大型雙氧水裝置主要設(shè)備的選型策略

呂厚儒(茂名石化實(shí)華股份有限公司，廣東 茂名 525000)

0 引言

30萬(wàn)噸/年雙氧水裝置采用全酸性醋酸酯體系蒽醌法生產(chǎn)工藝技術(shù)，以氫氣、空氣為原料，通過觸媒催化，氫氣、空氣中的氧氣先后與工作液中的蒽醌反應(yīng)得到過氧化氫，所得過氧化氫用純水萃取后經(jīng)凈化、純化，即得合格產(chǎn)品。溶劑經(jīng)分離脫水、再生處理后循環(huán)使用。該裝置為近年來(lái)國(guó)內(nèi)單套較大規(guī)模的雙氧水生產(chǎn)裝置。雙氧水為強(qiáng)氧化劑，在堿性溶液中極易分解，它與許多有機(jī)物可形成爆炸性混合物，與許多無(wú)機(jī)化合物或雜質(zhì)接觸后會(huì)迅速分解而導(dǎo)致爆炸，大多數(shù)重金屬及其氧化物和鹽類都是活性催化劑，塵土、碳粉、鐵銹等也能加速雙氧水的分解。30萬(wàn)噸/年雙氧水裝置的規(guī)模特點(diǎn)及雙氧水的危險(xiǎn)特性對(duì)雙氧水設(shè)備選型提出了較高的要求。

1 設(shè)備選型的通用要求

設(shè)備是裝置“安穩(wěn)長(zhǎng)滿優(yōu)”運(yùn)行的基礎(chǔ)，而設(shè)備選型是一項(xiàng)復(fù)雜而又關(guān)鍵的工程，尤其是化工裝置大多屬于易燃易爆的工作場(chǎng)所，對(duì)于設(shè)備選型工作更加要謹(jǐn)慎、細(xì)心、科學(xué)。30萬(wàn)噸/年雙氧水裝置設(shè)備選型主要從以下三方面考慮。

1.1 適用性原則

適用性原則就是選型的設(shè)備必須要滿足生產(chǎn)工藝要求，要符合相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)及相關(guān)制造規(guī)范，這個(gè)是選型的基本要求。如果設(shè)備選型不適用，與設(shè)計(jì)參數(shù)不符，則無(wú)法滿足生產(chǎn)工藝要求，無(wú)法保證裝置的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。如機(jī)泵選型達(dá)不到設(shè)計(jì)的額定流量、揚(yáng)程等參數(shù)，不僅會(huì)影響生產(chǎn)裝置的負(fù)荷，若是某些關(guān)鍵輸送環(huán)節(jié)，還可能會(huì)導(dǎo)致管道出現(xiàn)結(jié)焦等影響裝置安全運(yùn)行的不利因素。所以設(shè)備選型的首要是要對(duì)照設(shè)計(jì)文件，滿足相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)及制造規(guī)范，確保設(shè)備選型的適用性。30萬(wàn)噸/年雙氧水裝置設(shè)備規(guī)格大，且大部分設(shè)備材質(zhì)是304不銹鋼及以上材質(zhì)，選型時(shí)要逐一核對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，如流量、壓力等，滿足設(shè)計(jì)要求的材質(zhì)等要求。

1.2 先進(jìn)性原則

化工裝置大多是24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行生產(chǎn)，能耗高，對(duì)自動(dòng)化程度要求也高，所以設(shè)備選型除了滿足適用性，還要追求先進(jìn)性。設(shè)備選型的先進(jìn)性，一方面可以減輕人力資源成本，提高生產(chǎn)效率；另一方面可以節(jié)省原材料及動(dòng)力消耗，產(chǎn)量最大化的同時(shí)能使得生產(chǎn)效益最大化。在日漸嚴(yán)峻的環(huán)保形勢(shì)下，設(shè)備選型的先進(jìn)性可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)節(jié)能環(huán)保排放指標(biāo)。在設(shè)備選型招標(biāo)時(shí)，要對(duì)比考慮各家的先進(jìn)性，要把技術(shù)先進(jìn)性作為評(píng)標(biāo)定標(biāo)的一個(gè)重要因素。30萬(wàn)噸/年雙氧水裝置動(dòng)設(shè)備能耗大，要充分考慮設(shè)備節(jié)能先進(jìn)性，降低能耗，裝置的氧化尾氣、氫化尾氣現(xiàn)場(chǎng)排放也需選擇先進(jìn)的環(huán)保設(shè)備對(duì)尾氣進(jìn)行處理后達(dá)標(biāo)排放。

