江鎮(zhèn)海

（中石化南京化學(xué)工業(yè)公司上海辦事處)

大型空分裝置在煤化工生產(chǎn)中的安全運行

江鎮(zhèn)海*

（中石化南京化學(xué)工業(yè)公司上海辦事處)

從確?？辗盅b置安全運行出發(fā)，分析了空分裝置在煤化工生產(chǎn)中的應(yīng)用，提出了安全運行的方法和措施。

空分裝置 煤化工 氧氣 分子篩 吸附 安全運行

0 前言

空氣分離技術(shù)是典型的公用工程技術(shù)。隨著煤化工的快速發(fā)展，以深冷分離為主的空氣分離技術(shù)得到迅速的發(fā)展，單套裝置的規(guī)模不斷增大，能耗不斷降低，自動化水平和運行安全性日益提高。在以煤為原料的化工生產(chǎn)中，幾乎每一種新型氣化爐的問世都與氧氣緊密相連，無論是魯奇氣化爐、德士古氣化爐、殼牌氣化爐，還是目前的GSP氣化爐，均需要氧氣作為氣化劑。在目前我國還不能實現(xiàn)區(qū)域供氧、社會化供氧的情況下，生產(chǎn)中只能依靠生產(chǎn)企業(yè)自備空分裝置制氧。因此，如何保證空分裝置在煤化工生產(chǎn)中的安全運行，對煤化工企業(yè)而言顯得尤為重要。隨著煤化工產(chǎn)業(yè)鏈的延伸與發(fā)展，對空分裝置的運行安全性和可靠性提出了更高的要求。本文分析了空分裝置在煤化工生產(chǎn)中的應(yīng)用，并提出了安全運行的方法和措施。

1 煤氣化對空分裝置的安全性要求更高

裝置大型化是煤化工行業(yè)發(fā)展的一個顯著特點。隨著煤化工裝置規(guī)模的不斷擴大，煤氣化工藝對氧氣的需求量不斷增大。無論是采用固定床、流化床還是氣流床氣化技術(shù)，為獲得理想的碳轉(zhuǎn)化率，均需要大量的氧氣。典型的氣化技術(shù)的氧煤比見表1，不同產(chǎn)品和規(guī)模的煤化工裝置采用典型煤氣化技術(shù)的氧耗量見表2。

表1 典型氣化技術(shù)的氧煤比

表2 不同產(chǎn)品和規(guī)模的煤氣化裝置采用典型煤氣化技術(shù)的氧耗量

由表1可見，各種煤氣化裝置的氧煤比均在0.52～0.90之間。由表2可見，達到國家產(chǎn)業(yè)政策所要求的規(guī)模下限的單套裝置其氧耗至少要達到65 000 Nm3/h。為保證裝置運行的安全性和可靠性，空分裝置宜采用多系列配置。目前，裝置大型化是空分技術(shù)發(fā)展的主要方向，國際上在空分領(lǐng)域領(lǐng)先且占據(jù)主導(dǎo)地位的供應(yīng)商 （為了確?？辗盅b置的安全可靠運行）均提供大型的空分裝置。APCI有4套100 000 Nm3/h以上的空分裝置在運行，單套空分裝置最大設(shè)計能力已達到150 000 Nm3/h。法國液化空氣產(chǎn)品公司的在運行的空分裝置最大規(guī)模為120 000 Nm3/h。林德公司單套空分裝置的最大能力為110 000 Nm3/h。林德—BOC與陜西煤化能源有限公司簽訂了90 000 Nm3/h的設(shè)備合作協(xié)議，成為目前國內(nèi)最大的在建空分裝置。2009年杭氧集團完成了26套大型空分裝置的制造，實現(xiàn)了60 000 Nm3/h空分裝置的開發(fā)與制造，2010年10月通過了80 000 Nm3/h空分裝置的技術(shù)方案論證。開封空分集團新基地已具備80 000 Nm3/h等級空分裝置的制造能力。國家新的產(chǎn)業(yè)指導(dǎo)要求國內(nèi)新建的空分裝置最小能力為60 000 Nm3/h。這些產(chǎn)業(yè)政策從根本上保證了空分裝置的安全性和可靠性，在一定程度上減少了空分裝置的事故發(fā)生幾率，確保了煤化工生產(chǎn)的安全可靠和穩(wěn)定運行。

