許永輝
(新疆玖安勞動(dòng)安全評價(jià)檢測中心(有限公司)烏魯木齊 830000)
我國油氣資源短缺、大氣環(huán)境治理工程為煤制天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了廣闊的市場,從目前的技術(shù)成熟度和產(chǎn)業(yè)化可行性的角度上來說,煤制天然氣產(chǎn)業(yè)已經(jīng)具備大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)。
新疆某煤化公司55×108m3/a煤制天然氣工程,以煤為主要原料生產(chǎn)天然氣,主裝置包括碎煤加壓氣化、粗煤氣變換冷卻、低溫甲醇洗、混合吸收制冷、甲烷化、天然氣壓縮干燥、煤氣水分離干燥、酚回收、氨回收、硫回收、空分裝置等系統(tǒng),公用工程和輔助設(shè)施有:火炬、污水處理、給排水、供電、熱電站、物料的運(yùn)輸裝卸貯存、工藝供熱外管、采暖通風(fēng)及空氣調(diào)節(jié)、儀表空壓站、維修、分析化驗(yàn)、生活福利設(shè)施等。
以地產(chǎn)煤為主要原料,在碎煤加壓氣化裝置中加入催化劑、水蒸氣、氧氣發(fā)生氧化還原反應(yīng),產(chǎn)生以H2、CO、CO2為主的粗煤氣,以變換裝置將CO轉(zhuǎn)化為H2、CO、CO2,當(dāng)煤氣中H2/CO=3.2時(shí),經(jīng)低溫甲醇洗凈化,脫除CO、H2S后,通過甲烷化裝置轉(zhuǎn)化為天然氣(CH4),進(jìn)一步干燥和加壓后外輸。
生產(chǎn)過程中的主要易燃易爆物質(zhì)有CO、H2、CO2、CH4、H2S、甲醇等在空氣中易形成爆炸性氣體混合物,若從工藝設(shè)備、管線泄漏,遇明火、高溫即能引發(fā)燃燒爆炸事故,主要裝置、區(qū)域的火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性劃分,見表1。
表1 主要裝置、區(qū)域的火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性一覽表[8]
氣化裝置采用碎煤固定床干法排灰加壓氣化技術(shù)。采用逆流氣化,煤氣出爐組分包括CO、H2、CO2、CH4、H2S、有機(jī)硫、C2H4、C2H6、C3H8、C4H10、HCN、N2、Ar以及焦油、脂肪酸、酚、氨、石腦油、油、灰塵等。
氣化反應(yīng)在1100~1300℃的高溫下進(jìn)行。粗合成氣若發(fā)生泄漏即可在外部空間形成爆炸性混合物。
氣化爐內(nèi)襯耐火材料及水夾套。一旦襯里失去隔熱效能,則水夾套直接受到高溫氣體的作用,加之承受高壓載荷和應(yīng)力,夾套很快就會(huì)蠕變損壞造成停爐。爐內(nèi)氣體一旦滲漏,即會(huì)造成火災(zāi)、爆炸事故。
投料開車頻繁、入爐氧氣的量控制不好、氣化爐操作過氧,會(huì)使氣化爐耐火材料燒蝕嚴(yán)重;煤的灰熔點(diǎn)越高,操作溫度則越高,耐火材料蝕損越大[3]。
氣化爐還會(huì)因過氧操作致使氣化爐爆炸;蒸汽壓力劇升會(huì)導(dǎo)致使氣化爐發(fā)生水夾套超壓爆炸;檢修時(shí)煤氣倒流或空氣進(jìn)入系統(tǒng)也可造成爆炸事故。
粗煤氣變換裝置是將粗煤氣中的CO變換為H2,以滿足甲烷化H2/CO=3.2的要求,同時(shí)回收變換反應(yīng)熱,最后將煤氣冷卻至40℃送入低溫甲醇洗裝置。
進(jìn)入變換系統(tǒng)的粗煤氣的變換反應(yīng)是在Co-Mo耐硫耐油催化劑的作用下進(jìn)行的,催化劑的工作溫度在160~450℃之間,在變換爐上層設(shè)觸媒保護(hù)層。如果入變換爐煤氣洗滌效果不好或保護(hù)層失效,會(huì)導(dǎo)致催化劑失活;水煤氣帶水,如氣化洗滌操作不當(dāng)導(dǎo)致帶水,也會(huì)導(dǎo)致觸媒活性組分流失,活性降低。
變換爐操作溫度高、壓力大,若變換爐襯脫落損壞,使得局部爐壁長期處于過熱狀態(tài)下運(yùn)行。長期過熱會(huì)造成鋼材蠕變產(chǎn)生裂紋,或造成爐體變形,鼓凸。在高溫高壓下,發(fā)生氫腐蝕會(huì)加劇鋼材的損害,造成介質(zhì)泄漏。變換氣泄漏后與空氣混和,可形成爆炸性混合物。
