高炉煤气变压吸附(PSA)提纯技术安全性分析

余运波，何 琼，邓沙宁

(湖南有色冶金劳动保护研究院，湖南长沙 410014)

变压吸附(Pressure Swing Adsorption，简称PSA)技术是近30多年来发展起来的一项新型气体分离与净化技术。由于变压吸附技术投资少、运行费用低、产品纯度高、操作简单、灵活、环境污染小、原料气源适应范围宽，被广泛应用于石油化工、冶金(焦化)、轻工及环保等领域，特别在国内化工行业近十多年里得到了较快的发展，主要用于气体分离，制氧、提取氢、提取CO2、提取CO等。

从高炉煤气中提纯CO工艺在理论上可行，并通过了实验室试验，但某企业将其应用于工业化生产，这在国内尚属首次。现就本次工业化生产进行安全性分析论证，并对生产过程中可能存在的风险提出相应的控制补偿措施。

1 工艺原理介绍

变压吸附气体分离工艺过程是吸附剂在物理吸附中所具有的两个基本性质:一是对不同组分的吸附能力不同;二是吸附质在吸附剂上的吸附容量随吸附质的分压上升而增加，随吸附温度的上升而下降。利用吸附剂的第一个性质，可实现对混合气体中某些组分的优先吸附而使其它组分得以提纯;利用吸附剂的第二个性质，可实现吸附剂在低温、高压下吸附，而在高温、低压下解吸再生，从而构成吸附剂的吸附与再生循环，达到连续分离气体的目的。

2 生产装置安全风险分析

变压吸附(PSA)装置的主要安全风险有煤气火灾爆炸危险性和煤气中毒危害性，具体分析情况如下:

生产过程所涉及的主要物料煤气是一种无色无臭的毒性气体。如果煤气扩散到空气中的CO含量达0.06%以上时，人就会感到头晕、头痛、恶心、呕吐等;超过0.1%30 min，人就会陷入昏睡;达到4%时，就能致人死亡。一般所说的煤气中毒，实际上是急性一氧化碳中毒。当一氧化碳吸入人体后，与血液内的血红蛋白结合成碳氧血红蛋白，且不易解离，导致人体缺氧而发生中毒。轻度中毒病人意识尚清楚，表现为头晕、头痛、恶心、呕吐、心悸等症状;中度中毒者迸发有神志不清、皮肤粘膜呈樱桃红色改变;重者出现昏迷、休克和危及生命。《工作场所有害因素职业接触限值第1部分:化学有害因素》规定，工作场所一氧化碳的时间加权平均允许浓度为20 mg/m3，短时间接触容许浓度为30 mg/m3。《职业性接触毒物危害程度分级》将煤气列为Ⅱ级(高度危害)物质。变压吸附(PSA)高炉煤气提纯装置若发生设备、管道泄漏，煤气进入作业区域，可能导致煤气中毒。

变压吸附(PSA)高炉煤气提纯装置中的高炉煤气管道、煤气加压设备、预处理设备、煤气提纯设备等在局部空间内煤气与空气混合积聚达到爆炸极限，遇外部火源可引起爆炸;煤气加压机、PSA－1工序吸附塔、吸附尾气缓冲罐、置换气缓冲罐、产品气缓冲罐等超压也可能引起爆炸。因此，火灾爆炸危害也是变压吸附(PSA)高炉煤气提纯生产过程中存在的主要危险因素。

3 安全生产条件风险分析

1.从高炉煤气中提纯CO工艺，从理论上可行，并通过了实验室试验，但将其应用于工业化生产在国内尚属首次，因而存在一定的不确定风险。

2.该装置的关键工艺和设施中，吸附剂对原料气的品质要求较高，尤其是粉尘和硫的含量，若原料气品质达不到要求，将可能造成催化剂中毒，对整个系统产生极大的影响，因而该项目必须保证原料气品质。

3.提纯尾气中含有少量CO，无法通过点火方式消除，须通过排气筒高空排放，目前国家尚无这方面的标准规定，存在一定的排放风险。

4 安全补偿措施

4.1 防火、防爆措施

1.在平面布置中，各生产区域、装置及建筑物间考虑足够的防火安全间距，并布置相应的消防通道。

2.煤气设施设低压报警及安全联锁装置。

3.煤气区附近避免设置常有人工作的地沟，如必须设置，应使沟内空气流通，防止积存煤气。

4.下列位置安设吹扫煤气放散管，放散管口应采取防雨、防堵塞措施:(1)煤气设备和管道的最高处;(2)煤气管道以及卧式设备的末端;(3)煤气设备和管道隔断装置前，管道网隔断装置前后支管闸阀在煤气总管旁0.5 m内，可不设放散管，但超过0.5 m时，设放气头。

For all statistical analyses, the results were conside-red signi fi cant when two-tailed P-values were ＜ 0.05.The distributions of demographic information and bas-eline comorbidity were compared between both groups.

