空分生产中的安全技术研究

空分生产中的安全技术研究

刘称新

内蒙古博源联合化工有限公司 内蒙古自治区鄂尔多斯市 017320

摘要：中国是一个煤炭大国，煤炭的开采和利用一直走在世界前列。而且我国化石能源结构以煤炭为主，这也是推动我国煤化工企业发展的主要因素。对于煤化工企业的产品，如煤制油、煤制天然气、煤制乙二醇、煤制二甲醚等。，特别是新型煤化工企业，生产过程离不开煤气化过程，空分设备提供的O₂、N₂、Ar等工业气体是煤气化过程中不可缺少的。但是，由于其结构、原料、产品和生产工艺的特殊性，空分设备极易发生爆炸等事故，因此在生产过程中需要采取安全技术措施，以保证煤化工企业的生产。

关键词：空分技术；空分装置；安全技术；

介绍目前煤化工企业中常用的空分技术和空分设备，分析我国目前的空分技术现状和工艺流程，重点介绍空分生产中的安全技术，并对空分技术在我国煤化工行业中的应用做出了展望。

一、空分设备及空分技术概述

空分设备即空气分离设备，就是采用相应的空气分离技术将O2、N2和Ar从空气中分离出来的设备。空分技术就是根据大气中不同成分气体成分的物理特性，采用低温冷冻、膜隔离、吸附等技术手段将O₂、N₂和Ar从大气中隔离出来的技术，所以空分技术主要有低温蒸馏、膜隔离和吸附隔离三种。主要设备有空压机、分子筛吸附器、精馏塔、冷凝蒸发器、板翅换热器和膨胀机等。低温蒸馏法是根据O₂和N₂沸点的不同，先将空气进行压缩和冷却使其液化，然后在蒸馏塔的塔板上使气、液接触并进行质、热交换的过程，沸点较高的O₂会首先冷凝为液体，而沸点较低的N₂则会转化为蒸气，从而实现O₂和N₂的分离。膜分离法是将特定的金属或有机高分子和无机材料等制作成具有特殊形态的膜，在一定温度或压力差的驱动下，使双元或多元组分透过膜的速率不同而实现气体的分离。变压吸附隔离法的利用O和N分子在分子筛的吸附溶剂中不同的吸附亲和力，在空气经过压缩并通过分子筛吸附塔的吸附层时，N分子会优先被吸附，在达到吸附平衡后，利用减压方式将N分子去除，起到空气分离的效果。

二、空分生产中的安全技术分析

在煤化工的生产过程中，由于主冷凝蒸发器和氧压机等设备有发生爆炸的危险，所以需要针对其发生爆炸的原因采取相应的防爆措施。其中主冷凝蒸发器发生爆炸的危险是因为其运行过程中，空气中的碳氢化合物或固体库里状的碳氢化合物会在其周围不断累积，对其内翅片造成堵塞而引发爆炸，而氧压机发生爆炸是由于氧气是一种强助燃剂，其一旦遭遇明火气体就会发生积聚膨胀而发生爆炸。针对以上问题，特采取以下防爆技术措施。

1.分子筛吸附预净化技术。在采用空分设备对空气进行分离之前，首先采用长周期双层床净化和无冲击切换控制技术对空气进行预净化，由于双层床结构的分子筛可以净化空气中的H₂O、CO₂、N₂O/乙苯、丙烯、丙烷、重烃等杂质，将这些容易对分馏塔造成破坏引发爆炸等危险的有害气体进行净化，从根本上消除主冷凝蒸发器发生爆炸的可能性。此外，在吸附器地层的活性氧化铝床层还起到保护分析筛并延长其使用寿命的作用，而且双层床还可以降低吸附器的再生阻力和再生温度，有利于降低再生能耗，并且配合DCS控制系统对其生产过程进行控制，采用设有压力压差进行自动判断，提高系统切换的安全可靠性。

2.液氧内压缩技术。此技术将氧压机改为液氧泵，这样可以在液体阶段对其进行加压过程，提高了升压过程的安全性，而且液氧泵处于冷箱的内部，减少了高压氧气管道在空压机房内的布置数量，因此提高了空压机房的安全性。

三、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。

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.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。

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10Ω。

四、空分技术的发展与展望

目前的空分工艺流程具有以下特点：分子筛吸附净化、规整调料塔、液氧内压缩工艺、全精馏无氢氩、集散控制系统调控。一方面，应用比较广泛的是内压缩流程，其运用液氧泵与费潮湿大气增压机，代替了氧气透平压缩机，大大降低了装置的采购成本和维修成本，而且内压缩过程是依靠液氧泵进行的，其过程中产生的气体温度较低，因此生产过程较为安全；此外增压机和材料空压机可以设置为一组，因此可以减少设备的占地面积；第二方面是采用规范整合填料来代替筛板，不仅确保空分程序更加顺利，使得分离过程更加简单容易，而且增大了塔内转变的负荷区间，提高了运行速度；第三方面是由低温蒸馏法向全精馏无氢制氩法发展，此方法所见了空分工艺流程，不适用氢气，使获得的氩气纯净度较高。目前我国的国产的空分设备进行空气分离的纯度和提取率已经达到了国际水平，但是能耗方面与发达国际的标准还有较大的差距，所以减少能源消耗也是我国空分技术以后的发展趋势。

总之，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。

参考文献：

[1]刘海.关于空分生产中的安全技术研究.2020.

[2]张国强.新型空分装置安全技术创新及运用探析.2019.