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大型内压缩流程空分设备的安全探讨? 大型内压缩流程空分设备的安全探讨 摘要: 结合大型内压缩流程空分设备的设计、安装和调试经验, 从主换热器和主冷等4 方面 分析了内压缩流程空分设备的安全因素, 从主换热器1 %液氧的排放和临时停车的操作等7 方面 介绍了大型内压缩流程空分设备的安全措施。 关键词: 大型空分设备; 内压缩流程; 安全运行 中图分类号: TB664    文献标识码: A Discussion on safety of large scale air separation unit with internal compression flow Liao Zhi2peng1 , Lin Wen2qiang2 [ 1. China National Air Separation Plant Co1 , Ltd1 , 462 Dongxin Road , Hangzhou 310004 , Zhejiang , P1R1China ; 2. Guangxi Liuzhou Iron & Steel ( Group) Corporation , 117 Beique Road , Liuzhou 545002 , Guangxi , P1R1China ] Abstract : Based on the experience of designing , installation and debugging , safety factors of a large scale air separation unit with internal compression flow are analyzed from four aspects , including main heat exchanger , main cold heat exchanger and so on. Then , safety measures are introduced from seven aspects , such as exhaust of 1 % liquid oxygen from main heat exchanger , temporary shutdown. Keywords : Large scale air separation unit ; Internal compression flow; Safe operation   20 世纪90 年代随着我国大型冶金、石化企业的发展, 相继引进了一批大型内压缩流程空分设备。2001 年后内压缩流程形式在我国取得了飞速发展, 同时这种新的流程形式也得到了国内冶金、石化企业的普遍关注。正是由于内压缩流程的一些新颖的特点, 如用增压 空气压缩机 + 液氧泵+ 中(高) 压换热器取代了氧气透平压缩机, 在客观上为制氧行业提供了一个新的流程选择形式。 内压缩流程绝大部分是空气增压流程, 在这类流程中根据用户的不同需要可分为两种形式: 一种是膨胀空气进上塔, 另一种是膨胀空气进下塔。 空分设备的设计安全性是放在第一位考虑的,有了安全的保障, 才能谈空分设备性能的先进性。常规的外压缩流程空分设备最不安全的因素是主冷和氧气透平压缩机, 在这方面主要采取的措施是排放1 %的液氧及定期分析液氧中乙炔等碳氢化合物的含量。而内压缩流程空分设备最不安全的因素是主冷和主换热器。笔者参加了柳钢15000m3 / h、宣钢15000m3 / h、舞钢10000m3 / h 和柳钢28000m3 / h内压缩流程空分设备的设计、安装和调试, 现就内压缩流程空分设备的安全做一探讨。 1  内压缩流程空分设备流程 内压缩流程空分设备流程简图如图1 所示。 2  安全防爆机理 211  燃爆三要素分析 21111  可燃组分与堵塞组分 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(516 ×10- 6 ) , 很容易以固态析出并引爆。 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、积聚和析出, 引发主冷燃爆事故。尤其是氧化亚氮的危险,日渐引起关注。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。 21112  强氧化剂 主冷和主换热器内的液氧是强氧化剂。 21113  引爆源 引爆源有多种因素构成: ①爆炸性杂质固体微粒的机械撞击引爆, 如液氧中析出的固态乙炔微粒互相摩擦、与器壁摩擦及受液氧冲击等; ②静电放电引爆, 液氧中含有的微量冰粒、固态二氧化碳会产生静电荷, 二氧化碳含量达(200~300) ×10时, 产生静电压可达3000V ; ③化学敏感性特强的物质(如臭氧和氮的氧化物等) 引爆; ④气流冲击、压力冲击和汽蚀现象引起的压力脉冲, 造成局部压力升高而温度升高引爆。 212  安全防爆原则 清除和防止乙炔等碳氢化合物可燃组分和二氧化碳、水分及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, 是安全防爆的原则。 