞之夜,马来西亚宾特鲁壳牌石油公司80000m3/h空分设备主冷爆炸时,引起上塔底部铝质填料“二次燃爆”,冲破上塔顶,破坏严重。此后,有的国外知名空分公司(如林德公司)把主冷上方的上塔底部填料由铝质改为铜质,以防止主冷燃爆时引起上塔铝质填料“二次燃爆”,使事故扩大。这虽属上塔设计的改进,但直接与主冷相关,故在此提及。(3)大型主冷液氧的进出,设计时要考虑均衡布置的双口或多口,以改善主冷液氧的流动性与混合,避免产生死角,防止有害杂质在局部沉积。(4)主冷要严格接地,大型空分设备要考虑多处接地,防止静电积聚,引发燃爆事故。其接地电阻应小于10Ω。2.3.5浸浴式主冷煤化工配套空分设备一般应采用安全性更好的浸浴式主冷。(1)全浸操作,使主冷板式单元完全浸没在液氧中,杜绝“干蒸发”,防止燃爆,这是浸浴式主冷安全操作的真谛。(2)大型空分设备浸浴式主冷,一般设置双液位计,以全面准确掌握液氧液位高度,确保全浸操作。即使一个液位计发生故障,也能保证主冷安全运行。(3)主冷连续排放大于氧产量百分之一的液氧量,防止乙炔等碳氢化合物浓缩积聚,这是最有效的安全操作措施。2.3.6多层浸浴式主冷的技术难题随着空分设备大型化,主冷尺寸(高度、直径)愈来愈大,运输成为瓶颈。