合成氨安全环境问题及防护.docx
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合成氨安全环境问题及防护
合成氨的重点设备、危险因素及防范措施
一、重点部位及设备
(一)垂点部位
1.转化系统
转化系统由二段转化炉、二段转化炉、废热锅炉以及燃料燃烧、烟气废热回收设备组成。
高温设备集中,一段炉炉膛高达1300V,二段炉出II95O°C,废热锅炉产生IOMPa(表)高压蒸汽。
设备内为易燃、易爆气体,压力达4MPa(表)。
转化系统是装置中的高温区,其特点是高温、高压、易燃、易爆、有毒。
若发生超温,易造成设备损坏,工艺气体泄漏,而引发重大火灾,爆炸事故。
2.合成系统
合成系统由合成塔、水加热器、热交换器、冷交换器、水冷器、氨冷器、氨分离器等高圧设备组成。
是装置中高压设备集中的区域。
设备压力等级一般为20〜25MPa(表)。
设备内工艺介质为H2、N2、NH3等。
由于压力高,设备发生泄漏,易造成火灾、中毒、爆炸爭故。
如设备存在缺陷或产生氢脆、产生裂纹,在发生物理爆炸的同时,还町发生化学爆炸,往往造成灾难性的后果。
(二)重点设备
1.一段转化炉
一段转化炉承担着将原料烧类与蒸汽发生反应制取原料气的任务。
其操作、运行是否正常影响到整个装置的安全运行,是装置中结构复杂,操作条件苛刻的关键设备。
一段转化炉曲辎射段、对流段及燃料系统组成。
辐射段一般有几百根转化炉管,炉管内装填催化剂,炷类与水蒸气在炉管内反应。
炉管外用燃料气(油)燃烧形成的火焰直接加热,炉管外壁温度高达900-950€,炉管内压力为4MPa(表),运行条件比技苛刻。
对流段为有效回收热能,采佣多种工艺物料与烟气换热,换热方式校复杂。
一段转化炉在生产中,如发生催化剂中毒、结碳,水碳比失调,燃料系统故障、炉骨超温等都町造成爭故。
如发生设备损坏、泄漏还町引发重人火灾、爆炸那故。
2.压缩透平机组
合成氨装置有合成气斥缩机、氨气斥缩机、工艺空气压缩机、原料气压缩机四人机组釆用离心式多级压缩机组,用蒸汽透平驱动。
原料气压缩机压缩气体为天然,(或干气,出II压力4MPa(表);氨气压缩机压缩气氨,出口压力1・6-1.8MPa(表);工艺空气压缩机压缩空气,出II压力4MPa(表);最毛要的是合成气压缩机,压缩气体为H2、N2气体,出丨1压力一般为20—25MPa(表),采用10MPa(表)高床蒸汽透平驱动,转速町达11000r/min,被称为合成氨装置的“心脏”。
人机组一般在高温、高压、高转速下运行,密封、润滑条件要求高,调节控制系统复杂。
运行中如发生喘振、气体带液、轴瓦磨损、密封损坏、轴位移高等都可造成机组故障。
由于结构复杂,维护保养、检修安装要求高。
如维护不当,检修安装未达到楕度标准,也容易发生设备故障。
而四人机组均为单系列运行,无备用机组,任何一台机组的停机,都可造成全装宜停车。
而且泄漏出來的NH3、H2、N2,原料气还可造成觅大的火灾、爆炸、中毒爭故。
3.合成塔
合成塔是装置的主要设备,氢气与氮气在合成塔内反应生成氨。
合成塔是高温、高压设备,工作压力20〜25MPa(表),反应温度500°C左右。
由承受高压的外壳及承受高温的内件组成。
内件由热交换器及触煤筐组成,触煤筐内充填介成触煤,内件结构比较复杂。
合成塔运行中,如发生触煤中毒、触煤超温、入塔H2/N2比失调等,可造成装置运行正常或停车。
塔内件如压差过人,可引起内件变形,而造成重人设备事故。
氮气、氢气在高温、高斥卜会对金属材料发生渗氮、氢脆脱碳腐蚀。
外浇发生超温,是十分危险的,可使设备材料遭受破坏,造成灾难性的后果。
二、危险因素分析及其防范措施
合成氨装置采用的原料、燃料、过程产物及产品大多为甲类、乙类火灾危险性物质,其中还有有毒物质,操作又在高温、高压下进行。
其牛小特心为:
高温、高床、易燃、易爆易中奇。
由于主要设备为单系列,因而设备一口发生故障,往往会造成全装宣停车。
故障处理不当,甚至造成觅大爭故发生。
(1)装置事故统计分析