1.3 安全可靠原則

習(xí)近平總書記提出“發(fā)展決不能以犧牲人的生命為代價(jià)，這是一條不可逾越的紅線”。化工企業(yè)生產(chǎn)務(wù)必謹(jǐn)遵“安全第一”原則，做到堅(jiān)守紅線。由于化工生產(chǎn)的危險(xiǎn)性，在設(shè)備選型時(shí)一定要根據(jù)設(shè)備的使用工況，確保設(shè)備安全可靠，做到選型設(shè)備的本質(zhì)安全。由于雙氧水遇雜質(zhì)、重金屬或粗糙表面容易急劇分解，雙氧水裝置的設(shè)備選型要特別注意材質(zhì)及加工要求，材質(zhì)一般為304不銹鋼或以上，與雙氧水接觸的設(shè)備、管道切忌使用碳鋼材質(zhì)。設(shè)備墊片一般是聚四氟乙烯墊片或不銹鋼纏繞四氟墊片，不能使用金屬石墨墊片。設(shè)備內(nèi)表面需打磨圓滑，不能有尖角毛刺，且不銹鋼設(shè)備、管道必須經(jīng)過酸洗鈍化，并經(jīng)藍(lán)點(diǎn)檢測(cè)合格后方可使用[1]。

此外，設(shè)備選型還要考慮維護(hù)保養(yǎng)的因素。一是設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要考慮便于維修；二是要綜合考慮維修成本，維護(hù)保養(yǎng)的周期；三是考慮維修配件的價(jià)格及供貨渠道；四是考慮是否對(duì)維修保養(yǎng)人員有特殊的技能水平要求。總而言之就是設(shè)備要長(zhǎng)周期運(yùn)行、便于維修、維護(hù)保養(yǎng)成本低。

2 主要設(shè)備選型

2.1 空壓機(jī)

30萬(wàn)噸/年雙氧水裝置空壓機(jī)為氧化反應(yīng)提供空氣原料，是裝置的關(guān)鍵設(shè)備。空壓機(jī)設(shè)計(jì)額定排氣量為53 000 Nm3/h，排氣壓力為0.45 MPaG，安裝于非防爆區(qū)，室內(nèi)環(huán)境，排氣質(zhì)量保證100%無(wú)油。因其排氣量大，壓力不高，故選擇離心式壓縮機(jī)型式。由于空壓機(jī)的關(guān)鍵作用，且氣量大，是裝置的能耗大戶，根據(jù)國(guó)內(nèi)雙氧水裝置的使用經(jīng)驗(yàn)，在廠家比選時(shí)，一般考慮選擇進(jìn)口設(shè)備，進(jìn)口設(shè)備可靠性更高、維修率低、軸功率有較大優(yōu)勢(shì)、占地面積小且使用反饋良好，如阿特拉斯、英格索蘭、壽力等。因進(jìn)口空壓機(jī)供貨周期較長(zhǎng)，一般在12個(gè)月左右，設(shè)計(jì)項(xiàng)目一開始就要催促設(shè)計(jì)院出訂貨技術(shù)文件，及早組織相關(guān)技術(shù)交流工作，簽訂技術(shù)協(xié)議，完成相關(guān)訂貨工作。

