大型空分装置在煤化工生产中的安全运行

江镇海

（中石化南京化学工业公司上海办事处)

大型空分装置在煤化工生产中的安全运行

江镇海*

（中石化南京化学工业公司上海办事处)

从确保空分装置安全运行出发，分析了空分装置在煤化工生产中的应用，提出了安全运行的方法和措施。

空分装置 煤化工 氧气 分子筛 吸附 安全运行

0 前言

空气分离技术是典型的公用工程技术。随着煤化工的快速发展，以深冷分离为主的空气分离技术得到迅速的发展，单套装置的规模不断增大，能耗不断降低，自动化水平和运行安全性日益提高。在以煤为原料的化工生产中，几乎每一种新型气化炉的问世都与氧气紧密相连，无论是鲁奇气化炉、德士古气化炉、壳牌气化炉，还是目前的GSP气化炉，均需要氧气作为气化剂。在目前我国还不能实现区域供氧、社会化供氧的情况下，生产中只能依靠生产企业自备空分装置制氧。因此，如何保证空分装置在煤化工生产中的安全运行，对煤化工企业而言显得尤为重要。随着煤化工产业链的延伸与发展，对空分装置的运行安全性和可靠性提出了更高的要求。本文分析了空分装置在煤化工生产中的应用，并提出了安全运行的方法和措施。

1 煤气化对空分装置的安全性要求更高

装置大型化是煤化工行业发展的一个显著特点。随着煤化工装置规模的不断扩大，煤气化工艺对氧气的需求量不断增大。无论是采用固定床、流化床还是气流床气化技术，为获得理想的碳转化率，均需要大量的氧气。典型的气化技术的氧煤比见表1，不同产品和规模的煤化工装置采用典型煤气化技术的氧耗量见表2。

表1 典型气化技术的氧煤比

表2 不同产品和规模的煤气化装置采用典型煤气化技术的氧耗量

由表1可见，各种煤气化装置的氧煤比均在0.52～0.90之间。由表2可见，达到国家产业政策所要求的规模下限的单套装置其氧耗至少要达到65 000 Nm3/h。为保证装置运行的安全性和可靠性，空分装置宜采用多系列配置。目前，装置大型化是空分技术发展的主要方向，国际上在空分领域领先且占据主导地位的供应商 （为了确保空分装置的安全可靠运行）均提供大型的空分装置。APCI有4套100 000 Nm3/h以上的空分装置在运行，单套空分装置最大设计能力已达到150 000 Nm3/h。法国液化空气产品公司的在运行的空分装置最大规模为120 000 Nm3/h。林德公司单套空分装置的最大能力为110 000 Nm3/h。林德—BOC与陕西煤化能源有限公司签订了90 000 Nm3/h的设备合作协议，成为目前国内最大的在建空分装置。2009年杭氧集团完成了26套大型空分装置的制造，实现了60 000 Nm3/h空分装置的开发与制造，2010年10月通过了80 000 Nm3/h空分装置的技术方案论证。开封空分集团新基地已具备80 000 Nm3/h等级空分装置的制造能力。国家新的产业指导要求国内新建的空分装置最小能力为60 000 Nm3/h。这些产业政策从根本上保证了空分装置的安全性和可靠性，在一定程度上减少了空分装置的事故发生几率，确保了煤化工生产的安全可靠和稳定运行。

随着煤化工产业链的延伸和发展，对空分装置的安全性、可靠性要求更高。作为煤化工龙头装置的空分装置，已成为重要的生产装置，其安全性、可靠性、开车周期对煤化工全系统的影响越来越大。在包括了空分-气化装置的公用工程岛中空分装置是其核心装置，空分装置提供的氧气、氮气、氩气、仪表空气以及工厂空气是整个装置安全、稳定运行的重要前提。空分装置与下游装置的高度集成，在获得较好运行效率的同时，也对空分装置的安全可靠运行提出了更高的要求。

但目前空分装置安全可靠运行与煤化工全流程的 “安、稳、长、满、优”运行尚有一定的差距。在西班牙ELCOGAS装置的故障率统计中，气化装置故障占48.4%，空分装置故障占5.8%，联合循环装置故障占41.4%，其它设备的故障占4.4%；在空分装置的安全故障中，氮气系统故障占44%，污氮系统占42%，氧气系统占14%。国内某气化装置配套采用国产空分装置，在2009年煤气化装置累计运行224天，年运转率仅为61.4%。其中，空分装置年运转258.4天，年运转率为70.8%。另一套采用国产空分装置的煤气化装置在2009年停车9次，因空分装置原因停车2次。还有一套煤气化装置在2009年停车15次，其中因空分装置原因停车4次。几套煤气化和石化装置停车因素统计见表3和表4。

