APP下载

煤气过滤器爆炸原因分析及预防措施

2019-01-17李彦红李东东

中氮肥 2019年2期
关键词:油剂焦炉氮气

李彦红,李东东

(山西焦化股份有限公司,山西 洪洞 041606)

1 概 况

某焦炉气制甲醇厂甲醇装置以焦炉气为原料,通过焦炉气压缩、精脱硫、转化、合成、精馏等工序生产甲醇,甲醇厂下设生产调度室及净化车间、合成车间、空分车间、公辅车间。其中,精脱硫岗位的主要任务是将湿法脱硫后焦炉气中的有机硫通过2次加氢转化和2次H2S脱除,使出口焦炉气中总硫≤2×10-6,并通过对预热炉、升温炉温度的调控为转化岗位提供合格的原料气和升温介质。

焦炉气精脱硫系统工艺流程:湿法脱硫→压缩→油分离器→煤气过滤器A/B→焦炉气初预热炉→铁钼预加氢槽A/B→铁钼一级加氢槽→中温脱硫槽A/B/C→铁钼二级加氢槽→氧化锌脱硫槽→转化系统。

2 煤气过滤器爆炸事故经过

该甲醇厂根据春季检修计划,计划于2018年4月3日09:00对全厂生产系统进行降温置换,并进行为期1个月的停车检修。据停车检修方案,4月3日07:05,系统减负荷生产;09:53,系统开始停车;系统停车后,10:18,由1#焦炉气压缩机(6M32)提供的压缩氮气对精脱硫、转化系统进行置换;10:27左右,现场人员在将煤气过滤器B切出系统的过程中,向中控汇报有关阀门无法关闭(经事后查看,当时入口阀关闭1/3、出口阀关剩4扣);10:29左右,中控指挥现场人员打开精脱硫系统放空阀,现场人员离开煤气过滤器B去执行指令;10:34,煤气过滤器B发生爆炸(当时设备内压力为0.56MPa)。

3 事故现场勘查

3.1 物的状态

氮气置换过程中,现场煤气过滤器B阀门卡阻,无法关闭(入口阀关闭1/3、出口阀关剩4扣);据了解,2018年4月2日空分车间发现氧气放空阀(V104)有卡涩现象。

3.2 人的不安全行为

在调节氧气自动阀的过程中,中控操作人员存在连续操作氧气放空阀(V104)幅度掌握不当的情况;停车过程中,在氧压机打氮气未停机的情况下,将1#焦炉气压缩机转为打氮气,存在改变操作顺序的情况。

4 爆炸原因分析

4.1 氮气中氧含量超标

据燃烧、爆炸三要素进行分析。该焦炉气制甲醇装置停车、置换过程中,可燃物为焦炉气,系统内点火源有多处,二者均不可控;助燃物氧气的来源只有氮气中携带,即在系统停车置换过程中控制氮气纯度至关重要。

(1)据系统的停车方案,2018年4月3日09:53转化系统开始切出氧气,氧压机改为打氮气置换空分装置至转化系统的氧气管线,切换过程中,由于空分装置分馏塔氧气放空阀(V104)存在卡涩现象,导致氧气产量瞬时发生大幅波动,最小为4342m3/h,最大为7116m3/h。

(2)2018年4月3日10:19,6M32型低压机(正常生产时打焦炉气)切换为打氮气对焦炉气精脱硫系统进行置换、降温,又一次扰动了空分装置分馏塔的精馏工况,空分装置当时的情况为:10:18氧气产量为7560m3/h,10:21氧气产量为5434m3/h,10:26氧气产量为0,10:27:50氧气产量为4917m3/h,10:28:33氧气产量为6837 m3/h,10:29氧气产量恢复正常。

空分装置设计氮气产能为11250m3/h,在系统置换过程中瞬时采出量达15000m3/h;同时,由于错误地将空分装置氧气放空阀(V104)关闭(氧气采出量由6600m3/h降至0),且未及时关闭去水冷塔氮气阀(其开度为60%),导致装置内氧气窜至氮气内。

据氧气产量曲线分析,有2.5min未采出氧气。空分装置设计氧气产能为6000m3/h,以此为计算依据,在装置氧气放空阀(V104)关闭的情况下,2.5min内应该有250m3的纯氧进入了氮气中,以外送氮气量为15000m3/h计,即压缩氮气量为250m3/min,2.5min共外送压缩氮气625m3,则此时氮气中氧含量约28%。在1#焦炉气压缩机切换为打氮气后,氧含量为28%的不合格氮气进入精脱硫系统。