3  内压缩流程空分设备的安全因素分析 311  主换热器 内压缩流程空分设备中(高) 压氧压力一般在210MPa 以上。液氧在中(高) 压换热器中复热蒸发, 在此压力和温度下碳氢化合物(甲烷、乙烷、丙烷和乙烯) 不可能出现固态析出, 它们是随着液氧的蒸发而蒸发, 不会聚集。也就是说在此状态下中( 高) 压换热器是安全的。氧的临界压力为5MPa (即50114 标准大气压) , 因此当供氧压力高于氧的临界压力时, 溶解的碳氢化合物也转化为气相溶解状态, 不会出现所谓的“干蒸发”现象, 也不会形成固相碳氢化合物。此状态下的主换热器是安全的。 然而碳氢化合物沸点高, 而且实际中液氧的压力常低于氧的临界压力, 当液氧在中(高) 压换热器中产生汽化时, 会引起碳氢化合物在液相中的浓缩, 甚至出现碳氢化合物的固态析出。如果这种情况发生, 则中(高) 压主换热器爆炸的可能性和危险性远大于主冷。 312  主冷 内压缩流程空分设备, 由于主冷中的液氧被大量抽取去液氧泵加压, 因此, 在正常运行之中主冷液氧中碳氢化合物大量浓缩聚集几乎是不可能的。 但是, 在某些情况下, 尤其是供氧压力特别低或空分设备突然临时停车时, 主冷液氧中碳氢化合物大量浓缩聚集非常迅速, 此时内压缩流程空分设备的安全性比外压缩流程空分设备的安全性要小。 313  液氧泵 内压缩流程取消了氧压机, 采用了液氧泵, 因而无高温气氧, 火险隐患小、安全性好。主冷大量抽取液氧, 保证碳氢化合物的积聚可能性降到最低程度。特殊设计的液氧泵自动启动与运行程序可有效地保证装置的安全运行与连续供氧。 液氧泵互为备用方式, 设计时一般采取冷备用方式, 这其中有多种模式可以选择, 如低速备用、半负荷备用。从实际运行来看, 备用泵从冷备用状态启动达到负荷运行的时间很短(3~5s) 。液氧泵的负荷调节方面设计成就地及中控室均可调节, 液氧泵的开、停车在中控室及就地均可实现, 液氧泵的出口采用恒压控制。通过对整套设备的调试, 设计的控制方案较为完善, 基本达到了国外内压缩流程空分设备对液氧泵的控制水平。 但如果液氧泵的备用控制方式不完备, 使液氧泵在切换过程中出现液氧压力的大幅度波动, 或出现液氧的中断压送, 则液氧压力大幅度波动或液氧中断压送会使碳氢化合物在主换热器及主冷产生聚集, 严重威胁主换热器及主冷的安全。 314  分子筛吸附器 空分设备在采用分子筛吸附净化流程后, 由于分子筛及氧化铝除吸附二氧化碳外, 还能吸附乙炔及其他碳氢化合物, 比之切换式流程, 增加了安全性。但实际上分子筛并不是万能的, 分子筛对乙炔及二氧化碳有较强的吸附能力, 而对其他的碳氢化合物则不然, 其吸附性能见表1。由表1 可见, 正常情况下甲烷、乙烷完全不能被吸附, 乙烯、丙烷只能被部分吸附。当分子筛吸附器在短时间发生故障或工况不稳定时, 则更有可能使杂质进入空分设备。因此, 常说的碳氢化合物对空分设备的安全构成威胁, 其实就是甲烷、乙烷、乙烯和丙烷这4 种碳氢化合物对空分设备的安全构成威胁。 4  安全措施 总结以往事故教训, 结合近期国内外研究成果, 参考 美国空气化工 产品公司(APCI) 、杭州杭氧股份有限公司、开封空分集团有限公司和中国空分设备有限公司等对内压缩流程空分设备在设计、安装、调试和操作上的安全考虑, 以及中国空分设备有限公司关于大型内压缩流程空分设备的调试和设计的安全特别要求和现场经验, 对大型内压缩流程空分设备提出一些简要安全措施, 供大家参考和讨论。 411  保证空分设备周边环境的安全 制氧站应建在工厂的常年上风向处, 距乙炔发生站300m 以上, 远离有害气体源。加强原料空气质量监控, 一旦空气污染严重要采取措施。空气质量标准见表2 , 其中只列了几种主要的杂质。 412  加强分子筛吸附净化 对于大型空分设备, 目前都采用前端分子筛净化吸附流程。分子筛吸附器为双层床, 第一层床为氧化铝(Al2O3 ) , 主要吸附水分, 保护第二层床;第二层床为分子筛, 完全吸附二氧化碳、乙炔等碳氢化合物, 部分吸附氧化亚氮、乙烯和丙烷等, 基本不吸附甲烷、乙烷等。原料空气通过双层床分子筛吸附器后, 基本上完全被清除了水分、二氧化碳和乙炔等碳氢化合物。一般在分子筛吸附器出口设置二氧化碳和水分含量在线监测, 超过1 ×10- 6 报警, 并立即切换分子筛吸附器。 近些年来氧化亚氮的危害引起了空分行业的充分重视, 而分子筛对氧化亚氮只能部分吸附。为了减少其危害, 国外对氧化亚氮吸附剂进行了研究,并取得了成果。在分子筛吸附器内加上氧化亚氮吸附剂, 或加1 层5A 分子筛, 均能达到良好效果。若氧化亚氮进入冷箱内, 则需靠液空吸附器或液氧吸附器来清除。APCI 认为: 如果二氧化碳和氧化亚氮有足够 的数量, 那么它们会形成二氧化碳和氧化亚氮的固体溶液, 而且固体溶液比杂质沉淀更容易形成。如果分子筛吸附器出口空气二氧化碳含量高报警, 应采取如下措施: ①降低进塔空气量, 使分子筛吸附器的负荷减轻; ②提前切换使用另一台分子筛吸附器; ③监测液氧中的杂质含量; ④增加再生加热时间; ⑤适当提高再生的加热温度。 