我国70年代引进的大型合成氨装置,在生产初期曾频繁发生事故。
自1977年至1979年三年间,十一套装置曾发生人身伤亡爭故43次,重人停车爭故307次。
停车爭故中以设备爭故最多,停车次数为199次,占那故总数的64.82%。
详见表7—5。
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其中,主要设备发生重大停车爭故54次,以合成气压缩机发生停车爭故最多,为30次。
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我国人型合成氨装豐投产初期,催化剂发生损坏的隶故也较多。
1977年到1980年四年期间,13套大型合成氨装置八种催化剂中七种催化剂更换了58次。
其中,因爭故更换23次共760.02t,按计划更换35次共1316.66t,爭故更换催化剂占总更换呈的36.6%。
整炉更换共46炉。
其中,事故更换13炉,计划更换33炉。
事故更换次数最多的是一段转化催化剂。
详见表7—8(l)o
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从上述统计町以看出,我国人型合成氨装豐生产初期,装置重人停车將故频繁发生,按每厂、每年平均停车事故次数计达12.79次,平均每厂每月停车一次以上。
停车事故中以设备永故占的比例大,损失也人。
而主要设备停车事故又以介成气压缩机事故次数最多。
同时,催化剂损坏爭故也较多,经济损失也大。
其中,一段转化炉催化剂爭故更换次数为最多。
装置运行进入正常期后,出故次数人福卜降,装置实现了安全、稳定、长周期运行,长周期运行都达到一年以上。
从石化总公司所属企业1983年到1993年11年间发生的774例典型爭故看,介成氨装置为36例(人型介成氨装宜22例,中型合成氨装宜14例),占总次数的4.65%。
10套大型合成氨装置发生的22例典型專故中,人身爭故2例,设备及生产操作爭故20例,按每厂、每年爭故次数计已不足一次。
20例爭故按设备部位分类见表7-9。
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由表可见,一段转化炉(气化炉)爭故次数为最多.发生催化剂损坏爭故共5次。
其中,一段转化催化剂事故更换4次,合成催化剂更换1次。
从上述合成氨装置事故统计情况,可以看出装置中易发生故障的部位和危险因素。
现分析如下:
(1)合成氨装置投产初期为爭故多发期。
重人停车事故中,以设备爭故次数最多,生产操作事故次Z。
爭故发生情况表明,设备存在缺陷、维护不当、违章作业是造成爭故筝发的主要原因。
通过切实做好设计、制造、施工、生产准备等前期工作,可减少事故的发生。
(2)投产初期设备爭故中,仪表造成停车事故多。
主要是自动控制、自动联锁采用常规仪表,故障率高,使用、维护又不当造成的。
通过采用集散型控制系统(DCS)及故障安全控制系统(PSC),可减少因仪表故障造成的重大停车事故。
(3)投产初期重人设备停车爭故中,转动设备造成事故最多。
四人机组中又以合成气压缩机为最多。
合成气压缩机发生的爭故中,以烧轴瓦爭故次数为最多,以透平转子断叶片爭故最为典型。
那故主要原内是维护不当利设备存在缺陷。
只要把好设备设计、制造、安装试车关,可避免此类事故的发生。
(4)装宜生产正常稳定后,齐类事故人幅下降,但转化(气化)系统爭故次数下降幅度不人,成为爭故多发部位。
主要是一段转化催化剂中毒、结碳和设备内部爆炸等爭故,爭
故损失人,危害人。
因此,转化(气化)单元是装置重点危险部位,对其在开、停工及正常生产中,存在的各种危险因素应采取重点防范措施。
(5)装豐使用的催化剂种类多,催化剂事故更换,在生产爭故中一直占有不小的比例:
其中,以一段转化催化剂爭故更换次数最多。
造成催化剂损坏的原因,除设备故障影响外:
绝人多数是在开、停工过程中,违章作业、维护使用不当引起的。
因此,在开、停工中,应按催化剂操作规程的要求采取防范、保护措施。