低溫甲醇洗凈化裝置一般在-20~-70℃范圍內(nèi)操作,承受一定的壓力,為有冷脆破壞危險(xiǎn)性的低溫壓力容器。設(shè)備的選材需選具有特殊要求的低溫用鋼,加工工藝有特殊要求,材質(zhì)本身存在缺陷或?qū)θ萜鞯牟僮魇褂貌划?dāng),會(huì)造成容器低溫脆性失效,導(dǎo)致可燃?xì)怏w泄漏,引發(fā)爆炸事故[2]。
甲醇循環(huán)操作過程中,常伴有切液操作,控制不當(dāng),在排液過程中有可能將甲醇排出,成為火災(zāi)爆炸的隱患。
由精餾塔、過冷器、吸收器、熱交換器、分凝器、解析器、冷卻器、氨水貯槽、液氨貯槽、冷凝液貯槽、氨水泵由于腐蝕或安裝質(zhì)量焊逢泄漏、連接件法蘭、密封件損壞泄漏,都會(huì)造成氨氣泄漏,造成氨灼傷、中毒等重大事故。
氨壓縮機(jī)在高壓、高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行,密封、潤滑條件要求高,調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)復(fù)雜,運(yùn)行中如發(fā)生喘振、氣體帶液、軸瓦磨損、密封損壞、軸位移高等都會(huì)造成機(jī)組故障。而泄漏出來的氣體瞬間即可與空氣混合就可形成爆炸性混合氣體。如遇有氣體泄漏時(shí)的沖擊火花等點(diǎn)火源,立即就會(huì)產(chǎn)生爆炸燃燒。由于壓力高,易造成連續(xù)反應(yīng),造成重大的火災(zāi)、爆炸事故。
甲烷合成用的是鎳催化劑,介質(zhì)為CO、CO2和H2,在高溫高壓的運(yùn)行環(huán)境中,反應(yīng)器的材質(zhì)可能會(huì)產(chǎn)生蠕變脆化、氫脆、氫腐蝕、應(yīng)力腐蝕和介質(zhì)腐蝕,可能導(dǎo)致設(shè)備裂紋或破裂,致使介質(zhì)滲漏,高溫高壓下,可能造成火災(zāi)、爆炸事故。
進(jìn)入甲烷化工段的氫含量較高,氫的爆炸極限為4.0%~74.2%,混合氣泄漏極易與空氣混合形成爆炸性混合氣體。高壓氫氣泄漏時(shí),流速大,與設(shè)備劇烈摩擦產(chǎn)生的高溫和靜電即能引起爆炸。
CH4的合成反應(yīng)是在高溫高壓下進(jìn)行的,氫在高溫高壓下對碳鋼設(shè)備具有較強(qiáng)的滲透能力,形成了氫氣腐蝕使金屬變脆,機(jī)械強(qiáng)度減弱。溫度控制十分重要,一旦超溫在高壓下的金屬抗氫腐蝕能力將大大降低。
合成反應(yīng)產(chǎn)生大量熱量,熱反應(yīng)生成熱大量積聚使反應(yīng)溫度超高,嚴(yán)重的會(huì)造成催化劑嚴(yán)重結(jié)焦而失去活性,破壞設(shè)備結(jié)構(gòu),使反應(yīng)器壁過熱,發(fā)生裂紋,嚴(yán)重時(shí)引起物料大量泄漏,加速鋼材的高溫氫腐蝕,降低鋼材強(qiáng)度,增大設(shè)備發(fā)生物理性爆炸和次生火災(zāi)的可能性。
離心式壓縮機(jī)在高壓、高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行,密封、潤滑條件要求高,調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)復(fù)雜,運(yùn)行中如發(fā)生喘振、氣體帶液、軸瓦磨損、密封損壞、軸位移高等都會(huì)造成機(jī)組故障。泄漏出來的氣體瞬間即可與空氣混合形成爆炸性混合氣體,遇明火源,就會(huì)立即產(chǎn)生爆炸燃燒。
蒸氣透平驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)由于潤滑油及控制油儲(chǔ)存量較大,壓力高,為可燃物。如發(fā)生泄漏,遇高溫蒸汽管線,也可造成火災(zāi)。
采用深冷空氣分離法制氧、氮。由于有高純氧氮存在,液氧是強(qiáng)助燃劑,與可燃?xì)怏w形成具有爆炸危險(xiǎn)的爆炸性氣體。當(dāng)與臭氧、氮的化合物存在時(shí),會(huì)使液氧的可燃物質(zhì)混合物的爆炸敏感性增大。
裝置中碳?xì)浠衔镫S原料空氣進(jìn)入空分設(shè)備,在低溫條件下,有可能在液氧和液氮中濃縮析出。大量有機(jī)碳?xì)浠衔镌谏罾涞囊貉踔幸怨腆w析出后懸浮在液氧表面,在湍急的液氧表面的撞擊、磨擦、打火會(huì)產(chǎn)生爆炸。
進(jìn)入精餾系統(tǒng)的空氣需要經(jīng)過空氣壓縮機(jī)加壓輸送,壓縮機(jī)用油脂液氧中就形成了“液氧炸藥”,若遇火源就會(huì)發(fā)生爆炸。
