合成氨装置危险因素分析及其防范措施

1、合成氨装置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。其生产特点为：高温、高压、易燃、易爆、易中毒。由于主要设备为单系列，因而设备一旦发生故障，往往会造成全装置停车。故障处理不当，甚至造成重大事故发生。(一)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事故43次，重大停车事故307次。停车事故中以设备事故最多，停车次数为199次，占事故总数的6482。详见表75。设备重大停车事故共199次，按设备类别分，见表

2、76。其中，主要设备发生重大停车事故54次，以合成气压缩机发生停车事故最多，为30次。详见表77。我国大型合成氨装置投产初期，催化剂发生损坏的事故也较多。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，因事故更换23次共76002t，按计划更换35次共131666t，事故更换催化剂占总更换量的366。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78(1) 。从上述统计可以看出，我国大型合成氨装置生产初期，装置重大停车事故频繁发生，按每厂、每年平均停车事故次数计达1279次，平均每厂每月停车一次以

3、上。停车事故中以设备事故占的比例大，损失也大。而主要设备停车事故又以合成气压缩机事故次数最多。同时，催化剂损坏事故也较多，经济损失也大。其中，一段转化炉催化剂事故更换次数为最多。装置运行进入正常期后，事故次数大幅下降，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例典型事故看，合成氨装置为36例(大型合成氨装置22例，中型合成氨装置14例)，占总次数的465。10套大型合成氨装置发生的22例典型事故中，人身事故2例，设备及生产操作事故20例，按每厂、每年事故次数计已不足一次。20例事故按设备部位分类见表79。由表可见，

4、一段转化炉(气化炉)事故次数为最多。发生催化剂损坏事故共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事故多发期。重大停车事故中，以设备事故次数最多，生产操作事故次之。事故发生情况表明，设备存在缺陷、维护不当、违章作业是造成事故多发的主要原因。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)投产初期设备事故中，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

5、系统(1sc)，可减少因仪表故障造成的重大停车事故。(3)投产初期重大设备停车事故中，转动设备造成事故最多。四大机组中又以合成气压缩机为最多。合成气压缩机发生的事故中，以烧轴瓦事故次数为最多，以透平转子断叶片事故最为典型。事故主要原因是维护不当和设备存在缺陷。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)装置生产正常稳定后，各类事故大幅下降，但转化(气化)系统事故次数下降幅度不大，成为事故多发部位。主要是一段转化催化剂中毒、结碳和设备内部爆炸等事故，事故损失大，危害大。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

6、。(5)装置使用的催化剂种类多，催化剂事故更换，在生产事故中一直占有不小的比例。其中，以一段转化催化剂事故更换次数最多。造成催化剂损坏的原因，除设备故障影响外，绝大多数是在开、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)合成氨高压系统发生重大事故的次数较少，重大设备事故主要是密封面发生泄漏及合成塔内件损坏。其中，合成塔内件损坏事故由于经济损失大，装置停工时间长，应重点预防。事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、压差大)引起的。(二)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，

7、装置设备(管道)要引入各种工艺介质进行吹扫、置换，工艺介质的温度、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、环节多、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下：(1)设备(管线)吹扫、置换、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、润滑油系统存在杂质，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。

8、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气，以免发生爆炸。1975年某化肥厂，焦炉气压缩机未经置换，就用来压缩空气。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：一是吹扫、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、置换排放口要有安全设施(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

9、率。升温、升压过快产生的热应力、压力降会损坏设备，可造成重大事故。1992年某化肥厂发生一起合成塔内件损坏和触煤报废事故，事故造成直接经济损失2203万元。事故原因：一是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盲板未折除。开工后，大量工艺气放空，放空管内积水，“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，还要认真检查有关的阀门(盲板)，防止发生窜气、倒液而造成事故。特

10、别是气(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，蒸汽进人冷态一段转化炉，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(或排气)。(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围，未被置换干净，点火操作往往会造成炉膛爆炸。1985年某化肥厂，一段炉点火烘炉时，炉膛发生爆炸，直接经济损失1

11、16万元。事故后，发现有10个烧嘴燃蝌气阀门没有关闭。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、甚至脱落。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量过低，炉管外壁会超温，可烧坏炉管，也可引发爆炸、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；三是控制炉管出口温度，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

12、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寿命。由于催化剂还原过程一般会放出大量的热量，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，可烧毁催化剂，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跃升到404，最高曾达725。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、不窜气；四是按规程操作。(5)压缩机开车操作压缩机组开车包括

13、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、暖管暖机、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、气封泄漏等故障，严重时会造成重大设备事故。1978年某天然气化工厂合成气压缩机开车操作，开车升速时，由于在临界转速下停留时间过长(两分钟)，振动加剧，造成轴瓦磨损。运转两天后停机，发现高压缸止推瓦烧毁。防范措施：一是开车实行操作票制度，防止误操作发生；二是制订事故处理预案，正确处理异常情况，防止事故扩大。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