隨著煤化工產(chǎn)業(yè)鏈的延伸和發(fā)展，對空分裝置的安全性、可靠性要求更高。作為煤化工龍頭裝置的空分裝置，已成為重要的生產(chǎn)裝置，其安全性、可靠性、開車周期對煤化工全系統(tǒng)的影響越來越大。在包括了空分-氣化裝置的公用工程島中空分裝置是其核心裝置，空分裝置提供的氧氣、氮氣、氬氣、儀表空氣以及工廠空氣是整個裝置安全、穩(wěn)定運行的重要前提?？辗盅b置與下游裝置的高度集成，在獲得較好運行效率的同時，也對空分裝置的安全可靠運行提出了更高的要求。

但目前空分裝置安全可靠運行與煤化工全流程的 “安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”運行尚有一定的差距。在西班牙ELCOGAS裝置的故障率統(tǒng)計中，氣化裝置故障占48.4%，空分裝置故障占5.8%，聯(lián)合循環(huán)裝置故障占41.4%，其它設(shè)備的故障占4.4%；在空分裝置的安全故障中，氮氣系統(tǒng)故障占44%，污氮系統(tǒng)占42%，氧氣系統(tǒng)占14%。國內(nèi)某氣化裝置配套采用國產(chǎn)空分裝置，在2009年煤氣化裝置累計運行224天，年運轉(zhuǎn)率僅為61.4%。其中，空分裝置年運轉(zhuǎn)258.4天，年運轉(zhuǎn)率為70.8%。另一套采用國產(chǎn)空分裝置的煤氣化裝置在2009年停車9次，因空分裝置原因停車2次。還有一套煤氣化裝置在2009年停車15次，其中因空分裝置原因停車4次。幾套煤氣化和石化裝置停車因素統(tǒng)計見表3和表4。

表3 某煤氣化裝置停車原因匯總

表4 某石化裝置因空分裝置故障引起的氣化裝置停車情況

由表3和表4可見，因開車時間短，空分裝置的安全性和可靠性表現(xiàn)脆弱，但表4中某石化裝置的空分裝置安全可靠性有了很大的提高。目前國外空分裝置的安全可靠性最好數(shù)據(jù)大于99.2%。因此提高空分裝置的安全可靠性仍是我國空分產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要課題。提高空分裝置的安全可靠性，首先是要保證資金投入，確保關(guān)鍵設(shè)備和部件的質(zhì)量和性能，其次是空分裝置制造商要嚴格設(shè)計，并采用軟件進行可靠性分析研究。

空分裝置的設(shè)計、制造、安裝應(yīng)嚴格執(zhí)行國家、行業(yè)標準中規(guī)定的程序和要求。在工程建設(shè)中應(yīng)該重點關(guān)注的環(huán)節(jié)包括空壓機的安裝和試車、控制系統(tǒng)的調(diào)試、氧氣管線的清洗和脫脂、冷箱的裸冷和管系的檢查、珠光砂的裝填等。通常引起空分系統(tǒng)停車的不安全因素包括壓縮機故障 （空壓機結(jié)垢、空壓機導(dǎo)葉故障、空壓機防喘振故障、軸振動或軸位移超標、壓縮機控制系統(tǒng)故障）、閥門故障（分子篩段控制故障、故障定位器故障）、氧壓機故障、分子篩二氧化碳穿透、液氧泵故障、空壓機末段冷卻器結(jié)垢造成純化器進口溫度高、儀表故障、主控熱器通道堵塞、系統(tǒng)失電、系統(tǒng)蒸汽供給不穩(wěn)定、操作失誤等。

在安全生產(chǎn)管理方面，每20萬h的可記錄人工傷害率為2.5人。通過危險與可操作性分析（HAZOP）等手段，可使空分裝置的安全生產(chǎn)達到一個新的水平，使事故率降至最低水平。

2 煤化工生產(chǎn)中空分裝置的安全運行

在煤化工生產(chǎn)中空分裝置發(fā)生爆炸的部位一般是主冷凝蒸發(fā)器和氧壓機。前者主要是由空氣中的碳氫化合物在主冷周圍累積及微量碳氫化合物固體顆粒堵塞主冷內(nèi)翅片而引起的；后者主要是因作為強助燃劑的氧氣遇明火氣體急驟膨脹而引起的。如何消除這些事故隱患，一直是業(yè)內(nèi)人士長期以來試圖解決的難點問題之一。