413  主换热器增设1 %液氧排放针对311 的问题分析, 碳氢化合物在液氧中产生浓缩, 为了降低主换热器液氧中碳氢化合物的浓度, 可在设计中考虑主换热器的1 %液氧安全排放 (见图1 的V2 阀) , 以此来稀释液氧中碳氢化合物的浓度。 现在许多流程及设备中已规定排放一定数量的液体, 有资料提出要提高排放比例到不低于空气量的012 %。因此可以看出, 采用内压缩流程有利于空分设备运行安全, 有利于主冷和主换热器的防爆。有的资料提出, 在较高的液氧压力下, 随着液氧沸腾温度的升高, 烃的挥发度及溶解度也随之提高, 因此, 烃积聚的可能性降低。当氧的沸腾压力在013MPa 以上时, 就可以排除烃积聚到危险浓度的可能性。 414  采用在线与离线监测杂质方式 随着空分设备大型化、自动化和智能化的发展, 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、氢焰和氦离子化等高新技术以及高精密度尖端检测仪表广泛应用。为了测量极微量组分, 甚至用到了10 - 9 级精度的带放电离子化鉴定器 气相色谱仪 , 一台价值近百万元, 价格昂贵。为了大量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监测, 这种投入是必需的。原料空气监测要正常化、制度化, 定期进行。若环境有恶化, 需随时进行, 并采取有效措施。液氧中部分有害杂质控制标准见表3。 分子筛吸附器出口空气中二氧化碳和水分含量的监测为在线连续监测, 控制标准: 空气中二氧化碳和水分含量均小于1 ×10 - 6 , 基本为0。主冷液氧监测是重点, 包括在线监测与离线监测。液氧中有害的可燃组分和堵塞组分的控制标准见表3。表3 只列入了几种敏感和主要的有害杂质。超过标准要迅速分析原因, 采取措施, 排放液氧或提前大加热。 415  乙炔测量点的安装 根据HTA 1107 —93《大型空分设备安装技术要求》, 液氧、液空中乙炔快速分析测量点安装应该严格按照标准执行, 才能使乙炔的微量测量值不产生偏离, 使操作人员按此测量数据对空分设备执行正确的操作。 416  主冷的设计制造 主冷板式单元设计时, 翅片翅距要稀疏一点,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, 埋下安全隐患。 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, 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。主冷要严格接地, 防止静电积聚。其接地电阻应低于10Ω。 417  临时停车的操作 无论液氧操作压力的高低, 一旦空分设备出现临时停车或液氧泵的单机停车, 泵后液氧压力迅速下降, 存留在管道及容器中的液氧如不及时排放,受到外界的加热, 液氧将在常压或低压下汽化, 溶解在液氧中的碳氢化合物的浓度逐渐增大, 最终导致碳氢化合物固态析出。当空分设备再次启动时,这种固态碳氢化合物受到气氧流或液氧流的冲击,极易引起爆炸。因此在液氧或富氧液空管道、容器及主换热器的最低位置, 应设置排放阀(见图1) ,在空分设备停车后及时操作V1 阀, 排空存液, 这是在流程设计和空分设备操作上要关注的方面。418  主冷的操作主冷的操作是保证安全的关键, 应采取全浸操作, 使主冷完全浸没在液氧中, 杜绝“干蒸发”,防止燃爆。 大型内压缩流程空分设备的主冷一般设置双层板式, 每层板式设置双液位计, 准确掌握液氧液面高度, 确保全浸操作。即使一个液位计发生故障,也能保证安全运行。 主冷液氧循环倍率的调节、主冷全浸操作及液氧排放、空分设备操作工况的稳定、异常情况的判断与处置、甚至大量排放液氧或提前大加热等, 这些操作都要严格而谨慎。因此, 遵章守制, 强化空分系统、主冷和主换热器操作, 是保证空分设备安全运行的关键。 5  结束语 在空分设备正常的运行状态下, 内压缩流程空分设备比外压缩流程空分设备要安全; 在空分设备非正常的状态下, 如临时紧急停车或空分工况剧烈波动的状态, 外压缩流程空分设备比内压缩流程空分设备要安全。 但无论是什么状态, 只要设计和操作能严格执行安全措施的规定, 吸取以往的经验教训, 注意对盲区的液体监测和排放吹除, 大型内压缩流程空分设备的安全能得到保障。 参考文献: [1 ] 马大方. 氧气与相关气体的安全生产及使用技术 [M] . 武汉: 华中理工大学出版社, 1998. [2 ] 李大仁. 碳氢化合物对泵压流程空分设备安全性影响及措施[J ] . 深冷技术, 2002 (2) : 125. 查看更多 1个回答 . 1人已关注
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简介
职业:安徽省宿州市贯华化工有限公司 - 人事职员/行政职员
学校:茂名学院 - 化工与环境工程学院
地区:山东省
个人简介:人生贵知心,定交无暮早。查看更多
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