煤化工企業泄壓排放系統管網及其安全監控設計探討(Ⅰ)

胡平杰

(河南煤業化工集團有限責任公司義馬氣化廠,河南義馬 472300)

煤化工企業泄壓排放系統管網及其安全監控設計探討(Ⅰ)

胡平杰

(河南煤業化工集團有限責任公司義馬氣化廠,河南義馬 472300)

結合石油化工企業泄壓排放系統和火炬系統設計標準要求,分析了目前煤化工企業泄壓排放系統管網存在的不足和安全隱患,并分析了火炬系統存在的安全隱患,提出了在煤化工企業各單元生產裝置的泄壓排放口增加氣體預處理裝置的觀點,將泄壓排放氣在各自的單元生產裝置排放口進行簡單的物理或化學處理,除去較大的液滴、粉塵和結晶物后再排入火炬總管,防止火炬總管被堵塞而發生超壓爆炸事故。

泄壓排放;火炬總管;排放氣處理裝置

0 引 言

煤化工生產技術中,煉焦是應用最早的工藝,后來以煤為原料,經過化學加工使煤轉化為氣體、液體、固體燃料以及化學品的煤化工工藝不斷發展,經過幾十年的努力,以煤氣化為龍頭,以一氧化碳為基礎,合成、制取各種化工產品和燃料油的煤炭潔凈利用技術的開發,使煤化工裝置向大型化、復雜化發展,煤化工從焦炭、電石、煤制化肥產品為主的傳統工業,逐步向石油替代產品為主的現代煤化工轉變已經取得了長足進步。

由于技術和歷史的原因,煤化工行業是介于煤炭和化工行業之間的既成熟又新興的產業,針對煤化工行業的專門的國家或行業標準規范很少,因煤化工工程中煤的運輸、儲存、處理等應執行煤炭行業規范,后續加工過程與石油化工企業相同,應按照石油化工企業的國家或行業標準規范執行。但是以煤氣化為龍頭的煤化工合成、制取工藝,畢竟與石油天然氣的煉制、合成、制取有一些區別,在設計時必須考慮煤化工的特點。

煤化工企業在早期局限于煤制化肥,向著大型化發展是近十幾年的事,一些標準和規范只能依照石油化工行業標準,如《石油化工企業設計防火規范》[1],該標準只是在總則的條文說明里邊提到:“以煤為原料的煤化工工程…,可參照執行本規范”,這就掩蓋了標準或規范中“必須”、“嚴禁”、“應”等嚴格性限制。致使煤化工企業在設計之初就可能因標準和規范問題而埋下隱患。

筆者在多年煤化工企業工作經驗的基礎上,就煤化工企業泄壓排放和火炬系統涉及的排放管網監控系統和泄壓自動控制系統設計,談點個人觀點和建議。

1 石化行業對泄壓排放系統和火炬系統的要求

泄壓排放系統和火炬系統在大型石化企業相當成熟,尤其是近幾年建成的大煉化、大乙烯項目,針對這類企業有相應的國家及行業標準[13]。火炬處理的氣體主要包括:由于裝置內各個生產工序生產的不平衡,造成設備和管道超壓,經安全閥排放氣體物料,切斷閥和安全閥不嚴密而使物料泄漏的排放氣;裝置處于試車、開車、停產時產出的易燃易爆氣體;作為裝置緊急事故停車時的排放氣等。典型的高架火炬系統組成如圖1所示。

圖1 典型的高架火炬系統組成

根據文獻[2],排放氣四種介質狀態:熱氣體(t≥0℃,含水或不含水);冷氣體(t<0℃);冷氣體和熱氣體都有但不含水;液體排放系統。以上情況若要設置火炬總管時,如果是上述幾種情況的組合,則要分開設置干火炬系統和濕火炬系統,當兩種物料混合可能產生固體或發生危險的物理化學變化時,兩種物料要分開;一般排放的液體與氣體是分開的,對于帶有液體的物料要設分離設施和單獨的液相系統。同時還規定,每根火炬排放氣總管都應設分離罐,用于分離氣體夾帶的液滴和分離可能發生兩相流中的液相物質。

一般裝置內需設分液罐以減少火炬氣總管中的凝液量,以防止大量液體進入火炬總管而影響火炬排放。分液罐的作用是去除火炬氣中夾帶的凝液和固體,當火炬設置和裝置有一定距離時,火炬氣在較長距離的輸送過程中會產生凝結液,因而在火炬氣進入火炬以前要設置分液罐,再次分離凝液,尤其是全廠公用火炬系統,以免液滴夾帶到火炬頭,造成下火雨。