(6)介成氨高压系统发生重人事故的次数校少,重大设备爭故主要是密対面发生汛漏及合成塔内件损坏。
其中,合成塔内件损坏爭故由于经济损失人,装置停工时间长,应更点预防。
爭故发生的主要原因是设备存在缺陷,加上操作不当(如:
升温快、圧差人)引起的。
(2)开停工危险因素分析及其防范措施
1.开工时危险因素分析及其防范措施
开工过程中,装咼设备(管道)要引入各种工艺介质进行吹扌二I、咼换,匸艺介质的温度压力也要逐步从常温、常压提到规定的指标值。
开工中各种催化剂要进行升温、还原达到“活化态”。
开工中,操作繁杂、步骤多、操作参数变化大、要求高、环节藝、时间长。
因而,操作不当,极易发生事故。
现将开工操作中,存在的主要危险及防范措施分析如F:
(1)设备(管线)吹打、宜换、送气(液)操作
设备(管线)进行吹扫、置换、送气操作是开工中前期操作。
在这一阶段中,如设备(管线)未吹扫干净就投入运行,在运行中杂质会堵塞管道或损坏阀门的密封面。
如果蒸汽、润滑汕系统存在杂质,将是十分危险的,杂质随蒸汽进入透平会造成叶片损坏:
杂质进入轴瓦会造成轴瓦磨损。
设备(管线)在开工中,必须用工艺介质置换合格。
上一工序工艺介质未合格前不能进入下一工序,否则会影响下一工序的正常运行,甚至造成事故。
特别要禁止用可燃气直接置换空'(,以免发生爆炸。
1975年某化肥厂,焦炉气压缩机未经豐换,就用來压缩空气。
开车过程中,三段缸系统产生爆炸,造成设备损坏、人员伤亡。
防范措施:
一是吹打、置换必须按操作规程操作。
并经检验、分析后,才能确认合格;二是操作前要检查有关的阀门(盲板)开关状况是否符合要求。
三是吹扫、置换排放II要有安全设施(或标记),防止发生意外事故。
四是定期清洗各种过滤器。
(2)设备(管道)升温、升压
设备(管道)从常温、常压升到操作温度、操作压力时必须保持一定速率。
升温、升压过快产生的热应力、压力降会损坏设备,可造成重人爭故。
1992年某化肥厂发生一起合成塔内件损坏和触煤报废事故,爭故造成直接经济损失220.3万元。
事故原因:
-•足合成塔内件中心管处存在轴向力:
二是合成塔升温速度过快。
设备(管线)升温操作中,工艺气体(特别是水蒸气)产生的冷凝液,应及时排除(送液时要注意排气)。
如排液不及时,气体带液,可造成“水击”损坏设备。
1985年某化肥厂,开工前,由于火炬系统的水分离器脱水有板未折除。
开工后,大量工艺气放空,放空管内枳水,“水击”致使部分管道从管架上坠落,并拉坏火炬。
设备(管线)升压前,还要认真检査有关的阀门(肓板),防止发生窜气、倒液而造成爭故。
特别是'((液)窜人装有催化剂的设备内时,还会损坏催化剂。
1989年某化肥厂检修后开车,中压蒸汽进行•管网暖管、送汽、升压时,由于两只蒸汽阀门未关,蒸汽进入冷态一段转化炉,造成一段转化催化剂水合粉碎。
被迫全炉更换催化剂。
防范措施:
一是严格控制升温、升压速率;二是操作中注意温度、压力、液位的变化:
三是作业前,认真检查有关阀门(盲板)开关状况;四是操作中,注意排液(或排,()。
(3)加热炉的点火、升温
加热炉(一段转化炉、气化炉)点火操作具有一定危险性。
因为点火前,如果炉膛内可燃气浓度已达到爆炸范鬧,未被置换干净,点火操作往往会造成炉膛爆炸。
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1985年某化肥厂,-段炉点火烘炉时,炉膛发生爆炸,直接经济损失11.6万元。
事故后,发现有10个烧嘴燃料气阀门没有关闭。
加热炉内一般有耐火衬里,升温速度过快易造成耐火材料产生裂缝、松动、共至脱落。
开工后往往造成炉外壁超温、变形,而导致发生火灾、爆炸。
1990年某化工厂合成氨装置,气化炉由于升温中炉内产生爆燃振动,耐火砖脱落。
投用后,炉颈过热,焊缝开裂,引起爆炸着火。
加热炉升温中,如果炉管内工艺介质流最过低,炉管外壁会超温,町烧坏炉管,也町引发爆炸、着火事故。
防范措施:
