煤制油工程安全風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)

1、神華煤制油工程安全風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)神華集團(tuán)有限責(zé)任公司 張玉卓摘 要：本文介紹了神華煤制油工程技術(shù)概況，分析了煤液化工程的主要風(fēng)險(xiǎn)因素，詳細(xì)闡述了工藝、設(shè)備、材料等方面的風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)，單元配置優(yōu)化、大件備吊裝、超重核超限設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)組焊設(shè)施等工程設(shè)計(jì)與建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)，HAZOP風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估（危險(xiǎn)和可操作性分析）、系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)中的易磨和固體沉積問題處理、高壓差減壓閥安全控制等運(yùn)營(yíng)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)管控技術(shù)。示范工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行驗(yàn)證了風(fēng)險(xiǎn)管控技術(shù)的有效性。關(guān)鍵詞：煤制油、安全、風(fēng)險(xiǎn)、控制Abstract：This paper introduces the state-of-the-art technology of S

2、henhua coal-to-liquid project. The key risk factors are proposed for the project. It describes in detail the risk management of process, material, super-weight equipment assembly and welding, etc. The safety operation of Shenhua coal-to-liquid demonstration project validates the effectiveness of the

3、 risk control technology.Keywords: Coal-to-liquid, Safe, risk, control中國(guó)的能源資源條件決定了以煤為主的能源結(jié)構(gòu)在未來較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)難以根本改變。因此，實(shí)施“高碳產(chǎn)業(yè)，低碳發(fā)展”戰(zhàn)略，加強(qiáng)煤的清潔高效綜合利用技術(shù)開發(fā)，是解決中國(guó)面臨的以高碳能源為主的能源結(jié)構(gòu)與綠色、低碳發(fā)展之間矛盾的重要途徑。神華集團(tuán)開展煤炭清轉(zhuǎn)化技術(shù)研究和工程實(shí)踐，創(chuàng)建了煤炭潔凈轉(zhuǎn)化技術(shù)創(chuàng)新體系，開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的煤直接液化工藝技術(shù)，解決了煤直接液化工程放大設(shè)計(jì)、超大型裝備研制、超大設(shè)備吊裝和超高框架施工等關(guān)鍵技術(shù)難題，成功建設(shè)和運(yùn)行了世界上第一個(gè)百萬噸

4、級(jí)的煤炭直接液化示范工程和第一個(gè)煤制烯烴商業(yè)化示范工程。這些工程的成功實(shí)施，是在有效解決了大量風(fēng)險(xiǎn)因素（特別是安全風(fēng)險(xiǎn)）的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，對(duì)現(xiàn)代煤化學(xué)工業(yè)的安全發(fā)展具有參考意義。1、神華煤液化工程的主要安全風(fēng)險(xiǎn)煤直接液化是指煤在高溫高壓和催化劑條件下，加氫轉(zhuǎn)化為液態(tài)產(chǎn)品的工藝過程。煤直接液化不僅涉及高溫高壓，液化反應(yīng)溫度高達(dá)455度，反應(yīng)壓力近20MPa，而且反應(yīng)過程中氣、液、固三相流并存，液體介質(zhì)中的含固量最高達(dá)50%以上；不僅具有高溫、高壓、泄露、爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，而且還具有磨蝕、沖刷等風(fēng)險(xiǎn)，例如煤直接液化減壓塔底的減壓閥閥前壓力為18.9MPa,閥后壓力為2.9MPa，壓差為16MPa，而流量高