設計分液罐時應保證有足夠的容積。排放低溫物料時速度不能過快,排放速度過快易造成火炬管線冷淬,特別當火炬管線和分液罐有水時,可造成凍堵。

2 泄壓排放管網設計的不足和存在的安全隱患

如前所述,大型化工企業出于安全運行和環境保護的要求必須設置泄壓排放系統和火炬系統,且必須設置至少一根火炬總管和一個火炬,有的企業可能必須設置多根火炬總管和多個火炬。但是筆者對幾家煤化工企業的現場調研和檢索到的有關信息表明,完全能夠按照上述石化行業要求,根據排放氣介質狀態分開設置火炬總管的幾乎沒有,現行的做法基本上是全廠設一根火炬總管,廠內各裝置的排放氣和泄壓氣直接接入火炬總管,在系統設置方面則是按照圖1所示的典型火炬系統配置,在火炬總管末端的火炬下方設置分液罐分離氣液,有的企業甚至不設置分液罐。這種設計存在的不足和安全隱患如下。

a)煤化工企業是將原煤常壓氣化、加壓氣化或者制漿氣化等工藝先制取粗煤氣,原料煤的成分及氣化工藝決定了粗煤氣中含有水蒸氣、煤塵、焦油、氨、二氧化硫、硫化氫、石腦油、酚等固態和液態雜質,這些固態和液態雜質在火炬氣總管中會沉積、結晶。短時間沒有問題,長時間會堵塞火炬氣總管。

b)粗煤氣都要經過進一步凈化處理,粗煤氣的凈化目前多用低溫甲醇洗等物理法凈化,也有用化學法凈化,粗煤氣凈化要用到甲醇、液氨、醚類等其他化學產品,凈化過程的正常廢氣排放、超壓后泄壓排放、事故排放等會有各種各樣的介質混合在排放氣中排入火炬,這些介質在長長的火炬總管中會凝結成液態,結晶成固態。

c)煤化工企業各裝置排放出的物料溫度各異,緊急情況下不可避免會有高溫、低溫物料排出,低溫物料的排出可能會導致火炬總管內凝結液結冰阻塞。凡此種種及其他不可預料的情況,都會使火炬總管系統冷淬、堵塞、超壓,造成嚴重后果。

火炬管線的安裝,除要求支管、總管都有一定的坡度外,還對管道的節點有一定的要求,即各支管與總管的連接采用上接、斜接或平接,且支管與總管連接時盡量避免丁字連接或對接,采用支管與總管中心線成30°～45°角斜插進,如圖2所示。以利于避免各裝置排出火炬氣把冷凝液帶入總管,減少接管處局部阻力使在各種工況排放時管網水力工況平衡,降低高速氣流進入總管時的沖擊力并調整節點處水力工況。據筆者調研,目前還沒采取如此設計和配管,各支管與總管的連接多采用對接,采用下接的也有,采用丁字連接的很普遍。

圖2 火炬管線配管節點示意

鑒于上述原因,幾年來國內已經有因火炬總管堵塞而發生爆炸事故的報道,典型的案例是,爆炸后檢查發現DN600的火炬總管有長達1 m被排放氣的結晶物、沉積物嚴重堵塞,致使火炬總管突發爆炸,總管被扭曲,爆炸聲傳播10 km。某企業利用殼牌干煤粉氣流床加壓氣化,在排渣程序第一階段向火炬泄壓,壓力由3.9 MPa降至0.25 MPa,高壓氣體經1臺調節閥、1臺開關閥和孔板降壓節流后直接排放至火炬管線,因渣排放罐內主要是渣水混合物,僅含有少量氣體,在泄壓時會帶出部分渣水,渣水隨氣體進入火炬管線,經過多次排渣泄壓累積,就有大量的水帶入火炬管線,造成火炬管線帶水嚴重,極易在使用火炬管線時導致水擊。

3 對煤化工企業泄壓排放預處理的管網設計

為增強火炬系統的安全性,乙烯裝置設計要求裝置內設置濕火炬罐、干火炬罐和液體蒸發器,在火炬氣出界區前先在濕火炬罐、干火炬罐內分離掉夾帶的直徑較大的液滴。除了分液、排液,還有用其他的火炬氣處理工藝,如中石化集團南京設計院的馬炯、李蒙等發明一種“羰基化合成裝置排入火炬系統的含碘甲烷的可燃氣體的處理方法”[6],系統流程如圖3所示。這一發明不但解決了醋酸、醋酐等的羰基化合成裝置排入火炬系統的含碘甲烷的可燃氣體的處理方法,更為煤化工企業各裝置排放氣處理提供了借鑒。

圖3 羰基化合成裝置排入火炬系統的含碘甲烷的可燃氣體的處理方法流程

煤化工企業的產品和加工過程有很多自己的特點,排放氣中成分相對來說不是很復雜,所以是否需要多根火炬總管和多個火炬還需要論證,但在只設置一根火炬總管和一個火炬的情況下,為了提高安全性和可靠性,可以考慮參照標準在各裝置火炬氣排入火炬總管前,先經過相應的預處理裝置進行處理,如圖3所示。

按照圖3設計泄壓排放系統管網,根據各裝置工藝特點和泄壓排放氣氣體特性,在裝置區泄壓排放口就近進行除塵、氣液分離、升降溫處理,將泄壓排放氣中易沉淀、結晶、凍堵、發生其他化合反應的介質進行分離和處理,再排入火炬總管。