4.2 煤气过滤器内发生化学反应

在煤气过滤器B未置换合格时,车间安排将其切出系统,但在切出过程中,由于阀门卡阻,无法关闭(入口阀关闭1/3、出口阀关剩4扣),未能与系统完全隔离,导致焦炉气与不合格氮气流速降低,聚集在煤气过滤器B内不能顺利排出;而长期生产过程中焦炉气中残留的H2S与煤气过滤器B内高效吸油剂中的Fe2O3反应生成FeS及单质硫,不合格氮气进入后,氧与FeS反应放出的热量在局部集聚,加速了周围FeS的氧化,且吸油剂吸附的煤气中含有的苯、萘、油类等物质在FeS的作用下迅速燃烧放出更多的热量,从而引起混合性爆炸气体的爆炸。

FeS常压下的自燃点为40℃,压力越高燃点越低。FeS自燃的过程中如果没有一定的可燃物支持,将产生白色的SO2气体(常被误认为是水蒸气),伴有刺激性气味,同时放出大量的热;当周围有其他可燃物(如油品)存在时,会冒出浓烟,并引发爆炸。

FeS在工艺设备中的分布一般遵循这一规律:介质中硫含量越高,其FeS腐蚀产物越多,但是介质中的硫含量仅为百万分之几的设备在打开时也会发生FeS自燃现象。其原因不是介质中硫含量高,而是细微的FeS腐蚀产物在某些局部区域很容易发生沉积,尤其是填料塔,填料塔内的填料除了具有分馏功能外,还具有高效的过滤功能,上游系统携带来的FeS很容易被拦截在此,同时金属填料有较大的比表面积(200~400m2/g),与物料的接触面积大,即使硫含量很低也会腐蚀填料,加之填料塔内物料流速低,使得填料表面腐蚀生成的FeS很难被带走,如此一来,对于高负荷、长周期、连续运行的填料塔而言,塔内会积聚一定量的FeS;而塔内的FeS不是纯净物,是与焦炭粉、油垢等形成的混合垢物,结构一般较为疏松。FeS在潮湿状态中被氧化,Fe2+被氧化成Fe3+,S2-被氧化成,放出大量的热,使得系统内局部温度升高,加速周围FeS的氧化,形成连锁反应,加之吸油剂中吸附大量的油,油在FeS的作用下迅速燃烧放出更多的热,最终酿成着火爆炸事故。

4.2.1 FeS的形成机理

4.2.1.1 水溶液中H2S与Fe反应生成FeS

有水存在的情况下,设备内壁(Fe)与焦炉气中的H2S反应,生成还原性的FeS,主要反应方程式如下。

H2S在水溶液中电离:H2S→H++HS-(H2S的电离常数K1=1.3×10-7),HS-→H++S2-(K2=7.1×10-15),H2S是弱电解质,不完全电离,以第一步电离为主,第二步可忽略。

金属电化学反应:阳极反应Fe→Fe2++2e,阴极反应2H++2e→H2。

Fe2+与S2-及HS-反应:Fe2++S2-→FeS↓,Fe2++HS-→FeS↓+H+。

假设H2S在水溶液中完全电离为HS-,则整个过程简化为:H2S→H++HS-,Fe→Fe2++2e,Fe2++HS-→FeS↓+H+。

正常生产情况下,由湿法脱硫工段送至精脱硫工段的焦炉气量为32650m3/h,而焦炉气中的H2S≤20mg/m3,以20mg/m3计,则焦炉气中H2S的质量mH2S=20×32650÷1000=653g/h,焦炉气中H2S的物质的量nH2S=mH2S/MH2S=653÷34=19.21mol/h,按3%的反应率计算,半年累计生成的FeS的物质的量n1(FeS)=19.21×24×30×6×3%=2.49×103mol,亦即m1(FeS)=2.49×103×88÷1000=219kg。

