高爐煤氣變壓吸附(PSA)提純技術安全性分析

余運波，何 瓊，鄧沙寧

(湖南有色冶金勞動保護研究院，湖南長沙 410014)

變壓吸附(Pressure Swing Adsorption，簡稱PSA)技術是近30多年來發展起來的一項新型氣體分離與凈化技術。由于變壓吸附技術投資少、運行費用低、產品純度高、操作簡單、靈活、環境污染小、原料氣源適應范圍寬，被廣泛應用于石油化工、冶金(焦化)、輕工及環保等領域，特別在國內化工行業近十多年里得到了較快的發展，主要用于氣體分離，制氧、提取氫、提取CO2、提取CO等。

從高爐煤氣中提純CO工藝在理論上可行，并通過了實驗室試驗，但某企業將其應用于工業化生產，這在國內尚屬首次。現就本次工業化生產進行安全性分析論證，并對生產過程中可能存在的風險提出相應的控制補償措施。

1 工藝原理介紹

變壓吸附氣體分離工藝過程是吸附劑在物理吸附中所具有的兩個基本性質:一是對不同組分的吸附能力不同;二是吸附質在吸附劑上的吸附容量隨吸附質的分壓上升而增加，隨吸附溫度的上升而下降。利用吸附劑的第一個性質，可實現對混合氣體中某些組分的優先吸附而使其它組分得以提純;利用吸附劑的第二個性質，可實現吸附劑在低溫、高壓下吸附，而在高溫、低壓下解吸再生，從而構成吸附劑的吸附與再生循環，達到連續分離氣體的目的。

2 生產裝置安全風險分析

變壓吸附(PSA)裝置的主要安全風險有煤氣火災爆炸危險性和煤氣中毒危害性，具體分析情況如下:

生產過程所涉及的主要物料煤氣是一種無色無臭的毒性氣體。如果煤氣擴散到空氣中的CO含量達0.06%以上時，人就會感到頭暈、頭痛、惡心、嘔吐等;超過0.1%30 min，人就會陷入昏睡;達到4%時，就能致人死亡。一般所說的煤氣中毒，實際上是急性一氧化碳中毒。當一氧化碳吸入人體后，與血液內的血紅蛋白結合成碳氧血紅蛋白，且不易解離，導致人體缺氧而發生中毒。輕度中毒病人意識尚清楚，表現為頭暈、頭痛、惡心、嘔吐、心悸等癥狀;中度中毒者迸發有神志不清、皮膚粘膜呈櫻桃紅色改變;重者出現昏迷、休克和危及生命?！豆ぷ鲌鏊泻σ蛩芈殬I接觸限值第1部分:化學有害因素》規定，工作場所一氧化碳的時間加權平均允許濃度為20 mg/m3，短時間接觸容許濃度為30 mg/m3?！堵殬I性接觸毒物危害程度分級》將煤氣列為Ⅱ級(高度危害)物質。變壓吸附(PSA)高爐煤氣提純裝置若發生設備、管道泄漏，煤氣進入作業區域，可能導致煤氣中毒。

變壓吸附(PSA)高爐煤氣提純裝置中的高爐煤氣管道、煤氣加壓設備、預處理設備、煤氣提純設備等在局部空間內煤氣與空氣混合積聚達到爆炸極限，遇外部火源可引起爆炸;煤氣加壓機、PSA－1工序吸附塔、吸附尾氣緩沖罐、置換氣緩沖罐、產品氣緩沖罐等超壓也可能引起爆炸。因此，火災爆炸危害也是變壓吸附(PSA)高爐煤氣提純生產過程中存在的主要危險因素。

3 安全生產條件風險分析

1.從高爐煤氣中提純CO工藝，從理論上可行，并通過了實驗室試驗，但將其應用于工業化生產在國內尚屬首次，因而存在一定的不確定風險。

2.該裝置的關鍵工藝和設施中，吸附劑對原料氣的品質要求較高，尤其是粉塵和硫的含量，若原料氣品質達不到要求，將可能造成催化劑中毒，對整個系統產生極大的影響，因而該項目必須保證原料氣品質。

3.提純尾氣中含有少量CO，無法通過點火方式消除，須通過排氣筒高空排放，目前國家尚無這方面的標準規定，存在一定的排放風險。

4 安全補償措施

4.1 防火、防爆措施

1.在平面布置中，各生產區域、裝置及建筑物間考慮足夠的防火安全間距，并布置相應的消防通道。

2.煤氣設施設低壓報警及安全聯鎖裝置。

3.煤氣區附近避免設置常有人工作的地溝，如必須設置，應使溝內空氣流通，防止積存煤氣。

4.下列位置安設吹掃煤氣放散管，放散管口應采取防雨、防堵塞措施:(1)煤氣設備和管道的最高處;(2)煤氣管道以及臥式設備的末端;(3)煤氣設備和管道隔斷裝置前，管道網隔斷裝置前后支管閘閥在煤氣總管旁0.5 m內，可不設放散管，但超過0.5 m時，設放氣頭。

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.吹掃放散管口高出煤氣管道、設備和走臺4 m，離地面不小于10 m。