5.吹扫放散管口高出煤气管道、设备和走台4 m，离地面不小于10 m。

6.为防止煤气串入氮气管内，只有在通氮气时，才把氮气管与煤气管道连通，停用时断开或堵盲板。

7.厂区主要煤气管道标有明显的煤气流向和种类的标志。

8.所有可能泄漏煤气的地方均挂有提醒人们注意的警示标志。

9.煤气加压机与空气鼓风机宜分别布置在单独的房间内，如布置在同一房间，均应采用防爆型电气设备。煤气加压站、抽气机室的管理室装设二次检测仪表及调节装置。一次仪表不应引入管理室内。一次仪表室应设强制通风装置。

10.煤气设备检修和动火，应按规定事先用氮气吹净管道内残余煤气或空气，并经检测合格，方可进行。

11.一氧化碳含量较高的煤气管道不应埋地敷设。煤气管道应采取消除静电和防雷的措施。

12.带煤气作业或在煤气设备上动火，应有作业方案和安全措施，并应取得煤气防护站或安全主管部门的书面批准。

4.2 防中毒措施

2.应设专职或兼职的技术人员负责单位的煤气安全管理工作。

3.煤气危险区(如地下室、加压站、热风炉及各种煤气发生设施附近)的一氧化碳浓度应定期测定，在关键部位应设置一氧化碳监测装置。作业环境一氧化碳最高允许浓度为30 mg/m3(24μL/L)。当CO浓度≥20μL/L时报警或自动开启事故通风装置。

4.煤气的生产、回收及净化区域内，不应设置与本装置无关的设施及建筑物。

5.煤气设施的人孔、阀门、仪表等经常有人操作的部位，均应设置固定平台。

6.煤气排放时均引至安全处，高出附近操作平台4.5 m以上并离地10 m。厂房内或距厂房20 m以内的煤气管道和设备上的放散管，管口应高出房顶4 m。厂房很高，放散管又不经常使用，其管口高度可适当减低，但应高出煤气管道、设备和走台4 m。不应在厂房内或向厂房内放散煤气。

7.在有煤气危险的区域作业，应两人以上进行，并携带便携式一氧化碳检测报警仪。

8.在煤气相关岗位配备防毒面具。

9.对可能泄漏氮气造成人体窒息的地方设机械通风换气设施。配备氧气面罩，防窒息。

10.凡经常检修的部位应设可靠的隔断装置。

11.带煤气作业如带煤气抽堵盲板、带煤气接管、操作插板等危险工作，不应在雷雨天进行，不宜在夜间进行;作业时，应有煤气防护站人员在场监护;操作人员应佩戴呼吸器或通风式防毒面具。

4.3 原料气品质保证措施

1.系统设置PSA－1工序。系统设置PSA－1工序以达到分离原料气中的无机硫和水等杂质。具体措施为:增压的原料气从吸附塔底部进入PSA－1工序的吸附塔中，在预定的吸附压力下，混合气中的有害杂质被专用吸附剂吸附下来，CO、N2、CH4等未被吸附的组分作为吸附尾气从吸附塔顶流出吸附塔，送到后工序。当吸附塔中的杂质吸附前沿到达吸附塔的预定位置后，关闭吸附塔的原料气进口阀门和吸附尾气出口阀门，吸附塔停止吸附步骤，开始转入冲洗再生过程。

2.冲洗再生。结束吸附步骤后，将PSA－CO的尾气从吸附塔的塔顶送入吸附塔对吸附剂进行冲洗再生，再生过程中吸附塔压力保持不变。

至此，吸附塔完成了一个完整的吸附－再生循环过程，并为下一个循环过程做好了准备。装置中9台吸附塔交替进行以上各个步骤的操作，从而得到满足产品规格要求的半成品气。

5 结论

高炉煤气变压吸附(PSA)提纯技术存在的主要风险，可以通过采取相应的补偿措施得到有效控制，达到减少安全事故的发生或消除事故隐患、减轻职业病危害的目的。该企业的高炉煤气变压吸附(PSA)提纯技术的工业化应用有效地控制了低燃值高炉煤气大量放散所带来的能源浪费、环境污染和安全隐患，具有良好的经济效益和社会效益。

［1］ 湖南省冶金规划设计院.湖南衡钢百达先锋能源科技有限公司提纯低燃值高炉煤气综合利用工程可行性研究报告［R］.长沙:湖南省冶金规划设计院，2011.

［2］ 湖南衡钢百达先锋能源科技有限公司.提纯低燃值高炉煤气综合利用工程安全条件论证报告［R］.衡阳:湖南衡钢百达先锋能源科技有限公司，2011.

［3］ 湖南有色冶金劳动保护研究院.湖南衡钢百达先锋能源科技有限公司提纯低燃值高炉煤气综合利用工程安全预评价报告［R］.长沙:湖南有色冶金劳动保护研究院，2012.

［4］ 陈健，古共伟.变压吸附分离一氧化碳技术的应用［J］.低温与特气，1996，(2):70 －74.

［5］ 管英富，邓祖向，宋长江.变压吸附技术制取高纯度一氧化碳［J］. 天然气化工(C1化工与化学)，2010，(6):49－52.

［6］ 汤娇娣，孙艳.一氧化碳分离提纯技术进展［J］.天然气化工(C1化工与化学)，2012，(5):62－67.