胡平杰

(河南煤業(yè)化工集團(tuán)有限責(zé)任公司義馬氣化廠,河南義馬 472300)

煤化工企業(yè)泄壓排放系統(tǒng)管網(wǎng)及其安全監(jiān)控設(shè)計(jì)探討(Ⅰ)

胡平杰

(河南煤業(yè)化工集團(tuán)有限責(zé)任公司義馬氣化廠,河南義馬 472300)

結(jié)合石油化工企業(yè)泄壓排放系統(tǒng)和火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求,分析了目前煤化工企業(yè)泄壓排放系統(tǒng)管網(wǎng)存在的不足和安全隱患,并分析了火炬系統(tǒng)存在的安全隱患,提出了在煤化工企業(yè)各單元生產(chǎn)裝置的泄壓排放口增加氣體預(yù)處理裝置的觀點(diǎn),將泄壓排放氣在各自的單元生產(chǎn)裝置排放口進(jìn)行簡單的物理或化學(xué)處理,除去較大的液滴、粉塵和結(jié)晶物后再排入火炬總管,防止火炬總管被堵塞而發(fā)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(chǎn)技術(shù)中,煉焦是應(yīng)用最早的工藝,后來以煤為原料,經(jīng)過化學(xué)加工使煤轉(zhuǎn)化為氣體、液體、固體燃料以及化學(xué)品的煤化工工藝不斷發(fā)展,經(jīng)過幾十年的努力,以煤氣化為龍頭,以一氧化碳為基礎(chǔ),合成、制取各種化工產(chǎn)品和燃料油的煤炭潔凈利用技術(shù)的開發(fā),使煤化工裝置向大型化、復(fù)雜化發(fā)展,煤化工從焦炭、電石、煤制化肥產(chǎn)品為主的傳統(tǒng)工業(yè),逐步向石油替代產(chǎn)品為主的現(xiàn)代煤化工轉(zhuǎn)變已經(jīng)取得了長足進(jìn)步。

由于技術(shù)和歷史的原因,煤化工行業(yè)是介于煤炭和化工行業(yè)之間的既成熟又新興的產(chǎn)業(yè),針對煤化工行業(yè)的專門的國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范很少,因煤化工工程中煤的運(yùn)輸、儲存、處理等應(yīng)執(zhí)行煤炭行業(yè)規(guī)范,后續(xù)加工過程與石油化工企業(yè)相同,應(yīng)按照石油化工企業(yè)的國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范執(zhí)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(qū)別,在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮煤化工的特點(diǎn)。

煤化工企業(yè)在早期局限于煤制化肥,向著大型化發(fā)展是近十幾年的事,一些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范只能依照石油化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),如《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[1],該標(biāo)準(zhǔn)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(zhí)行本規(guī)范”,這就掩蓋了標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范中“必須”、“嚴(yán)禁”、“應(yīng)”等嚴(yán)格性限制。致使煤化工企業(yè)在設(shè)計(jì)之初就可能因標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范問題而埋下隱患。

筆者在多年煤化工企業(yè)工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,就煤化工企業(yè)泄壓排放和火炬系統(tǒng)涉及的排放管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和泄壓自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),談點(diǎn)個(gè)人觀點(diǎn)和建議。

1 石化行業(yè)對泄壓排放系統(tǒng)和火炬系統(tǒng)的要求

泄壓排放系統(tǒng)和火炬系統(tǒng)在大型石化企業(yè)相當(dāng)成熟,尤其是近幾年建成的大煉化、大乙烯項(xiàng)目,針對這類企業(yè)有相應(yīng)的國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[13]?；鹁嫣幚淼臍怏w主要包括:由于裝置內(nèi)各個(gè)生產(chǎn)工序生產(chǎn)的不平衡,造成設(shè)備和管道超壓,經(jīng)安全閥排放氣體物料,切斷閥和安全閥不嚴(yán)密而使物料泄漏的排放氣;裝置處于試車、開車、停產(chǎn)時(shí)產(chǎn)出的易燃易爆氣體;作為裝置緊急事故停車時(shí)的排放氣等。典型的高架火炬系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 典型的高架火炬系統(tǒng)組成

根據(jù)文獻(xiàn)[2],排放氣四種介質(zhì)狀態(tài):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(tǒng)。以上情況若要設(shè)置火炬總管時(shí),如果是上述幾種情況的組合,則要分開設(shè)置干火炬系統(tǒng)和濕火炬系統(tǒng),當(dāng)兩種物料混合可能產(chǎn)生固體或發(fā)生危險(xiǎn)的物理化學(xué)變化時(shí),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(shè)分離設(shè)施和單獨(dú)的液相系統(tǒng)。同時(shí)還規(guī)定,每根火炬排放氣總管都應(yīng)設(shè)分離罐,用于分離氣體夾帶的液滴和分離可能發(fā)生兩相流中的液相物質(zhì)。