4.2.1.2 Fe2O3与H2S反应生成FeS

煤气过滤器B内高效吸油剂中的成分Fe2O3与焦炉气中H2S发生反应生成FeS,反应方程式:Fe2O3+3H2S═══2FeS↓+S+3H2O。

煤气过滤器B内装高效吸油剂30t,其中金属氧化物含量为55%,金属氧化物中Fe2O3含量为3.5%,则高效吸油剂中Fe2O3的质量mFe2O3=30×55%×3.5%=0.5775t=578kg,高效吸油剂中Fe2O3的物质的量nFe2O3=mFe2O3/MFe2O3=578×1000÷160=3.61×103mol,即高效吸油剂中Fe2O3与焦炉气中H2S反应生成的FeS的物质的量n2(FeS)=3.61×103×2=7.22×103mol,生成的FeS的质量m2(FeS)=7.22×103×88÷1000=635kg。截至事故发生时高效吸油剂使用6个月,假设Fe2O3与H2S反应与时间成正比例关系,则参与反应的Fe2O3的物质的量nFe2O3=3.61×103÷6÷30÷24=0.84mol/h,亦即生成的FeS为0.84×2=1.68mol/h。

4.2.1.3 2种途径生成FeS的总量

以上2种途径生成FeS的总质量(m总)和总物质的量(n总)分 别 为:m总=m1(FeS)+m2(FeS)=219+635=854kg,n总=n1(FeS)+n2(FeS)=2.49×103+7.22×103=9.71×103mol。

4.2.2 FeS与O2的反应

FeS与O2的反应方程式为:FeS+1.5O2═══FeO+SO2+49kJ/mol,FeO+0.25O2═══0.5Fe2O3+135.5kJ/mol。

(1)若只发生FeS+1.5O2═══FeO+SO2+49kJ/mol的反应,因为前述生成的FeS的物质的量为9.71×103mol,则反应产生的热量Q1=n总q1=9.71×103×49=0.48×106kJ。

(2)若发生FeS+1.5O2═══FeO+SO2+49kJ/mol和FeO+0.25O2═══0.5Fe2O3+135.5 kJ/mol的反应,即总反应方程式为FeS+1.75O2═══0.5Fe2O3+SO2+184.5kJ/mol,则反应产生的热量Q2=n总q2=9.71×103×184.5=1.79×106kJ。

(3)保守估计,以只发生FeS+1.5O2═══FeO+SO2+49kJ/mol反应计,(完全反应状态下)FeS遇氧自燃后反应产生的热量为0.48×106kJ,FeS的总质量为854kg,平均比热容(c)为0.45kJ/(kg·K),则系统绝热温升ΔT=Q1/(m·c)=0.48×106÷(854×0.45)=1249K。但煤气过滤器B实际上并非完全密闭的容器,以50%反应热被气体带走、50%的热量在槽内聚积计,则系统温升ΔT′=0.5ΔT=0.5×1249=624.5K,即系统温升达624.5℃。而H2S的燃点为260℃、单质硫的燃点为250℃、氢气的燃点为580℃,显然,FeS遇氧自燃后系统的温升会引燃低燃点物质。

煤气过滤器B发生爆炸时,其已使用半年以上,吸油剂中已吸附大量的硫化物、油类物、苯、萘等至饱和状态(吸附量为吸油剂质量的30%,约9t),而事发前入工段焦炉气中H2S含量近1个多月持续处于超标状态(设计值<20 mg/m3,实际值700~1200mg/m3),同时在1#焦炉气压缩机切换为打氮气时系统压力为0.56 MPa,大幅降低了焦炉气的燃点;在煤气过滤器B切出过程中,由于阀门卡阻(入口阀关闭1/3、出口阀关剩4扣),含氧氮气进入煤气过滤器B内流速大幅下降,不能从其出口顺畅排出,形成相对封闭的绝热空间,其内部的FeS遇氧自燃后,热量不能移出而聚积,器内温度大幅升高,分子的活化能提高,支链反应速度加快,引燃低燃点物质,继而发生连锁反应而引起爆炸。

5 防范和整改措施

5.1 保证工艺系统稳定运行

净化车间入精脱硫工序焦炉气中H2S含量长期处于严重超标状态(设计值≤20mg/m3,实际生产中因前工序脱硫系统处理能力等方面的原因,实际值在700~1200mg/m3),导致FeS大量生成,同时由于H2S燃点较低(260℃),为燃烧爆炸提供了条件。因此,在后续生产中需采取如下一些应对措施。

(1)设备方面:首先需要对不灵敏、有卡涩等不合格的阀门进行维修及更换,并且要经常检查和维护,在各种操作(置换、维修、开停车操作等)之前,必须保持各阀门、仪表的状态正常。

