危险气体对煤化工空分装置安全的影响及对策

康跃进 李世纪

（河南煤业化工集团中原大化公司煤化工项目空分厂，河南 濮阳 457000）

空分工艺主要提取大气中的氧、氮及稀有气体，其产品用途范围广。但如今，化学、钢铁、电子、石油、化肥、制药工业等生产过程中排放出的大量废气，已对当今空分装置安全生产构成了严重的安全隐患，若不高度重视，后果将涉及人的生命、财产安全。本文从煤化工空分装置安全生产的重要性、空分装置周围环境要求、主要常见危险源分析与控制、关键设备操作注意事项、安全生产管理几个方面进行探讨，结合实际生产，以确保空分工艺安全稳定运行。

1 空分装置的环境要求

过去对空分装置安全运行构成威胁的有害气体主要有CO2、CO、N2O 以及C2H2和CH4等碳氢化合物（CmHn），目前构成大气污染的有电子气体、有机气体、无机气体和卤碳类气体等100 余种，在这些气体中，有的理化特性近似于CO2、CO、N2O、CmHn等，而有的可直接对设备产生腐蚀，如含Cl-和PO43-、NH3、HCl、CH3SH、SO2、NO2和N2O3的气体等。它们在低温环境中析出结晶并沉淀，使管道和通道堵塞并使碳氢化合物浓缩析出，形成“干蒸发”、“死端沸腾”，造成爆炸隐患。

为保证空分安全生产，对空压机吸风口空气中烃类的可燃杂质必须要加以限制，根据GB 16912—1997 其杂质含量应低于规定的允许极限含量[1]。空分装置的原料空气中的气体组分根据所处的周边环境不同，其组分有很大的不同。一般情况下，要求空气中w（CO2）＜400×10-6，w（C2H2）≤1×10-6，w（CH4）≤3×10-6，w（H2S）≤0.5×10-6。但是，当空分装置处于工业区，特别是周边有化工厂、焦化厂时，其不利于空分装置安全运行的微量有害气体会大大超标。所以，拟建空分装置选址需要从以下几个方面慎重考虑：

1）空压机吸气口尽量远离污染源；

3）考虑分子筛的装填高度，使其净化杂质气体的安全系数加大。分子筛选择业内知名厂家，不可图便宜给正式投产带来巨大损失或埋下隐患；

4）若环境酸碱性气体较多，预冷系统宜采用水和空气直接接触式的换热方式，以更有利于酸性气体或杂志的清除，保护设备同时也延长了空分安全运行周期。

考虑到煤化工空分装置本身就置身于化工厂区，所以一定要在装置整体布局时，重点考虑空分装置的位置，同时在开车时亦应注意风向等问题。主要是由于煤化工系统装置本身就是一套能源消耗型工艺，其在试运营或试生产期间大量的能源消耗转变或生成的尾气不断排放在大气中，若空分选址或布局不当，势必会给安全运行带来困难。如某煤化工企业，在后面的低温甲醇洗工序CO2放空时，分子筛纯化器CO2穿透床层，导致换热器阻塞。

2 常见危险源分析及注意事项

为了保证空分设备安全生产运行，应经常有效地检测空气及液氧中有害物质（包括烃类、CO2、N2O，油等）的含量，并根据具体情况，在工艺操作方面采取一定措施，降低危险物质在系统装置内积聚含量。

2.1 总烃或总碳含量

液氧中碳氢化合物含量必须严格加以控制，并定时分析做好记录，控制室需配在线分析仪供操作人员监视。在检测空气及液氧中各种碳氢化合物含量的同时，对危险性最大的乙炔提出特殊的高要求，即要求监测液氧中乙炔的含量。乙炔等碳氢化合物在液氧中含量极限控制如表1[2]。

表1 液氧中含量乙炔等碳氢化合物的控制极限Tab 1 Control limit of hydrocarbon such as acetylene content in liquid oxygen

当乙炔及碳氢化合物含量过高时，应采取以下措施解决：

1）尽快查明含量上升原因，如通过观察大气质量、风向、其他工艺参数对照、采取现场分析、检查在线分析仪是否有误等措施；

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2）增大液氧排放量，以降低碳氢化合物等危害气体在主冷液氧中的浓缩，并观察其他工况运行是否正常；