一般裝置內(nèi)需設(shè)分液罐以減少火炬氣總管中的凝液量,以防止大量液體進(jìn)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(dāng)火炬設(shè)置和裝置有一定距離時(shí),火炬氣在較長距離的輸送過程中會產(chǎn)生凝結(jié)液,因而在火炬氣進(jìn)入火炬以前要設(shè)置分液罐,再次分離凝液,尤其是全廠公用火炬系統(tǒng),以免液滴夾帶到火炬頭,造成下火雨。

設(shè)計(jì)分液罐時(shí)應(yīng)保證有足夠的容積。排放低溫物料時(shí)速度不能過快,排放速度過快易造成火炬管線冷淬,特別當(dāng)火炬管線和分液罐有水時(shí),可造成凍堵。

2 泄壓排放管網(wǎng)設(shè)計(jì)的不足和存在的安全隱患

如前所述,大型化工企業(yè)出于安全運(yùn)行和環(huán)境保護(hù)的要求必須設(shè)置泄壓排放系統(tǒng)和火炬系統(tǒng),且必須設(shè)置至少一根火炬總管和一個(gè)火炬,有的企業(yè)可能必須設(shè)置多根火炬總管和多個(gè)火炬。但是筆者對幾家煤化工企業(yè)的現(xiàn)場調(diào)研和檢索到的有關(guān)信息表明,完全能夠按照上述石化行業(yè)要求,根據(jù)排放氣介質(zhì)狀態(tài)分開設(shè)置火炬總管的幾乎沒有,現(xiàn)行的做法基本上是全廠設(shè)一根火炬總管,廠內(nèi)各裝置的排放氣和泄壓氣直接接入火炬總管,在系統(tǒng)設(shè)置方面則是按照圖1所示的典型火炬系統(tǒng)配置,在火炬總管末端的火炬下方設(shè)置分液罐分離氣液,有的企業(yè)甚至不設(shè)置分液罐。這種設(shè)計(jì)存在的不足和安全隱患如下。

a)煤化工企業(yè)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(tài)和液態(tài)雜質(zhì),這些固態(tài)和液態(tài)雜質(zhì)在火炬氣總管中會沉積、結(jié)晶。短時(shí)間沒有問題,長時(shí)間會堵塞火炬氣總管。

b)粗煤氣都要經(jīng)過進(jìn)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(xué)法凈化,粗煤氣凈化要用到甲醇、液氨、醚類等其他化學(xué)產(chǎn)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(zhì)混合在排放氣中排入火炬,這些介質(zhì)在長長的火炬總管中會凝結(jié)成液態(tài),結(jié)晶成固態(tài)。

c)煤化工企業(yè)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(dǎo)致火炬總管內(nèi)凝結(jié)液結(jié)冰阻塞。凡此種種及其他不可預(yù)料的情況,都會使火炬總管系統(tǒng)冷淬、堵塞、超壓,造成嚴(yán)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(jié)點(diǎn)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(shí)盡量避免丁字連接或?qū)?采用支管與總管中心線成30°～45°角斜插進(jìn),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(shí)管網(wǎng)水力工況平衡,降低高速氣流進(jìn)入總管時(shí)的沖擊力并調(diào)整節(jié)點(diǎn)處水力工況。據(jù)筆者調(diào)研,目前還沒采取如此設(shè)計(jì)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(jié)點(diǎn)示意

鑒于上述原因,幾年來國內(nèi)已經(jīng)有因火炬總管堵塞而發(fā)生爆炸事故的報(bào)道,典型的案例是,爆炸后檢查發(fā)現(xiàn)DN600的火炬總管有長達(dá)1 m被排放氣的結(jié)晶物、沉積物嚴(yán)重堵塞,致使火炬總管突發(fā)爆炸,總管被扭曲,爆炸聲傳播10 km。某企業(yè)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(jīng)1臺調(diào)節(jié)閥、1臺開關(guān)閥和孔板降壓節(jié)流后直接排放至火炬管線,因渣排放罐內(nèi)主要是渣水混合物,僅含有少量氣體,在泄壓時(shí)會帶出部分渣水,渣水隨氣體進(jìn)入火炬管線,經(jīng)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(yán)重,極易在使用火炬管線時(shí)導(dǎo)致水擊。

3 對煤化工企業(yè)泄壓排放預(yù)處理的管網(wǎng)設(shè)計(jì)

為增強(qiáng)火炬系統(tǒng)的安全性,乙烯裝置設(shè)計(jì)要求裝置內(nèi)設(shè)置濕火炬罐、干火炬罐和液體蒸發(fā)器,在火炬氣出界區(qū)前先在濕火炬罐、干火炬罐內(nèi)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(tuán)南京設(shè)計(jì)院的馬炯、李蒙等發(fā)明一種“羰基化合成裝置排入火炬系統(tǒng)的含碘甲烷的可燃?xì)怏w的處理方法”[6],系統(tǒng)流程如圖3所示。這一發(fā)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(tǒng)的含碘甲烷的可燃?xì)怏w的處理方法,更為煤化工企業(yè)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(tǒng)的含碘甲烷的可燃?xì)怏w的處理方法流程