14、化(氧化)等操作。操作参数变化大，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，应按事故处理预案进行。停工中，特别是紧急(事故)停工时，处理不当，易发生事故。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。各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泄漏。如操作不当，有可能造成事故。此项操作中存在的危险有：空气(氧气)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；某种物料进入催化剂床层(如：停蒸汽后烃类进入一段炉、蒸

15、汽进入冷态一段炉等)，可损坏催化剂；高压气体进人低压设备(如：吸收塔高压气进入再生塔、合成高压气进入低压系统)，可发生爆炸、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。事故处理中，天然气未及时切断，继续进入一段炉，造成催化剂结碳。1988年某化工厂合成车间在气化炉紧急停车中，由于人炉氧气阀关不动而未关，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；三是及时关闭手动截止阀，以防泄漏。(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，可因压差大或气

16、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，由于中温变换炉出口放空阀开得太快、太大，降压很快，造成脱碳吸收塔压力大于中变炉出口压力，脱碳碱液倒人低温变换炉，造成588m3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；三是检查阀门开关状况，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，还原态的催化剂遇到空气(氧气)会发生剧烈的氧化反应，控

17、制不当可损坏催化剂。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410后，临时改用煤气直接降温，一小时后，温度突升到600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，由于给一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合、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：一段转化催化剂品种中，凡含有ms0助剂的，遇水会生成mg(oh)：而粉碎，降温中要特别重视。低温变换炉由于人口温度低(仅高于露点2030)。停工中，防止产生冷凝水而损坏

18、低变催化剂。停工中，因甲烷化催化剂温度下降到200以下，co与ni可生成ni(c0)4(1级毒物)。在温度下降到200以前，应用氮气置换甲烷化炉。停工期间，催化剂一般都应充人氮气保持正压，以防止空气入内，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，如油压过低，易发生烧轴瓦事故；如压差大，易造成止推瓦损坏；如震动大，易造成气封、密封、轴瓦等损坏，如发生带液人缸，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(事故)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。(

19、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围时，装置就会发生故障或事故，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毒物。因此，脱硫单元出口原料气中总硫含量高，危害性是比较大的，所造成的损失也大。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量高达25x106（正常指标02x106)。导致一段转化催化剂发生硫中毒

20、，并产生高级烃裂解结碳，损坏一段转化催化剂347吨。造成出口原料气中含硫高的原因及防范措施见表710。2转化在装置中，转化单元运行条件是比较苛刻的，各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、出口甲烷高等；废热锅炉有锅炉炉管爆管等。详见表711。表711转化单元主要故障及预防(处理)措施转化单元发生的事故中，以一段转化炉发生的催化剂中毒，结碳事故造成的损失大、次数多。1993年某化肥厂合成车间，由于辅助锅炉爆管，引起蒸汽量下降，一段炉人口水碳比下降到15(正常值为35)达5min之久，使一段转化催

21、化剂结碳粉碎，损坏催化剂102吨；高变催化剂因水气比也低，反应层温度超温到685，损坏高变催化剂77t。二段炉曾发生烧嘴损坏，造成催化剂部分熔融的事故。某天然气化工厂于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，极易发生次生事故。从法国引进的三套合成氨装置的废热锅炉，于1979年一年中，共发生7次爆管事故。3变换生产中，要将高温、低温变换炉人炉气体中水蒸气与一氧化碳的分子比(简称水气比)，保持在一定范围内，还要将反应温度控制在最佳范围内，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712。4，脱碳脱碳单

22、元由于采用的吸收液为碱性液，具有腐蚀性。因而存在设备腐蚀的危险，其中以再沸器受到的腐蚀最为严重。脱碳吸收塔一般操作压力为27mpa(表)。再生塔压力为0.028mpa(表)如二级再生为：一级01mpa(表)，二级0004mpa(表)，若吸收塔液位过低，工艺气窜人再生塔，可造成再生塔超压。如再生塔安全设施失灵，会导致发生重大爆炸、火灾事故。虽然吸收塔液位的控制都设有自动调节、报警、联锁装置，再生塔也设有爆破板，但生产中仍需重点防范。此外，脱碳单元还存在影响吸收效率的各种因素详见表713。5甲烷化甲烷化炉中进行的甲烷化反应是强放热反应。超温易损坏甲烷化催化剂。甲烷化单元存在危险因素主要是催化剂超温

23、和出口co、c02含量高。见表714。6压缩压缩一透平大机组正常运行中影响因素较多，常见的危险因素有轴瓦温度高、轴位移高、振动大、有异声等，详见表715。压缩一透平机组如果零部件存在缺陷或质量差，安装维修达不到精度要求及操作不当等极易发生故障，甚至造成事故。特别在机组投运初期易发生。如某化肥厂1978年至1980年四年间，合成气压缩机高压透平由于透平转子存在设计缺陷，曾发生五次透平转子叶片断裂事故。又如某化肥厂1977年五月份一个月内，合成气压缩机高压缸止推轴瓦由于违章作业、维修不当造成三次烧轴瓦事故。7合成合成单元正常生产中主要操作参数有：温度、压力、循环气流量、氢氮比、惰性气含量、氨含量等