酸性氣、燃料氣在高溫轉(zhuǎn)化過程中,酸性氣燃燒的配風(fēng)量是工藝操作的重點(diǎn)參數(shù),若配風(fēng)量不足或因鼓風(fēng)機(jī)停機(jī)而中斷,容易引起二次燃燒、閃爆。
生產(chǎn)過程中如果發(fā)生燃?xì)鈳б?,燃?xì)夤芫€泄漏,點(diǎn)火操作不當(dāng),均可能引發(fā)燃燒爐閃爆。
冷凝器入口溫度較高,操作條件苛刻,換熱器內(nèi)管子與管板接頭承受著反復(fù)的熱沖擊、高溫腐蝕,極易發(fā)生破壞。在酸性氣焚燒爐燃燒不完全,H2S濃度較高時(shí),可能出現(xiàn)超溫(尤其在開停工過程中易發(fā)生),發(fā)生設(shè)備損壞、催化劑活性喪失等事故,設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞導(dǎo)致泄漏發(fā)生時(shí)可釀成H2S中毒及火災(zāi)爆炸事故。
酸性氣帶液一旦進(jìn)入燃燒爐,突然發(fā)生相變,導(dǎo)致進(jìn)入燃燒爐內(nèi)的氣體體積驟然增加,會(huì)使?fàn)t內(nèi)壓力驟升,可引起防爆膜爆裂,有毒氣體泄漏。
裝置貯存成品煤氣水的緩沖槽利用減壓膨脹原理,分離出溶解在煤氣水中的氣體,并且利用無壓重力沉降分離,根據(jù)不同組分的密度差,將煤氣水中焦油、中油、粗酚等組分分離。易燃?xì)怏w泄漏,遇明火易引發(fā)火災(zāi)。
各裝置中塔、容器、管路等若焊縫泄漏、腐蝕泄漏、連接件泄漏、密封件老化失效、操作失誤、壓力變化過大、溫度過高都有可能造成可燃介質(zhì)的泄漏,引起火災(zāi)爆炸、人員中毒事故。
⑴總圖布置在滿足防火、防爆及安全標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求的前提下,盡量采用露天化、集中化和按流程布置,并考慮同類設(shè)備相對集中。便于安全生產(chǎn)和檢修管理[4]。
⑵根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》和裝置生產(chǎn)的火災(zāi)危險(xiǎn)性分類的不同,進(jìn)行建筑物的防火設(shè)計(jì)。裝置建筑物的耐火等級按不低于二級設(shè)計(jì)。有火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性的生產(chǎn)廠房、設(shè)備露天布置;建構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)形式采用鋼筋混凝土柱或框架結(jié)構(gòu),選用材料符合防火防爆要求[6]。
⑶甲醇可燃液體儲(chǔ)罐應(yīng)分別集中布置,應(yīng)設(shè)外噴淋冷卻設(shè)施,并宜設(shè)氮封裝置。
⑷可燃液體的裝卸輸送泵與化學(xué)藥劑的裝卸輸送泵宜分開布置。
⑸有爆炸危險(xiǎn)的生產(chǎn)廠房的泄壓部位不應(yīng)布置在鄰近人員集中或交通要道處,以減少對鄰近生產(chǎn)裝置和建筑物的影響[1]。
⑹DCS操作室面向裝置區(qū)的外墻應(yīng)為抗爆墻。
⑴為防止高壓串低壓而產(chǎn)生危險(xiǎn),設(shè)備管道應(yīng)根據(jù)具體情況設(shè)置自動(dòng)切斷閥、止回閥等,且應(yīng)與放空系統(tǒng)聯(lián)鎖。
⑵帶壓裝置應(yīng)設(shè)置阻火、隔爆裝置,防止某一設(shè)備發(fā)生火災(zāi)、爆炸而涉及相鄰的設(shè)備。凡有易燃易爆介質(zhì)的設(shè)備,均設(shè)供開停車使用的氮?dú)庵脫Q裝置。
⑶工藝管線必須安全可靠,且便于操作,設(shè)計(jì)中所選用的管線、管件、及閥門的材料,應(yīng)保證有足夠的機(jī)械強(qiáng)度及使用期限。管線的設(shè)計(jì)、制造、安裝及試壓等技術(shù)條件,應(yīng)符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求。
⑷工藝管線的安裝,應(yīng)考慮抗震和管線振動(dòng)、脆性破裂、溫差應(yīng)力破壞、失穩(wěn)、高溫蠕變破裂、腐蝕破裂及密封泄漏等因素,并采取安全措施加以控制。
⑸與壓縮機(jī)聯(lián)接的管道應(yīng)作振動(dòng)分析并采取防止疲勞損裂的措施。