一是点火前,要确认燃料阀门已关闭:
二是炉膛一定要置换,并分析合格:
三是控制炉管出I1温度,防止工艺介质流量过低:
四是严格按升温曲线进行升温、升压操作。
(4)催化剂的升温、还原
催化剂的升温、还原在开工操作中是十分关键性的操作。
其操作的好坏,将影响催化剂的活性和使用埒命。
由于催化剂还原过程一般会放出大最的热最,造成温度上升,控制不当,易发生超温。
超温不但降低催化剂活性,减少催化剂使用寿命,严重时,町烧毁催化剂,并损坏设备。
1980年某化肥厂,低温变换炉B203型低温变换催化剂升温还原时,由于临时改用油田气直接升温还原,升温中催化剂床层温度从120-C跃升到404C:
最高曾达725°C。
该炉催化剂实际寿命只用42天,被迫停车,全炉更换催化剂。
防范措施:
一是制定正确的升温、还原方案:
二是确保仪表指示、检验分析数据正确三是阀门(盲板)开关无误、不帘气:
四是按规程操作。
(5)压缩机开车操作
压缩机组开车包括建立油循环、投用冷却水、建立冷凝液系统、盘车、置换、静态调试、暧管暖机、冲转、过临界转速、提速提压等步骤。
工作环节多,操作步骤繁杂。
操作不当,易发生烧轴瓦、振动大、喘振、超温超压、气封淤漏等故障,严觅时会造成重衣设备爭故。
1978年某天然气化工厂合成气斥缩机开车操作,开车升速时,由于在临界转速卜停留时间过长(两分钟),振动加剧,造成轴瓦磨损。
运转两天后停机,发现高乐缸止推瓦烧毁。
防范措施:
-•足开车实行操作票制度,防止误操作发生;二是制订爭故处理预案,正确处理异常情况,防止班故扩大。
2.停工中危险因素分析及防范措施
装置停工时,设备(管线)进行降压、降温、置换、吹扫:
运行设备停运;催化剂进行降温、钝化(氧化)等操作。
操作参数变化人,操作步骤繁杂。
正常停工,一般按停工方案进行。
遇紧急或事故停车,由于情况复杂,应按爭故处理预案进行。
停工中,特别是紧急(爭故)停工时,处理不当,易发生爭故。
现将停工操作中存在的主要危险及防范措施分析如下
(1)降量、断料操作
停工中,设备(管线)按停工步骤都要减负荷,并切断工艺介质的进料。
齐种工艺物料的减量及切断都有严格的先后程序,切断后还要防止发生淤漏。
如操作不为,有可能造成事故。
此项操作中存在的危险有:
1空气(氧'()进入存有可燃气的设备内,(如:
氧气进入已熄火的氧化炉,空气进入已停运的二段炉等),可发生爆炸:
2某种物料进入催化剂床层(如:
停蒸汽后烧类进入一段炉、蒸汽进入冷态一段炉等)町损坏催化剂;
3高压气体进入低压设备(如:
吸收塔高压气进入再生塔、合成高压气进入低压系统)町发生爆炸、着火。
1978年某化肥厂因仪表故障造成全厂紧急停车,蒸汽锅炉熄火。
爭故处理中,天然气未及时切断,继续进入一段炉,造成催化剂结碳。
1988年某化匸厂合成车间在气化炉紧急停车中,由于人炉戦气阀关不动而未关,又未汇报,造成炭黑洗涤塔爆炸。
防范措施:
一是按操作规程进行停工操作:
二是认真监测操作参数的变化:
三是及眄I关闭手动截止阀,以防酬漏。
(2)设备(管线)降压、降温
与开工操作一样。
设备的降压、降温也应严格控制速率。
降温速度过快,会产生热应力而损坏设备。
降压速度过快,可因压差人或气体(液体)倒流,而造成事故。
1977年某化肥厂,由于一段炉断料造成装置紧急停车。
停工中,由于中温变换炉出丨I放空阀开得太快、太人,降圧很快,造成脱碳吸收塔压力人于中变炉岀II压力,脱碳碱液倒人低温变换炉,造成58.8m3低变催化剂全部损坏。
防范措施:
一是停工中,保持正常降温、降压速率:
二是操作中,注意前后各工序温度、压力、液位的变化;三是检査阀门开关状况,防止内漏。
(3)催化剂降温、氧化(钝化)和保护
由于生产中催化剂处于“活化态”,停工操作中,一般视停工时间的长短及检修需要,对催化剂进行•保温保压;降温降压;氮气保护或进行氧化(钝化)操作。
停工中,还原态的催化笊遇到空气(氧气)会发生剧烈的氧化反应,控制不半可损坏催化剂。
催化剂与水接触还会造成强度下降或粉碎,停工期间,应特别注意保护催化剂。