按照設(shè)計(jì)的排氣量及排氣壓力，該選型的空壓機(jī)一般在2級(jí)或3級(jí)壓縮。考慮機(jī)組的連續(xù)運(yùn)行，入口過濾器選擇自潔式過濾器，可自動(dòng)反吹，使用壽命一般在一年以上。考慮海邊的腐蝕環(huán)境，氣體冷卻器、油冷卻器的管束材質(zhì)選擇耐腐蝕性優(yōu)異的銅鎳合金，為了增加冷卻效果，氣體冷卻器換熱管上帶翅片。為了保證潤(rùn)滑系統(tǒng)的可靠性，潤(rùn)滑系統(tǒng)采用雙油冷卻器及雙油過濾器，可在線切換，并帶主軸驅(qū)動(dòng)油泵及電動(dòng)輔助油泵。在主電機(jī)選型上，盡管設(shè)備裝在室內(nèi)，但考慮海邊環(huán)境，對(duì)電機(jī)防護(hù)等級(jí)還是按IP55選擇；電機(jī)功率大，一般都在4 000 kW以上，啟動(dòng)電流大，電機(jī)啟動(dòng)方式需配置軟啟動(dòng)，電機(jī)冷卻選擇IC 81W(空水冷)并帶漏水保護(hù)；此外，電機(jī)還應(yīng)帶差動(dòng)保護(hù)、電機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。電機(jī)品牌推薦進(jìn)口品牌如SIEMENS、ABB、TECO等。在儀表系統(tǒng)選型上，機(jī)組通過西門子PLC控制，并具有自動(dòng)雙重控制模式和全恒壓控制模式供選擇，流量調(diào)節(jié)范圍在70%～100%，通過控制入口導(dǎo)葉及放空調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。喘振對(duì)機(jī)組運(yùn)行影響大，需配置喘振保護(hù)功能。機(jī)體軸振動(dòng)大、油溫高、油壓低、主電機(jī)軸承溫度高、主電機(jī)繞組溫度高、壓縮機(jī)軸承溫度高這幾個(gè)參數(shù)需設(shè)置聯(lián)鎖停機(jī)保護(hù)，其中油溫、油壓要求三取二聯(lián)鎖。在主要參數(shù)及配置統(tǒng)一后，評(píng)標(biāo)時(shí)主要對(duì)各家的業(yè)績(jī)、軸功率、公用工程消耗、總價(jià)及維護(hù)成本等進(jìn)行綜合對(duì)比考慮。

2.2 大流量離心泵

30萬(wàn)噸/年雙氧水裝置工作液循環(huán)流量大，共設(shè)置8臺(tái)工作液大流量機(jī)泵，其中2臺(tái)氫化液泵、2臺(tái)氧化液泵、2臺(tái)循環(huán)工作液泵額定流量為1 300 m3/h，2臺(tái)中間氫化液泵額定流量為1 700 m3/h，氫化液泵要求揚(yáng)程最高為90 m，故這8臺(tái)工作液泵選單級(jí)離心泵即可，且其工作溫度均不高，為了節(jié)省成本，可選擇OH1離心泵。在材質(zhì)選擇上，氫化液泵和氧化液泵按304L不銹鋼，另外兩個(gè)位號(hào)的機(jī)泵按304不銹鋼。因?yàn)楣ぷ饕簼B透性強(qiáng)，且工作液中的蒽醌在常溫下容易析出，工作液泵的密封及其沖洗形式均選擇PLAN11單端面機(jī)械密封。若選擇其他形式的機(jī)械密封如雙端面機(jī)械密封，泄漏的工作液會(huì)污染密封沖洗液并伴隨蒽醌結(jié)晶析出進(jìn)而造成更大的損壞，而且密封沖洗液為油類，如果工作液帶雙氧水的話也會(huì)引起分解情況出現(xiàn)。在電機(jī)選型上，因裝置為防爆區(qū)，氫化液泵和中間氫化液泵因介質(zhì)含微量氫氣，防爆等級(jí)選DIICT4，另外兩個(gè)位號(hào)的電機(jī)選DIIBT4即可。考慮海邊腐蝕及南方多雨環(huán)境，電機(jī)防護(hù)等級(jí)按IP55，并選擇戶外濕熱型電機(jī)。工作液泵軸功率大，電機(jī)額定功率一般都在315 kW以上，配套的電源按10 kV，且電機(jī)需達(dá)到II級(jí)或以上能效標(biāo)準(zhǔn)，每臺(tái)電機(jī)需配3個(gè)繞組測(cè)溫和2個(gè)軸承測(cè)溫，同時(shí)配備電流監(jiān)測(cè)。工作液泵作為裝置的重要機(jī)泵，且流量大、能耗高，建議選擇國(guó)內(nèi)一線品牌的泵制造廠家。在評(píng)標(biāo)時(shí)，要重點(diǎn)對(duì)比各家的業(yè)績(jī)、軸功率，保證設(shè)備可靠使用下低耗能。