從煤化工行業特點看,泄壓排放氣體大致可分:干燥潔凈排放氣體;干燥但含塵氣體;含塵濕氣體;高低溫氣體。對干燥潔凈排放氣體,無需任何處理可直接排入火炬總管,對其他氣體,則需做相應的預處理。圖3只給出了大致流程,具體的處理流程要根據具體裝置排放氣情況設計。比如對于煤化工醋酸裝置,處理醋酸裝置區的排放氣可以用圖2的方案。

對于煤氣化裝置的粗煤氣,排放氣主要成分是煤氣,但根據氣化爐特點可能會同時含有大量其他雜質。正常生產流程對粗煤氣的處理一般包含有洗滌除塵、汽水分離、脫硫等。但泄壓排放氣都是直接排入火炬氣總管,在長距離泄壓排放管道輸送過程中,會隨著溫度的降低變成較大的液滴直至產生氣液固多相流,尤其是管道的彎頭、管道內有其他節流件的地方,煤塵、焦油、硫化物等會逐漸沉積阻塞管道。為保證火炬氣總管不被堵塞,可以考慮在泄壓排放口設置簡單的處理裝置,如旋風分離器,對粗煤氣排放氣降溫除塵排液,如圖4所示。泄壓排放系統排放出的粗煤氣經過水冷進入旋風分離器分離煤塵、水分等,變成相對常溫和較干凈的氣體再排入火炬總管,也可以回收到其他裝置利用,如鍋爐燃燒。

圖4 泄壓排放系統流程

水冷器可以使排放中的水蒸氣冷凝成大的液滴,在后級分離器中有效分離。

根據具體裝置泄壓排放氣體的物理化學狀態,可以設計具體的物理或化學處理裝置對泄壓排放氣進行簡單的處理,使各裝置排放到火炬總管的氣體相對干燥、無塵、無凝液、無易結晶物、接近常溫。

4 結束語

當前國內煤化工企業越建越多,企業規模越來越大,產業鏈條越來越長,煤化工已經成為國內國民經濟戰略規劃的支柱產業,但一些國家標準還是空白或者不明確。新建煤化工企業的業主前身各異,大多是煤炭行業,決策層對石化行業都不是很了解。所以一些企業在實際生產實踐中是邊實踐邊摸索,據悉有家企業多次實踐,在火炬泄壓閥后,增加一個同管徑的支管,用來連接DN600 mm、高4 000 mm的管段,該管段用作氣液分離器,分離渣、水、氣。

筆者認為,規范和明確煤化工企業相關規范是十分迫切的事情,建議國家相關部門盡快組織國內有關煤化工領域的專家學者,組織編寫煤化工行業的標準規范。在煤化工企業建設設計階段就完善設計,否則企業一旦建成再進行改造增加裝置設備,既增加成本又增加改造難度。

[1] 中國石化集團洛陽石油化工工程公司.GB 50160-2008石油化工企業設計防火規范[S].北京:中國計劃出版社,2009.

[2] 中國寰球化學工程公司.HG/T20570.12-95火炬系統設置[S].1996.

[3] 中國石化工程建設公司.SH 3009-2001石油化工企業燃料氣系統和可燃性氣體排放系統設計規范[S].2002.

[4] 王松漢.乙烯裝置技術與運行[M].北京:中國石化出版社, 2009:695-710.

[5] 中國海洋石油總公司研究中心開發設計院.SY/T10043-2002 泄壓和減壓系統指南(API RP 521)[S].2002.

[6] 馬 炯,李 蒙,李寶杰,等.羰基化合成裝置排入火炬系統的含碘甲烷的可燃氣體的處理方法:中國,CN 101721896 A [P].2010-06-09.

[7] 中石化集團上海工程有限公司.化工工藝設計手冊[M].3版.北京:化學工業出版社,2003:33-50,54-89.

[8] 陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動控制設計手冊[M].3版.北京:化學工業出版社,2000.

[9] 姚 青.放空火炬系統的安全設計[J].化工設計,2000, (10):17-21.

Research on the Design of Safety Monitoring for Pressure Relief and Discharge and Flare Torch System in Coal Chemical Industry Enterprises(Ⅰ)

Hu Pingjie
(The Henan Coal Chem.Industry Group Co.Ltd.,Yima Gasification Plant,Yima,472300,China)

Based on the design standard requirement of pressure relief discharge and torch system in the petrochemical industry,the insufficiency and the security hidden danger exited in the present coal chemical industry pressure relief discharge pipe network has been analyzed.The security hidden danger exited in F&G system has been analyzed,In order to prevent the torch main pipe has the explosion accident because of overpressure due to blockage,a viewpoint to design a gas pretreatment installment next to the pressure relief vent of it's cell production plant has been put forward,the pressure relief vent gas would be pretreated by a simple physical or chemical process to remove the larger droplets,dust and crystals before dispersed into the torch main pipeline.

the pressure relief and discharge;main pipeline of flare stack;discharge gas treatment unit

TP273

B

1007-7324(2011)01-0013-04

2010-11-04(修改稿)。

胡平杰,男,1989年畢業于陜西機械學院工業自動化專業,任高級工程師、注冊自動化系統工程師,具有化工大項目建設管理和大企業生產維修經驗,長期致力于工業自動化儀表應用領域工作,正式發表論文十余篇,申請國家專利4個。