2.1 采用分子篩吸附預(yù)凈化

采用長周期雙層床凈化、無沖擊切換控制技術(shù)，對空氣進行預(yù)凈化。雙層床結(jié)構(gòu) （活性氧化鉆+分子篩）分子篩吸附器可吸附空氣中的水、二氧化碳、乙苯、丙烯、丙烷、重烴、N2O等雜質(zhì)，可將有害氣體成分在進入分餾塔之前予以徹底清除，從源頭上消除引起主冷凝蒸發(fā)器爆炸的隱患。吸附器底層活性氧化鋁床層可有效地保護分子篩，延長分子篩的使用壽命。采用雙層床則可使吸附器再生阻力下降，再生溫度降低，節(jié)約再生能耗。切換系統(tǒng)采用DCS自動控制，并設(shè)有壓力壓差自動判斷，可配合閥位返饋信號，充分保證切換系統(tǒng)的安全可靠性。根據(jù)空分設(shè)備工藝要求，在常溫分子篩吸附器出口設(shè)置CO2分析儀進行在線監(jiān)控，以控制該處φ(CO2含量)≤1×10-6（體積分率）。在這種情況下，水分、乙炔等有害雜質(zhì)都能被消除干凈，使空分設(shè)備的運行安全可靠。一旦φ＞1×10-6（體積分率），則應(yīng)進行分析，查找原因，或縮短分子篩吸附器的使用周期。

2.2 采用內(nèi)壓縮流程

除了在空氣純化系統(tǒng)中采用高效分子篩有效去除空氣中有害雜質(zhì)外，采用液氧內(nèi)壓縮技術(shù)也不失為一種有效方法。由于進行液氧內(nèi)壓縮需改氧壓機為液氧泵，使得壓力升高過程在液體階段就已完成，這樣就可使安全性大大提高。加之，液氧泵是置于冷箱內(nèi)部的，液氧直接去用戶，既避免了高壓氧氣管道在廠房內(nèi)穿來穿去的弊端，也大大改善了空壓機廠房的安全性。另外，精餾上塔主冷凝器周圍產(chǎn)生的液氧，不斷地經(jīng)液氧泵抽出，加壓后供給用戶，也使其中的有害雜質(zhì)無法聚集，形不成爆炸濃度，這就從根本上杜絕了空分塔發(fā)生爆炸的隱患。所以，液氧內(nèi)壓縮流程優(yōu)于普通的氧壓機流程，且安全可靠。

2.3 主冷凝蒸發(fā)器的設(shè)計制造

按生產(chǎn)實踐的經(jīng)驗，主冷凝蒸發(fā)器板翅式單元設(shè)計時，翅片分布要稀疏一些 （翅距大一些），以防止運行時液氧中組分結(jié)晶，產(chǎn)生堵塞。主冷凝蒸發(fā)器板翅式單元制造時，環(huán)境要干凈，以防止機械雜質(zhì)進入通道，造成流道不暢或堵塞，埋下安全隱患。在工程設(shè)計中，主冷凝蒸發(fā)器要按照規(guī)范和制造要求嚴格接地，以防止靜電積聚，且接地電阻應(yīng)低于 10 Ω。

3 結(jié)語

隨著煤化工產(chǎn)業(yè)鏈的延伸和發(fā)展，對空分裝置的安全性和可靠性提出了更高的要求。采用分子篩吸附預(yù)凈化，可有效杜絕碳氫化合物進入冷箱。采用液氧內(nèi)壓縮工藝不僅可降低投資，而且可有效地提高裝置的安全性能。確保空分裝置在煤化工生產(chǎn)中的安穩(wěn)運行，對煤化工生產(chǎn)企業(yè)而言尤為迫切和重要。

[1]李軍.閉式循環(huán)氮水預(yù)冷系統(tǒng)雜質(zhì)濃縮的分析與處理[J].深冷技術(shù)， 2007 （7）： 50-51.

[2]廖治鵬，林文強.大型內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備的安全探討 [J].氣體分離，2005（1）：13-18.

[3]李曉黎，亢萬忠.大型空分裝置在煤化工中的應(yīng)用與發(fā)展 [J].化肥工業(yè)，2011（5）：8-11.

Safe Operation of Large-scale Air Separation Plants in Coal Chemical Production

Jiang Zhenhai

In order to ensure the safe operation of air separation plants,analyzes the application of air separation plants in coal chemical production,and proposes methods and measures for safe operation.

Air separation plants;Coal chemical;Oxygen;Molecular sieve;Adsorption;Safe operation

TQ 051.8

*江鎮(zhèn)海，男，1946年生，高級工程師。上海市，200086。

2012-06-16）