24、。生产中不正常现象常见的有：系统压力过高、催化剂床层温度过低、合成塔压差大、泄漏及合成塔内件损坏等。其中，以合成塔内件损坏造成的事故损失大，停车时间长。如某化肥厂1979年及1980年两年间，合成塔大盖密封因设计缺陷发生10次泄漏。又如某化肥厂，合成塔内件因设计缺陷及升温过快，两次造成合成塔内件损坏，被迫停车检修。生产中存在的危险因素及预防措施见表716。(四)设备防腐合成氨装置设备存在h2s腐蚀；脱碳溶液腐蚀；高温高压下氢、氮腐蚀；循环冷却水对冷换设备的腐蚀以及大气腐蚀等。其中，脱碳溶液和循环冷却水对设备造成的腐蚀对生产影响最大。下面重点介绍：1脱碳系统设备腐蚀及防护二氧化碳脱除系统，采用热

25、钾碱液作吸收剂，由于含c02的热钾碱液对设备腐蚀性比较强烈，故采用添加偏钒酸盐作为缓蚀剂。钒缓蚀剂的缓蚀机理是靠v+5的氧化作用生成rfe303保护膜。热钾碱液的腐蚀还与温度有关，温度越高，腐蚀速率越快。生产中，如热钾碱液中总钒及五价钒含量控制过低，会造成设备腐蚀加快。1977年某化肥厂，脱碳系统由于热钾碱液中总钒及五价钒长期偏低，有时v+5低到零，加上开停车频繁。造成吸收塔、再生塔、溶液泵等设备发生大面积腐蚀，造成重大经济损失。脱碳系统设备中，脱碳再沸器操作温度最高，溶液温度达114120。因此，再沸器易发生设备腐蚀。在投运初期，各厂都发生过再沸器腐蚀穿孔泄漏事故。某化肥厂脱碳再沸器在197

26、9年至1980年二年间，共发生8次腐蚀穿孔，被迫停车检修。生产过程中，应重视脱碳设备的防腐工作，严格控制工艺指标，防止违章作业。主要防范措施：(1)严格控制操作温度，防止超温运行。(2)严格控制热钾碱液中k20、总钒及v+5浓度，并保持在指标范围内。(3)开工作业中，按操作规程的要求，对脱碳系统的设备进行静态钒化及动态钒化操作，并要确保钒化时间。(4)严格控制升温速率，防止升温过快。2循环冷却水对冷换设备的腐蚀及防护循环冷却水中，由于水中溶解有氧，水中还存在各种浓缩的离子如氯离子，加上细菌繁殖，常造成水冷器发生腐蚀与结垢。冷换设备结垢会降低传热效率，腐蚀会造成设备穿孔泄漏，严重影响正常生产。1

27、977年至1979年三年期间，引进的十一套大型合成氨装置共发生重大停车事故307次。循环冷却水引起的水冷器腐蚀泄漏有64台次，其中更换了41台次。因水质问题，造成合成氨装置停车有7次。对冷换设备腐蚀的防护主要是改善循环水的水质。各厂根据本地水源水质情况，通过试验，在循环冷却水系统添加适合的复合水稳剂，以达到防腐蚀、防结垢、杀菌的目的。并结合大修，对冷换设备进行腐蚀情况检查和清洗，以减缓设备腐蚀并采取防腐蚀措施。(五)装置联锁及其作用装置生产过程中会发生各种不正常情况，某些主要的工艺参数也可能偏离指标值，当偏离的程度及时间达到一定的限度，装置会发生故障，甚至造成事故。为保证装置运行的安全和设备的

28、安全，装置设立了自动报警、自动联锁系统。合成氨装置设立的联锁系统分为两个层次：第一层次为单元联锁，每个生产单元设有一个单元联锁，每一台压缩一透平大机组设个单元联锁。每个单元联锁又由主联锁和分联锁组成；第二层次为系统联锁，由关键的工艺参数联锁报警点和单元联锁组成。大型合成氨装置一般有几百个工艺参数自动报警点，设有上百个联锁报警点和几十套联锁系统。这些联锁设施可保证装置生产运行的安全，也可保护设备、催化剂免受损坏。但旦联锁发生故障而发生误动作时，又会造成装置误停车，影响正常生产。从引进的合成氨装置运行初期，发生的设备事故统计数字(见表76)可以看出，仪表造成的停车次数为53次，占设备事故总次数的2663，位居第一位。事故发生的主要原因是因违章作业、维护不周、设计制造存在缺陷，引起