3）检查分子筛吸附器工作状态及控制参数是否正常，为保证安全，现场进行确认仪控阀切换及空气入罐前疏水导淋喷水情况；

4）若以上措施没有有效解决问题，或者主冷乙炔等碳氢化合物含量仍上涨或居高不下，并已达到停车极限时，应立即停车，排放全部液体，对空分设备进行彻底加温解冻。

2.2 氮氧化物含量

空气中氮氧化物含量因污染而以每年0.2%～0.3%的速度增加，其中以N2O 对空分运行影响较大，降低N2O 带入空分设备显得尤为重要。虽然N2O化学性质不活泼，既不产生腐蚀也不会发生爆炸，但它的物理性质对空分设备有危害作用。在空分装置的压力和温度的条件下，它具有升华性质，常压下它的沸点为185 K，比N2、O2、Ar 的沸点都高，在氧氮分离过程中将浓缩于主冷液氧中，致使上塔底无法获得高纯度液氧和气氧产品，且在液氧排放不充分时，N2O 在主冷中不断积聚，当液氧中的N2O 的质量分数大于50×10-6时，就会呈固态析出，阻塞主冷蒸发器通道。

清除空气中N2O 方法最好的是寻得合适的分子筛吸附剂，将空气中的H2O、CO2、C2H2、N2O 共吸附而清除。

2.3 油分含量

空分设备的特殊性不但要求原料气洁净无杂质，对易燃易爆危险源分析管理十分严格。尤其对工艺气中油分的测量十分重视，一旦发现或者怀疑有油带入塔，宁可停产也不冒险作业，在操作中严格分析工艺气中油含量，从以下几方面监护：

1）操作过程中要严格控制空气压缩机的润滑油量及机组排气温度，定期吹除油水；

2）定期检查预冷系统水质，检验其是否达标，是否含油；

3）定期检查空分设备附有油水分离的设备工作是否正常；

4）在生产或停产阶段，只要有设备运转，要密切监视膨胀机系统密封气投运情况，一旦发现密封气压力过低要及时停油泵。

5）检修时，尤其介质为氧气、液氧流经的管道阀门、法兰垫片、指示仪表安装要严格做好禁油管理，安装使用前要严格进行脱脂处理；

6）新建空分装置，空分塔在安装完毕投入使用前一定要进行脱脂脱碳处理程序。

2.4 CO2含量

CO2的体积分数约占大气中成分的0.03%，当温度降至-78℃以下时，CO2会以固态形式（“干冰”）存在，干冰会冻结在换热器通道中，严重时堵塞换热通道，增大通道流动阻力，使装置不能正常运行；而且CO2的凝结或凝固温度和其他气体一样，也是随着压力的升高而升高。因此对降低进入空分塔CO2含量极其重要。

3 关键设备操作注意事项

空分装置主要由空气预冷系统、分子筛纯化系统、增压膨胀系统、高低压板式换热系统、精馏系统组成。空分装置处于煤化工整套流程的前端，一旦空分装置出现问题，对后工序影响极大，甚至造成后工序全部停车。因此需具体注意如下事项[3]：

1）预冷系统，监视动设备运行正常，空冷塔底部液位可控，空气出口温度可控等；

2）纯化系统，监视程序切换运行正常、注意蒸汽加热器加热温度、经常查看分子筛再生温度趋势、时刻监视纯化器出口CO2含量分析等工况确保在可控范围之内；

3）增压膨胀及高低压板式换热系统，注意膨胀机增压端与膨胀段振值变化、机组密封气压力是否正常、高板换热器中部温度变化情况等参数变化、热端温差变化情况，及时分析总结数据变化原因。

4 结束语

危险气体分析对空分装置安全生产十分重要，随着工业经济迅速发展，各种危害气体成分也逐渐上升，只有不断地探索、借鉴同行业成功经验，吸收新的理念和技术，才能将空分装置安全运行管理做的更好。

[1]GB 16912—1997 氧气及相关气体安全技术规程[S].

[2]毛绍融,朱朔元,周智勇.现代空分设备技术与操作原理[M].杭州：杭州出版社,2005.

[3]机械工业部.制氧工操作技能与考核[M].北京：机械工业出版社,1996.