⑹物料倒流會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)的設(shè)備管道,應(yīng)根據(jù)具體情況設(shè)置自動(dòng)切斷閥、止回閥或中間容器等。
⑺工藝管線上安裝的安全閥、防爆閥、泄壓設(shè)施、自動(dòng)控制檢測儀表、報(bào)警系統(tǒng)、安全連鎖裝置及安全衛(wèi)生檢測設(shè)施,應(yīng)設(shè)計(jì)合理且安全可靠。
⑻管線的保溫材料,尤其是保冷材料,要選擇質(zhì)量好的,嚴(yán)把施工質(zhì)量,防止管線外腐蝕。
⑼主要工藝及關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)同時(shí)考慮安全設(shè)施并提高自動(dòng)化水平[10]~[11]。
⑽在設(shè)計(jì)中,產(chǎn)生燃爆性氣體和粉塵的廠房內(nèi)采取相應(yīng)的通風(fēng)除塵措施,以降低爆炸性物質(zhì)濃度,使其低于燃爆下限。并設(shè)置必要的安全聯(lián)鎖報(bào)警裝置。
⑾裝置中設(shè)置必要的安全報(bào)警及聯(lián)鎖設(shè)施,防止工藝參數(shù)超過設(shè)計(jì)安全值引發(fā)的火災(zāi)爆炸事故,如氣化爐設(shè)置頂部高溫聯(lián)鎖、氣化爐夾套液位低聯(lián)鎖、出口煤氣高溫聯(lián)鎖、氧氣蒸汽低壓聯(lián)鎖等;壓縮機(jī)組設(shè)超溫、超壓、油壓過低、軸承溫度過高聯(lián)鎖停車系統(tǒng);鍋爐安裝有高低水位報(bào)警器、低水位聯(lián)鎖保護(hù)裝置以及蒸汽超壓的報(bào)警和聯(lián)鎖裝置等,確保生產(chǎn)裝置的正常運(yùn)行[10]~[11]。
⑿低溫甲醇洗的泵輸送的流體為易燃易爆有毒的介質(zhì)甲醇,選用機(jī)械密封性能可靠的耐低溫材料制造的泵,電機(jī)采用防爆型,防止泄漏引發(fā)火災(zāi)爆炸及中毒事故。
⒀甲烷化反應(yīng)器設(shè)置溫度、壓力的檢測監(jiān)控系統(tǒng),通過控制循環(huán)的氣體流量控制反應(yīng)的溫度,防止反應(yīng)溫度的急劇升高引發(fā)反應(yīng)器的超壓。
⒁氣體凈化、甲烷合成等工段為爆炸性氣體環(huán)境,應(yīng)按照《爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50058-1992的要求對爆炸火災(zāi)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行劃分,并按規(guī)定選用相應(yīng)防爆型的電氣設(shè)備。
⒂廠區(qū)有爆炸危險(xiǎn)的建構(gòu)筑物等級按第二類防雷設(shè)置,其它建構(gòu)筑物按第三類防雷設(shè)置。采用裝設(shè)在建筑物上的避雷網(wǎng)或避雷針或其混合組成的接閃器,利用建筑物的鋼筋或金屬構(gòu)件作為引下線,并通過引下線與接地裝置相連,防直擊雷的沖擊接地電阻不大于10 Ω[9]。
⒃在輸送易燃易爆的物料管線和裝置上做防靜電接地,所有金屬設(shè)備外殼均需可靠接地。
⒄在裝置區(qū)內(nèi)沿道路及必要的裝置內(nèi)設(shè)置消火栓和消防管網(wǎng),并按規(guī)定設(shè)置一定數(shù)量的手提式化學(xué)滅火器和推車式化學(xué)滅火器。
⑴壓力容器設(shè)計(jì)應(yīng)按《鋼制壓力容器》、《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》、《鋼制管殼式換熱器》執(zhí)行,臨氫設(shè)備的選材應(yīng)符合納爾遜曲線的要求。
⑵低溫甲醇洗系統(tǒng)中低溫壓力容器設(shè)計(jì)、制造應(yīng)符合《鋼制低溫壓力容器技術(shù)規(guī)定》中的要求。
⑶裝置內(nèi)的所有壓力容器必須是具有相應(yīng)資質(zhì)的制造廠生產(chǎn)的合格產(chǎn)品,其產(chǎn)品的合格證、質(zhì)量檢驗(yàn)報(bào)告、使用維護(hù)說明書等技術(shù)資料必須齊全有效。
⑷變換裝置中催化劑再生燃?xì)饧訜釥t應(yīng)設(shè)長明燈和阻火器,以防可燃?xì)怏w在爐膛內(nèi)積聚達(dá)爆炸極限而發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。