(2)操作方面:在操作人员培训中,一定要强调设备操作的正确性,严格遵守操作规程和各工段信息的共享,杜绝违规操作和信息沟通不及时、脱节现象。

(3)吹扫或置换气体的质量控制:在使用氮气置换煤气过滤器及其他设备时,必须对置换氮气进行取样分析,严格控制其中的氧含量;置换完成后,对其进行隔离,该关闭的阀门一定要关严,并且在检修之前对隔离的设备进行通风,通风后对其中的介质进行取样分析,分析合格后才可进行检修操作。空分装置置换过程中,严格控制氮气采出量,使氮气产出量在设计值以内,确保氮气纯度符合安全指标要求。

(4)焦炉气质量控制:正常生产时,一定要严格控制进入煤气过滤器焦炉气中的氧含量≤0.5%、H2S含量≤20mg/m3,如果H2S含量严重超标,一定要与前工段沟通,通过调度将H2S含量超标的焦炉气返回湿法脱硫工段再进行处理,如果湿法脱硫工段出口焦炉气确实无法达到指标要求,协调停车检修。

(5)吸油剂的质量控制:定期对吸油剂进行取样分析,质量无法满足要求则立即更换。

5.2 细化和优化检修方案

(1)检修方案编制必须科学、严谨、具可操作性,能够指导操作且步序明确,安全措施必须细化到检修环节的每一个步骤,明确检修环节的指挥和作业安全管理,确保检修各环节安全生产责任落实到位。

(2)在系统停车置换过程中,必须经采样分析且分析结果合格后方可进行下一步操作。

(3)检修过程中要认真落实安全确认制度,严格按照检修操作规程进行操作,以确保安全检修。

5.3 完善各项安全管理工作

5.3.1 加强检修作业管理

明确职责,做到“三必管”和“三必须”。加强各类检修管理,检修作业前,主要领导必须亲自按规定认真组织制定检修方案和安全措施,并严格逐级审批把关;检修作业中,正常情况下必须严格按照检修方案执行,现场必须有领导统一调度指挥协调,关键环节需经有效确认后方可进行下一步操作;同时,应加强检修期间的现场管理,避免随意操作。

5.3.2 加强安全宣传教育培训工作

充分利用班前班后会以及脱产或半脱产等培训形式,提高职工的安全意识和安全风险认知度:加大操作人员业务培训力度,组织各级管理人员、操作人员深入开展工艺培训,重点培训工艺指标变化对系统前后工序可能产生的影响,对其产生的危害要认识清楚、理解透彻。

5.3.3 扎实开展安全生产标准化建设

要严格按照国家和省安监局下发的《危险化学品从业单位安全生产标准化评审标准》要求,组织开展安全法律法规学习、风险评价、设施完善、作业管理、检查与自评、岗位达标等各项工作,坚持把落实放在第一位,落实好安全生产责任制、安全生产管理制度、操作规程、检修方案等,细化内部管理,确保各级安全生产职责落实到位。

5.3.4 牢固树立“安全发展”理念和“以人为本、安全第一”思想

坚守安全生产红线,充分认识危化品行业“两重一大”的重要性,严格落实安全生产主体责任,正确处理安全与生产、安全与效益的关系,切实做到在安全的前提下组织生产;要配齐配强领导班子,健全安全管理机构和安全生产责任制,做到一岗一责、履职尽责,并层层落实。

6 结束语

此次事故表面上看似乎很偶然,甚至有些不可思议,但通过认真分析和深刻剖析发现,该厂在停车过程中,从停车方案的编制,到停车的组织、指挥、操作、设备维保等都存在不严谨、不统一、不规范、不到位的地方,加之工艺操作方面忽略了长时间入精脱硫系统焦炉气中H2S含量严重超标可能带来的风险,由此导致了煤气过滤器B爆炸事故的发生。

通过对此次事故的原因分析,我们认识到,各级各类方案必须各有侧重,不能互为替代,且工艺指标是刚性的,必须严格执行,必须有敏感性,尤其是对于长期不合格的工艺指标,不能麻木,否则后果可能是灾难性的。

猜你喜欢

油剂焦炉氮气
捣固焦炉推焦电流高的原因分析与对策
一种空气分离装置中的污氮气用脱氧装置
2022年以来全国新增焦化产能1232万t/a 淘汰696万t/a
SWDJ673型捣固焦炉技术特点及应用
钢企冷轧厂保安氮气管网方案探讨
海上油气开发水下井喷溢油的化学分散技术研究
环保型涤纶POY油剂TK-3518A的性能与应用
氨纶丝油剂的选择
煤焦质量对师宗捣固焦炉难推焦的影响分析
略谈油田氮气开采 技术的运用