5、，流速大，安全控制技術(shù)面臨很大的挑戰(zhàn)。神華百萬噸煤直接液化示范工程在全世界屬于首例，與中試裝置相比放大了1000倍，沒有成熟的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。煤直接液化工程是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程，涉及投資大、周期長(zhǎng)、工藝路線較長(zhǎng)、環(huán)境條件復(fù)雜、參建單位眾多等因素，項(xiàng)目建設(shè)的風(fēng)險(xiǎn)因素錯(cuò)綜復(fù)雜。因此，安全風(fēng)險(xiǎn)管理是實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目建設(shè)總目標(biāo)和確保項(xiàng)目交付后的安全、穩(wěn)定試車和運(yùn)行的關(guān)鍵。2、工藝技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)神華煤直接液化工藝是在世界各種現(xiàn)代煤直接液化工藝基礎(chǔ)上，經(jīng)過創(chuàng)新和集成而形成的一種全新的技術(shù)工藝，擁有完全自主知識(shí)權(quán)，核心發(fā)明專利已獲美國(guó)、俄羅斯、澳大利亞等國(guó)家的專利授權(quán)。神華煤直接液化工藝開發(fā)經(jīng)歷了工藝創(chuàng)新集成、0.

6、12t/d BSU（小型試驗(yàn)裝置，Bench Scale Unit）工藝創(chuàng)新和驗(yàn)證試驗(yàn)、6t/d PDU（工藝開發(fā)裝置，Process Development Unit）驗(yàn)證試驗(yàn)、工藝包開發(fā)和6000t/d示范規(guī)模裝置的設(shè)計(jì)建設(shè)，以及示范裝置試運(yùn)行等階段，目前已成為世界唯一經(jīng)過工業(yè)化示范規(guī)模（日處理6000噸煤）驗(yàn)證的先進(jìn)煤液化工藝。其工藝流程主要包括煤粉制備、催化劑制備、油煤漿制備、煤液化反應(yīng)、產(chǎn)品分離、分餾產(chǎn)品分離、溶劑加氫穩(wěn)定和液化油改質(zhì)等8個(gè)主要單元。經(jīng)過一系列技術(shù)攻關(guān)和研發(fā)，與世界其他國(guó)家的主要技術(shù)工藝相比，神華煤直接液化工藝具有單系列處理量大，油收率高、穩(wěn)定性好、反應(yīng)條件緩和等優(yōu)點(diǎn)

7、（詳見下表）。工藝的優(yōu)化和完善，從根本上提高了系統(tǒng)的安全性。神華煤直接液化工藝與國(guó)外工藝的比較工藝煤直接液化工藝1煤直接液化工藝2神華煤直接液化工藝反應(yīng)器鼓泡床鼓泡床懸浮床催化劑赤泥天然黃鐵礦人工合成高效催化劑煤種褐煤神華煤神華煤反應(yīng)溫度/470465455反應(yīng)壓力/MPa3018煤轉(zhuǎn)化率/蒸餾油收率/氣體產(chǎn)率/氫耗/2.1 “863”催化劑研發(fā)煤直接液化催化劑對(duì)于提高煤轉(zhuǎn)化率、液體油收率、降低反應(yīng)條件苛刻度具有關(guān)鍵作用。根據(jù)工藝特點(diǎn)，目前世界上煤直接液化工藝普遍采用鐵系催化劑，主要分為三大類，一是天然含鐵礦石，二是工業(yè)含鐵廢渣，三是人工合成催化劑。鑒于天然鐵礦石和工業(yè)含鐵廢渣催化劑用量大、動(dòng)

8、力消耗大，容易在輸送過程中和煤液化反應(yīng)器中發(fā)生沉積，因此神華煤直接液化工藝開發(fā)的重點(diǎn)工作之一就是開發(fā)超細(xì)的納米鐵系催化劑，提高催化劑的反應(yīng)活性，降低催化劑添加量。2002年，神華集團(tuán)與煤炭科學(xué)研究總院合作，共同開展了“863”鐵系催化劑的研發(fā)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室研究，確定了二價(jià)鐵鹽為原料的工藝路線和控制關(guān)鍵，開發(fā)出了通過先加入分散劑再進(jìn)行沉淀和氧化的制備催化劑的工藝路線，解決了反應(yīng)物在沉淀和氧化過程中納米微粒的二次聚合問題，掌握了沉淀反應(yīng)和氧化過程的控制參數(shù)。以試驗(yàn)室數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，開發(fā)出了連續(xù)制備工藝，最終完成了神華100萬噸煤直接液化示范工程催化劑制備單元的工藝軟件包，并成功用于神華煤液化示范工程。應(yīng)