6.為防止煤氣串入氮氣管內，只有在通氮氣時，才把氮氣管與煤氣管道連通，停用時斷開或堵盲板。

7.廠區主要煤氣管道標有明顯的煤氣流向和種類的標志。

8.所有可能泄漏煤氣的地方均掛有提醒人們注意的警示標志。

9.煤氣加壓機與空氣鼓風機宜分別布置在單獨的房間內，如布置在同一房間，均應采用防爆型電氣設備。煤氣加壓站、抽氣機室的管理室裝設二次檢測儀表及調節裝置。一次儀表不應引入管理室內。一次儀表室應設強制通風裝置。

10.煤氣設備檢修和動火，應按規定事先用氮氣吹凈管道內殘余煤氣或空氣，并經檢測合格，方可進行。

11.一氧化碳含量較高的煤氣管道不應埋地敷設。煤氣管道應采取消除靜電和防雷的措施。

12.帶煤氣作業或在煤氣設備上動火，應有作業方案和安全措施，并應取得煤氣防護站或安全主管部門的書面批準。

4.2 防中毒措施

2.應設專職或兼職的技術人員負責單位的煤氣安全管理工作。

3.煤氣危險區(如地下室、加壓站、熱風爐及各種煤氣發生設施附近)的一氧化碳濃度應定期測定，在關鍵部位應設置一氧化碳監測裝置。作業環境一氧化碳最高允許濃度為30 mg/m3(24μL/L)。當CO濃度≥20μL/L時報警或自動開啟事故通風裝置。

4.煤氣的生產、回收及凈化區域內，不應設置與本裝置無關的設施及建筑物。

5.煤氣設施的人孔、閥門、儀表等經常有人操作的部位，均應設置固定平臺。

6.煤氣排放時均引至安全處，高出附近操作平臺4.5 m以上并離地10 m。廠房內或距廠房20 m以內的煤氣管道和設備上的放散管，管口應高出房頂4 m。廠房很高，放散管又不經常使用，其管口高度可適當減低，但應高出煤氣管道、設備和走臺4 m。不應在廠房內或向廠房內放散煤氣。

7.在有煤氣危險的區域作業，應兩人以上進行，并攜帶便攜式一氧化碳檢測報警儀。

8.在煤氣相關崗位配備防毒面具。

9.對可能泄漏氮氣造成人體窒息的地方設機械通風換氣設施。配備氧氣面罩，防窒息。

10.凡經常檢修的部位應設可靠的隔斷裝置。

11.帶煤氣作業如帶煤氣抽堵盲板、帶煤氣接管、操作插板等危險工作，不應在雷雨天進行，不宜在夜間進行;作業時，應有煤氣防護站人員在場監護;操作人員應佩戴呼吸器或通風式防毒面具。

4.3 原料氣品質保證措施

1.系統設置PSA－1工序。系統設置PSA－1工序以達到分離原料氣中的無機硫和水等雜質。具體措施為:增壓的原料氣從吸附塔底部進入PSA－1工序的吸附塔中，在預定的吸附壓力下，混合氣中的有害雜質被專用吸附劑吸附下來，CO、N2、CH4等未被吸附的組分作為吸附尾氣從吸附塔頂流出吸附塔，送到后工序。當吸附塔中的雜質吸附前沿到達吸附塔的預定位置后，關閉吸附塔的原料氣進口閥門和吸附尾氣出口閥門，吸附塔停止吸附步驟，開始轉入沖洗再生過程。

2.沖洗再生。結束吸附步驟后，將PSA－CO的尾氣從吸附塔的塔頂送入吸附塔對吸附劑進行沖洗再生，再生過程中吸附塔壓力保持不變。

至此，吸附塔完成了一個完整的吸附－再生循環過程，并為下一個循環過程做好了準備。裝置中9臺吸附塔交替進行以上各個步驟的操作，從而得到滿足產品規格要求的半成品氣。

5 結論

高爐煤氣變壓吸附(PSA)提純技術存在的主要風險，可以通過采取相應的補償措施得到有效控制，達到減少安全事故的發生或消除事故隱患、減輕職業病危害的目的。該企業的高爐煤氣變壓吸附(PSA)提純技術的工業化應用有效地控制了低燃值高爐煤氣大量放散所帶來的能源浪費、環境污染和安全隱患，具有良好的經濟效益和社會效益。

［1］ 湖南省冶金規劃設計院.湖南衡鋼百達先鋒能源科技有限公司提純低燃值高爐煤氣綜合利用工程可行性研究報告［R］.長沙:湖南省冶金規劃設計院，2011.

［2］ 湖南衡鋼百達先鋒能源科技有限公司.提純低燃值高爐煤氣綜合利用工程安全條件論證報告［R］.衡陽:湖南衡鋼百達先鋒能源科技有限公司，2011.

［3］ 湖南有色冶金勞動保護研究院.湖南衡鋼百達先鋒能源科技有限公司提純低燃值高爐煤氣綜合利用工程安全預評價報告［R］.長沙:湖南有色冶金勞動保護研究院，2012.

［4］ 陳健，古共偉.變壓吸附分離一氧化碳技術的應用［J］.低溫與特氣，1996，(2):70 －74.

［5］ 管英富，鄧祖向，宋長江.變壓吸附技術制取高純度一氧化碳［J］. 天然氣化工(C1化工與化學)，2010，(6):49－52.

［6］ 湯嬌娣，孫艷.一氧化碳分離提純技術進展［J］.天然氣化工(C1化工與化學)，2012，(5):62－67.