2.3 過濾器

由于雙氧水遇雜質(zhì)極易分解，過濾器在裝置中起著重要的作用。30萬(wàn)噸/年雙氧水裝置共設(shè)置了主要過濾器共29臺(tái)，均為精細(xì)過濾器。在濾芯形式上，氣體過濾器為金屬燒結(jié)濾芯，材質(zhì)均為304不銹鋼，此類濾芯可清洗后重復(fù)利用，除白土床吹掃氣過濾器外，其他氣體過濾器為公稱精度1 μm。氫化液、循環(huán)氫化液、循環(huán)工作液過濾器均分一級(jí)和二級(jí)過濾，一級(jí)過濾器濾芯材質(zhì)為聚酯，公稱精度5 μm；二級(jí)過濾器濾芯材質(zhì)為玻纖，絕對(duì)精度1 μm。氧化液過濾器按絕對(duì)精度1 μm選型，濾芯材質(zhì)為玻纖。

在選型時(shí)，考慮裝置的空間充分利用，選用立式過濾器，但立式過濾器不能太高，太高的話一是影響配管，二是影響濾芯的拆裝空間，而且也會(huì)增加搭建操作平臺(tái)的成本。要注意工作液的濾芯材質(zhì)不能選用聚丙烯的，因?yàn)榫郾┡c工作液容易出現(xiàn)溶脹情況。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表對(duì)過濾器的過濾面積沒有統(tǒng)一規(guī)定，這是個(gè)難題，因?yàn)楦髦圃鞆S家的濾膜成分比例、加工工藝及過濾效果不一樣，所以無(wú)法去統(tǒng)一要求，只能各家根據(jù)自身的技術(shù)特點(diǎn)及項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)去計(jì)算，但過濾面積又是過濾器的一個(gè)重要指標(biāo)，應(yīng)作為評(píng)標(biāo)時(shí)的一個(gè)重要對(duì)比參數(shù)。過濾器壓差是濾芯更換的重要參考指標(biāo)，需在過濾器殼體進(jìn)出口管分別設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)及遠(yuǎn)傳壓力指示。因?yàn)檫^濾器的重要性，且濾芯均為精密濾芯，建議交貨時(shí)找第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)抽檢分析濾芯的精度、材質(zhì)、過濾效率等重要參數(shù)指標(biāo)。工作液濾芯技術(shù)要求高，濾芯均為一次性使用，更換成本較高，且固危廢處理成本大，建議實(shí)地考察廠家的項(xiàng)目業(yè)績(jī)使用情況[2]。

2.4 渦輪膨脹發(fā)電機(jī)組

雙氧水裝置渦輪膨脹發(fā)電機(jī)組屬于節(jié)能環(huán)保設(shè)備，是利用氧化尾氣對(duì)渦輪膨脹機(jī)葉輪做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能，不僅能夠利用低溫回收氧化尾氣中的有機(jī)物，還能夠轉(zhuǎn)換為電能，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