1979年广西某氮肥厂,变换催化剂用蒸汽降温到4109后,临时改用煤气直接降温,一小时后,温度突升到600*0以上,25t催化剂全部损坏。
1979年某化肥厂,由于废热锅炉泄漏,装置停车。
停车中,由于给-段转化炉循环降温的氮气中夹带水蒸气,造成一段转化催化剂部分水介、粉碎。
因此,停工中应严格按操作规程对催化剂进行降温,保护。
并在操作中注意以下几点:
1一段转化催化剂品种屮,凡含有MgO助剂的,遇水会生成Mg(0H)2而粉碎,降温中要特别重视。
21氐温变换炉由于人II温度低(仅高于需点20〜30°C)o停工中,防止产生冷凝水而损坏低变催化剂。
3停工中,因甲烷化催化剂温度F降到2009以下,CO与Ni可生成Ni(CO)4(l级毒物)。
在温度下降到200°C以前,应用氮气豐换甲烷化炉。
4停工期间,催化剂一般都应充人氮气保持正压,以防止空气人内,发生氧化。
(4)压缩机停车
压缩机组停机操作与开车操作一样,步骤繁多。
停机操作中,如汕压过低,易发生烧轴瓦爭故;如压差人,易造成止推瓦损坏:
如震动人,易造成冗対、密封、轴瓦等损坏,如发生带液入缸,易造成转子叶片损坏。
因此,停机操作必须按停机操作票逐项进行,注意压力、温度、转速的变化。
如遇压缩机跳车或紧急停机操作时,还应注意检查备用(邪故)油泵是否启动,油压变化情况,并检查机组电动盘车是否开启。
(三)正常生产中危险因素分析及防范措施
正常生产时,设备运行正常,工艺参数稳定,即使发生小幅波动,经操作人员及时调节,都能保持正常。
但当有些重要的工艺参数偏离指标达到一定的时间及范闱时,装置就会发生故障或爭故,正常生产中要重点防范。
现将正常生产中存在的主要故障、危险因素及防范(处置)措施分单元介绍如下:
1.脱硫
硫是多种催化剂的每物。
因此,脱硫单元出II原料气中总硫含量高,危害性是比较人的,所造成的损失也人。
生产中要特别重视,采取防范措施。
1991年某化肥厂,由于炼油厂供应的原料石脑油中混入了常压塔常二线组分,石脑油出脱硫系统的含硫最高达2.5X10-6(1E常指标W0.2X10-6).导致一段转化催化剂发生硫中毒,并产生高级炷裂解结碳损坏一段转化催化剂34.7吨。
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2.转化
在装置中,转化单元运疔条件足比较苛刻的,备项工艺指标的控制也要求严格,是装置中危险的部位。
常见的故障:
一段炉有催化剂中毒、结碳、粉碎,炉管超温,压差高等;二
段炉有温度高、催化剂损坏、出1丨甲烷高等;废热锅炉有锅炉炉管爆管等。
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1993年某化肥厂合成车间,由于辅助锅炉爆管,引起蒸汽屋卜•降,一段炉人II水碳比下降到1.5(正常值为3.5)达5min之久,使一段转化催化剂结碳粉碎,损坏催化剂10.2吨:
高变催化剂因水气比也低,反应层温度超温到6859,损坏高变催化剂77to二段炉曾发生烧嘴损坏,造成催化剂部分熔融的出故。
某天然气化匸厂于1978年、1979年曾发生两次。
废热锅炉发生较多的事故是炉管爆管,大多发生在水管锅炉,爆管后往往由于操作处理不当,极易发生次生班故。
从法国引进的三套介成氨装置的废热锅炉,于1979年一年中,共发生7次爆管班故。
3.变换
生产中,要将高温、低温变换炉人炉'(体中水蒸气与一氧化碳的分子比(简称水气比),保持在一定范閑内,还要将反应温度控制在最佳范阖内,以保证一氧化碳的变换率。
生产中易发生的故障及预防(处理)措施见表7-12。
4.脱碳
脱碳单元由于采用的吸收液为碱性液,具科腐蚀性。
因而存在设备腐蚀的危险,其中以在沸器受到的腐蚀最为严觅。
脱碳吸收塔一般操作压力为2.7MPa(表)。
再生塔压力为O.O28mPa(表)[如二级再生为:
一级0.IMPa(表),二级0.004MPa(表)],若吸收塔液位过低,工艺7窜人再生塔,町造成再生塔超压。
如