煤化工企業(yè)的產(chǎn)品和加工過程有很多自己的特點(diǎn),排放氣中成分相對來說不是很復(fù)雜,所以是否需要多根火炬總管和多個(gè)火炬還需要論證,但在只設(shè)置一根火炬總管和一個(gè)火炬的情況下,為了提高安全性和可靠性,可以考慮參照標(biāo)準(zhǔn)在各裝置火炬氣排入火炬總管前,先經(jīng)過相應(yīng)的預(yù)處理裝置進(jìn)行處理,如圖3所示。

按照圖3設(shè)計(jì)泄壓排放系統(tǒng)管網(wǎng),根據(jù)各裝置工藝特點(diǎn)和泄壓排放氣氣體特性,在裝置區(qū)泄壓排放口就近進(jìn)行除塵、氣液分離、升降溫處理,將泄壓排放氣中易沉淀、結(jié)晶、凍堵、發(fā)生其他化合反應(yīng)的介質(zhì)進(jìn)行分離和處理,再排入火炬總管。

從煤化工行業(yè)特點(diǎn)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(yīng)的預(yù)處理。圖3只給出了大致流程,具體的處理流程要根據(jù)具體裝置排放氣情況設(shè)計(jì)。比如對于煤化工醋酸裝置,處理醋酸裝置區(qū)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(jù)氣化爐特點(diǎn)可能會同時(shí)含有大量其他雜質(zhì)。正常生產(chǎn)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(chǎn)生氣液固多相流,尤其是管道的彎頭、管道內(nèi)有其他節(jié)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(shè)置簡單的處理裝置,如旋風(fēng)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(tǒng)排放出的粗煤氣經(jīng)過水冷進(jìn)入旋風(fēng)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(tǒng)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(jù)具體裝置泄壓排放氣體的物理化學(xué)狀態(tài),可以設(shè)計(jì)具體的物理或化學(xué)處理裝置對泄壓排放氣進(jìn)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(jié)晶物、接近常溫。

4 結(jié)束語

當(dāng)前國內(nèi)煤化工企業(yè)越建越多,企業(yè)規(guī)模越來越大,產(chǎn)業(yè)鏈條越來越長,煤化工已經(jīng)成為國內(nèi)國民經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略規(guī)劃的支柱產(chǎn)業(yè),但一些國家標(biāo)準(zhǔn)還是空白或者不明確。新建煤化工企業(yè)的業(yè)主前身各異,大多是煤炭行業(yè),決策層對石化行業(yè)都不是很了解。所以一些企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中是邊實(shí)踐邊摸索,據(jù)悉有家企業(yè)多次實(shí)踐,在火炬泄壓閥后,增加一個(gè)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(rèn)為,規(guī)范和明確煤化工企業(yè)相關(guān)規(guī)范是十分迫切的事情,建議國家相關(guān)部門盡快組織國內(nèi)有關(guān)煤化工領(lǐng)域的專家學(xué)者,組織編寫煤化工行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。在煤化工企業(yè)建設(shè)設(shè)計(jì)階段就完善設(shè)計(jì),否則企業(yè)一旦建成再進(jìn)行改造增加裝置設(shè)備,既增加成本又增加改造難度。

[1] 中國石化集團(tuán)洛陽石油化工工程公司.GB 50160-2008石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2009.

[2] 中國寰球化學(xué)工程公司.HG/T20570.12-95火炬系統(tǒng)設(shè)置[S].1996.

[3] 中國石化工程建設(shè)公司.SH 3009-2001石油化工企業(yè)燃料氣系統(tǒng)和可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].2002.

[4] 王松漢.乙烯裝置技術(shù)與運(yùn)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(fā)設(shè)計(jì)院.SY/T10043-2002 泄壓和減壓系統(tǒng)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(tǒng)的含碘甲烷的可燃?xì)怏w的處理方法:中國,CN 101721896 A [P].2010-06-09.

[7] 中石化集團(tuán)上海工程有限公司.化工工藝設(shè)計(jì)手冊[M].3版.北京:化學(xué)工業(yè)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(shè)計(jì)手冊[M].3版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000.

[9] 姚 青.放空火炬系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)[J].化工設(shè)計(jì),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(yè)于陜西機(jī)械學(xué)院工業(yè)自動化專業(yè),任高級工程師、注冊自動化系統(tǒng)工程師,具有化工大項(xiàng)目建設(shè)管理和大企業(yè)生產(chǎn)維修經(jīng)驗(yàn),長期致力于工業(yè)自動化儀表應(yīng)用領(lǐng)域工作,正式發(fā)表論文十余篇,申請國家專利4個(gè)。