在設(shè)備配置上，機(jī)組的入口和出口應(yīng)設(shè)置氣液分離器，以分離水、芳烴等液體。入口分離器的作用是對(duì)入口氣體進(jìn)行簡(jiǎn)單的分離，避免過多液體帶入機(jī)組，影響機(jī)組的制冷效果。出口分離器的要求高一些，要求去除0.3 μm的固體(去除效率在99.99%以上)及0.1 μm以上的液滴，所以需要設(shè)置聚結(jié)濾芯才能滿足要求。為了調(diào)節(jié)尾氣進(jìn)氣及排氣溫度，設(shè)置一臺(tái)高效板式換熱器(冷箱)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣與排氣的換熱。在潤(rùn)滑系統(tǒng)配置上，需配置兩臺(tái)齒輪泵，一開一備，當(dāng)潤(rùn)滑油壓力低時(shí)，可聯(lián)鎖啟動(dòng)備用泵，另外配雙油過濾器，可在線切換，保證潤(rùn)滑系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。在電氣系統(tǒng)的配置上，發(fā)電機(jī)選異步發(fā)電機(jī)，滿足DIIBT4防爆等級(jí)及IP55防護(hù)等級(jí)，配置的并網(wǎng)柜裝在廠區(qū)配電室，便于發(fā)電的近距離并網(wǎng)。在儀表系統(tǒng)的選型上，冷箱設(shè)置旁路調(diào)節(jié)閥，可調(diào)節(jié)進(jìn)排氣的溫度。為了保證機(jī)組故障跳停時(shí)不造成氧化系統(tǒng)憋壓，需在機(jī)組的旁路設(shè)置可調(diào)節(jié)的切斷閥，機(jī)組故障時(shí)可聯(lián)鎖打開旁路。為了保證機(jī)組的安全運(yùn)行，需設(shè)置聯(lián)鎖系統(tǒng)，機(jī)組的轉(zhuǎn)速高、供油壓力低、發(fā)電機(jī)的軸承溫度高、發(fā)電機(jī)的繞組溫度高、減速機(jī)軸承溫度高、振幅大均應(yīng)作為聯(lián)鎖值。在相關(guān)配置及參數(shù)確認(rèn)滿足后，評(píng)標(biāo)時(shí)重點(diǎn)對(duì)比制造廠家的并網(wǎng)功率，這是一筆不小的節(jié)能帳，也是制造廠家的核心技術(shù)所在。

2.5 氧化尾氣吸附機(jī)組

30萬(wàn)噸/年雙氧水裝置滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)將有多達(dá)45 000 Nm3/h的尾氣排放于大氣中，而尾氣中含芳烴等有機(jī)物，氧化尾氣吸附機(jī)組正是利用吸附劑把絕大部分有機(jī)物吸附截留并回用，從而使排放的尾氣滿足環(huán)保要求，而這些吸附劑又可以通過蒸汽進(jìn)行脫附再生。在吸附劑的選擇上，目前國(guó)內(nèi)雙氧水裝置主要是碳纖維和活性炭顆粒兩種，這兩種吸附劑都有較好的吸附效果，選型時(shí)主要對(duì)比各廠家吸附劑的使用壽命，也要考慮吸附劑的裝填量，畢竟日后更換下來(lái)的吸附劑會(huì)增加危廢的處理成本。在系統(tǒng)配置上，機(jī)組應(yīng)能通過PLC實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行，吸附與脫附過程全自動(dòng)控制。碳罐的數(shù)量要設(shè)置合理，滿足裝置吸附負(fù)荷的同時(shí)，還要考慮吸附、脫附的運(yùn)轉(zhuǎn)分配，一般設(shè)置4～5個(gè)碳罐。脫附的芳烴可回裝置再次利用，為了保證其潔凈度，應(yīng)設(shè)置芳烴精細(xì)過濾器，過濾精度要求達(dá)到絕對(duì)精度1 μm。安全系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置緊急放空旁路，配置進(jìn)氣、排氣CO檢測(cè)儀，以及水噴淋消防系統(tǒng)、氮?dú)庀老到y(tǒng)。如果使用活性炭顆粒作為吸附劑，考慮特殊情況如進(jìn)氣壓力忽高可能會(huì)導(dǎo)致活性炭被吹出，建議在碳罐的排氣口加上濾籃，阻止此情況的發(fā)生。氧化尾氣吸附機(jī)組在裝置運(yùn)行中起著重要的環(huán)保作用，且設(shè)備投資大，在評(píng)標(biāo)時(shí)，要綜合對(duì)比各廠家的業(yè)績(jī)，必要時(shí)出外實(shí)地考察使用業(yè)績(jī)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)設(shè)備選型通用要求的理解，針對(duì)30萬(wàn)噸/年雙氧水裝置規(guī)模大的特點(diǎn)及雙氧水易分解的危險(xiǎn)特性，對(duì)雙氧水裝置的主要設(shè)備：空壓機(jī)、大流量離心泵、過濾器、渦輪膨脹發(fā)電機(jī)組、氧化尾氣吸附機(jī)組的選型要點(diǎn)進(jìn)行了歸納，為雙氧水項(xiàng)目相關(guān)設(shè)備選購(gòu)提供了策略參考。