9、用結(jié)果表明，“863”催化劑具有生產(chǎn)流程簡(jiǎn)單、操作平穩(wěn)方便、投資小和運(yùn)行成本低的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)“863”催化劑反應(yīng)活性好，添加量低，油收率高，并且油品偏重，更有利于提高柴油產(chǎn)品的質(zhì)量，大大降低了原設(shè)計(jì)工程的風(fēng)險(xiǎn)。2.2油漿制備工藝開發(fā)油漿制備是煤制工藝的第一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接決定了煤直接液化裝置的后續(xù)運(yùn)行。經(jīng)過系統(tǒng)研究，優(yōu)化后的油煤漿制備流程是先將15%的原煤與水進(jìn)行濕磨，并加入七水硫酸亞鐵制成水煤漿，然后與以液氨為原料制成的氨水混合，經(jīng)氧化、分離、干燥等過程，使超細(xì)顆粒的催化劑均勻附著在煤粉顆粒上。這部分催化劑加煤粉被送至煤漿配置單元，與循環(huán)供氫溶劑配制成油煤漿。油煤漿制備采用循環(huán)供氫溶劑和干煤粉

10、預(yù)先混合，再經(jīng)過一級(jí)循環(huán)攪拌的加工流程，保證了煤漿的均勻和煤漿黏度適中。由于煤漿性能的改善，可以采用熱交換器和預(yù)熱爐組合進(jìn)行煤漿預(yù)熱，使裝置的熱效率大大提高，也使整個(gè)直接液化裝置的操作變得更穩(wěn)定。2.3循環(huán)溶劑制備工藝開發(fā)循環(huán)溶劑是提高煤轉(zhuǎn)化性能的重要載體，直接影響煤液化反應(yīng)系統(tǒng)的工作效率和系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。煤液化的循環(huán)溶劑是由常、減壓塔的不同流股混合而成。世界其他煤液化工藝一般采用在線加氫或固定床加氫來控制溶劑的加氫濃度，但往往會(huì)造成以下幾個(gè)問題。循環(huán)溶劑中的瀝青烯和前瀝青烯過高，在液化反應(yīng)器中不能有效地加氫轉(zhuǎn)化，造成油煤漿黏度過大，影響煤液化反應(yīng)器的利用效率；循環(huán)溶劑中含固體比例過高，降低

11、油煤漿中煤的比例，或增加固體含量，加快設(shè)備管道磨損；常減壓塔餾出物不能全部利用，造成循環(huán)溶劑不能全部循環(huán)利用，降低了系統(tǒng)的整體效率。神華煤直接液化工藝首次實(shí)現(xiàn)將Tstar技術(shù)用于循環(huán)溶濟(jì)加氫，通過將常壓蒸餾塔全部餾出物和減壓蒸餾塔的全部餾出物送入Tstar裝置，按供氫溶劑要求的深度加氫后提供供氫溶劑，實(shí)現(xiàn)了循環(huán)溶劑的全部循環(huán)利用，同時(shí)煤漿制備也采用全部供氫溶劑配制。采用Tstar加氫工藝制備的循環(huán)溶劑，溶劑性能穩(wěn)定，成漿性好，可以制備含固濃度45%50%（wt）、黏度低、流動(dòng)性好的高濃度煤漿；循環(huán)溶劑預(yù)加氫后，供氫性能好，加上高活性催化劑的使用，液化條件大大緩緩和，不僅系統(tǒng)利用率高，而且降低了