⑸壓縮機(jī)主機(jī)、輔機(jī)、控制儀表、安全附件應(yīng)成套供應(yīng)。
⑹在易燃易爆危險(xiǎn)場所內(nèi),不得采用皮帶傳動(dòng),如必須采用三角皮帶傳動(dòng)時(shí),應(yīng)采用防靜電的三角皮帶。
⑺對設(shè)備、管道及附件表面溫度超過50℃時(shí)采取節(jié)能隔熱措施,以防人員燙傷。
⑻甲醇儲(chǔ)罐應(yīng)設(shè)氮封罐及外噴淋冷卻設(shè)施。
⑴6 kV及以上電壓等級的電氣設(shè)備及電纜均應(yīng)經(jīng)短路電流的動(dòng)熱穩(wěn)定校核。
⑵電力電纜、控制電纜沿橋架敷設(shè)時(shí)應(yīng)選用阻燃電纜,可不帶鋼鎧,沿溝或直埋時(shí)必須選用帶鋼鎧電纜。
⑶所有防爆區(qū)域內(nèi)的用電設(shè)備均應(yīng)選用防爆型,具有dIIBT4和dIICT4防爆結(jié)構(gòu),且引至電氣設(shè)備的接線盒(口)出處的電纜應(yīng)穿防爆撓性連接管,非防爆場所按火災(zāi)危險(xiǎn)區(qū)域要求選用防火防塵型設(shè)備[5]。
⑷生產(chǎn)裝置應(yīng)有供安全操作的備用電源,DCS控制系統(tǒng)、儀表一級負(fù)荷等應(yīng)配備UPS不間斷電源。
⑸生產(chǎn)裝置區(qū)應(yīng)按不同的爆炸危險(xiǎn)場所區(qū)和火災(zāi)危險(xiǎn)場所制定相應(yīng)的防雷措施。
⑹低壓配電系統(tǒng)采用TN-S或TN-C-S接地方式,所有電器設(shè)備的金屬外殼、電纜外皮、穿線鋼管等均應(yīng)可靠接地,高壓配電裝置應(yīng)采取防止誤操作的措施[7]。
⑺為保證裝置供配電系統(tǒng)的可靠性,變配電室及儀表室內(nèi)地坪高出室外地坪0.6 m以上,變配電裝置內(nèi)所有裸露母線使用熱縮管封包絕緣,裝置生產(chǎn)區(qū)內(nèi)應(yīng)采用阻燃銅芯電纜,以充砂電纜溝和直埋地敷設(shè)為主,電纜線穿越的墻洞應(yīng)按規(guī)定使用阻燃材料封堵,架空電纜槽盒應(yīng)有足夠的強(qiáng)度及剛度,并做防火涂層處理,同時(shí)有防雨水倒灌措施。
⑻火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警線路應(yīng)為防火電纜。
⑼按照《電力裝置繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50062-1992)對電氣系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)和自動(dòng)化設(shè)置。
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[2]沈玲,曾強(qiáng).危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)過程中的危險(xiǎn)源辨識與評價(jià)[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2007.06.
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[5]GB50058-1992.爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[6]GB50016-2006.建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].
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[10]安監(jiān)總管三〔2009〕116號.國家安全監(jiān)管總局關(guān)于公布首批重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化工工藝目錄的通知.
[11]安監(jiān)總管三〔2013〕3號.國家安全監(jiān)管總局關(guān)于公布第二批重點(diǎn)監(jiān)管危險(xiǎn)化工工藝目錄和調(diào)整首批重點(diǎn)監(jiān)管危險(xiǎn)化工工藝中部分典型工藝的通知.