表3 某煤气化装置停车原因汇总

表4 某石化装置因空分装置故障引起的气化装置停车情况

由表3和表4可见，因开车时间短，空分装置的安全性和可靠性表现脆弱，但表4中某石化装置的空分装置安全可靠性有了很大的提高。目前国外空分装置的安全可靠性最好数据大于99.2%。因此提高空分装置的安全可靠性仍是我国空分产业发展的重要课题。提高空分装置的安全可靠性，首先是要保证资金投入，确保关键设备和部件的质量和性能，其次是空分装置制造商要严格设计，并采用软件进行可靠性分析研究。

空分装置的设计、制造、安装应严格执行国家、行业标准中规定的程序和要求。在工程建设中应该重点关注的环节包括空压机的安装和试车、控制系统的调试、氧气管线的清洗和脱脂、冷箱的裸冷和管系的检查、珠光砂的装填等。通常引起空分系统停车的不安全因素包括压缩机故障 （空压机结垢、空压机导叶故障、空压机防喘振故障、轴振动或轴位移超标、压缩机控制系统故障）、阀门故障（分子筛段控制故障、故障定位器故障）、氧压机故障、分子筛二氧化碳穿透、液氧泵故障、空压机末段冷却器结垢造成纯化器进口温度高、仪表故障、主控热器通道堵塞、系统失电、系统蒸汽供给不稳定、操作失误等。

在安全生产管理方面，每20万h的可记录人工伤害率为2.5人。通过危险与可操作性分析（HAZOP）等手段，可使空分装置的安全生产达到一个新的水平，使事故率降至最低水平。

2 煤化工生产中空分装置的安全运行

在煤化工生产中空分装置发生爆炸的部位一般是主冷凝蒸发器和氧压机。前者主要是由空气中的碳氢化合物在主冷周围累积及微量碳氢化合物固体颗粒堵塞主冷内翅片而引起的；后者主要是因作为强助燃剂的氧气遇明火气体急骤膨胀而引起的。如何消除这些事故隐患，一直是业内人士长期以来试图解决的难点问题之一。

2.1 采用分子筛吸附预净化

采用长周期双层床净化、无冲击切换控制技术，对空气进行预净化。双层床结构 （活性氧化钻+分子筛）分子筛吸附器可吸附空气中的水、二氧化碳、乙苯、丙烯、丙烷、重烃、N2O等杂质，可将有害气体成分在进入分馏塔之前予以彻底清除，从源头上消除引起主冷凝蒸发器爆炸的隐患。吸附器底层活性氧化铝床层可有效地保护分子筛，延长分子筛的使用寿命。采用双层床则可使吸附器再生阻力下降，再生温度降低，节约再生能耗。切换系统采用DCS自动控制，并设有压力压差自动判断，可配合阀位返馈信号，充分保证切换系统的安全可靠性。根据空分设备工艺要求，在常温分子筛吸附器出口设置CO2分析仪进行在线监控，以控制该处φ(CO2含量)≤1×10-6（体积分率）。在这种情况下，水分、乙炔等有害杂质都能被消除干净，使空分设备的运行安全可靠。一旦φ＞1×10-6（体积分率），则应进行分析，查找原因，或缩短分子筛吸附器的使用周期。

2.2 采用内压缩流程

除了在空气纯化系统中采用高效分子筛有效去除空气中有害杂质外，采用液氧内压缩技术也不失为一种有效方法。由于进行液氧内压缩需改氧压机为液氧泵，使得压力升高过程在液体阶段就已完成，这样就可使安全性大大提高。加之，液氧泵是置于冷箱内部的，液氧直接去用户，既避免了高压氧气管道在厂房内穿来穿去的弊端，也大大改善了空压机厂房的安全性。另外，精馏上塔主冷凝器周围产生的液氧，不断地经液氧泵抽出，加压后供给用户，也使其中的有害杂质无法聚集，形不成爆炸浓度，这就从根本上杜绝了空分塔发生爆炸的隐患。所以，液氧内压缩流程优于普通的氧压机流程，且安全可靠。

2.3 主冷凝蒸发器的设计制造

按生产实践的经验，主冷凝蒸发器板翅式单元设计时，翅片分布要稀疏一些 （翅距大一些），以防止运行时液氧中组分结晶，产生堵塞。主冷凝蒸发器板翅式单元制造时，环境要干净，以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。在工程设计中，主冷凝蒸发器要按照规范和制造要求严格接地，以防止静电积聚，且接地电阻应低于 10 Ω。

3 结语

随着煤化工产业链的延伸和发展，对空分装置的安全性和可靠性提出了更高的要求。采用分子筛吸附预净化，可有效杜绝碳氢化合物进入冷箱。采用液氧内压缩工艺不仅可降低投资，而且可有效地提高装置的安全性能。确保空分装置在煤化工生产中的安稳运行，对煤化工生产企业而言尤为迫切和重要。

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[2]廖治鹏，林文强.大型内压缩流程空分设备的安全探讨 [J].气体分离，2005（1）：13-18.

[3]李晓黎，亢万忠.大型空分装置在煤化工中的应用与发展 [J].化肥工业，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

*江镇海，男，1946年生，高级工程师。上海市，200086。

2012-06-16）