12、運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。2.4裝置的優(yōu)化配置示范工程采用了先進(jìn)的反應(yīng)器。其他煤液化工藝多采用鼓泡床反應(yīng)器，這種反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行條件緩和的特點(diǎn)，但需要定期排渣，單臺(tái)處理能力小，操作難度大的弊端。神華煤直接液化工藝采用了強(qiáng)制循環(huán)式懸浮床反應(yīng)器。這種反應(yīng)器具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：反應(yīng)器內(nèi)返混程度大，軸向溫度分布均勻，反應(yīng)溫度控制容易，通過進(jìn)料溫度即可控制反應(yīng)溫度，不需要采用反應(yīng)器側(cè)線急冷氫控制，產(chǎn)品性能穩(wěn)定。反應(yīng)器內(nèi)氣、液、固三相混合充分，反應(yīng)速度快，氣體滯留系數(shù)低，反應(yīng)器利用效率高。底部強(qiáng)制循環(huán)泵，可以提高反應(yīng)器內(nèi)的液相流速和氣、液、固三相的傳熱傳質(zhì)速率，有效避免反應(yīng)器內(nèi)的固體顆沉積和局部過熱問題。對(duì)固液分離

13、裝置進(jìn)行了優(yōu)化。神華煤直接液化采用的是減壓蒸餾的方法進(jìn)行瀝青和固體物的脫除，這雖然是一種成熟有效的脫除瀝青和固體的分離方法，但用于煤直接液化尚屬首次。減壓蒸餾的餾出物不含瀝青，可為循環(huán)溶劑的催化加氫提供合格的原料；殘?jiān)泄腆w含量50%55%，殘?jiān)土可伲岣呱a(chǎn)效率。3、工程設(shè)計(jì)與建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)3.1優(yōu)化單元配置原基礎(chǔ)設(shè)計(jì)催化劑制備單元共有兩條生產(chǎn)線，每條線設(shè)計(jì)能力為單元能力的50%，而下游煤液化單元的最低操作負(fù)荷為70%，在一個(gè)系列出現(xiàn)故障時(shí)，另一個(gè)系列不能夠保證煤液化單元在最低操作負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行。為避免煤液化單元被迫停車，將催化劑單元的能力修改為原能力的150%，每條線為75%。同時(shí)，

14、保證每條線具備獨(dú)立運(yùn)行和獨(dú)立檢修的操作條件。3.2大件備吊裝由于煤直接液化項(xiàng)目超重（最重的煤液化反應(yīng)器單體重量達(dá)2100噸）、超限設(shè)備數(shù)量多、運(yùn)輸和吊裝難度大，如果由各個(gè)承包商自行委托、組織吊裝，必將大大增加吊裝費(fèi)用，也無法保證吊裝進(jìn)度和安全。因此，從進(jìn)度、安全和費(fèi)用控制因素考慮，制訂了統(tǒng)一引進(jìn)吊裝公司資源的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)策略，通過與國(guó)內(nèi)外多家大型吊裝運(yùn)輸專業(yè)公司進(jìn)行技術(shù)交流和多方案分析比較，招標(biāo)確定由荷蘭MAMMOET公司承接大型設(shè)備吊裝工作，并按計(jì)劃控制節(jié)點(diǎn)，按期完成了預(yù)期44臺(tái)大件設(shè)備的吊裝任務(wù)。3.3建立超重、超限設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)組焊設(shè)施煤液化反應(yīng)器是煤直接液化項(xiàng)目核心工藝設(shè)備，其質(zhì)量成為直接影響工

15、藝流程的關(guān)鍵，因超重、超限，制造廠決定將筒節(jié)直接運(yùn)到建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)組焊。鑒于建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)沙肆虐和嚴(yán)冬環(huán)境條件將直接影響焊接工效和質(zhì)量的因素，神華進(jìn)一步采取了必要的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施，提前投入必要的資金建立了設(shè)備組焊廠房和相應(yīng)配套設(shè)施，從而為保證設(shè)備組焊質(zhì)量和按期交付創(chuàng)造了不可缺少的有利條件。該廠房后續(xù)又作為核心生產(chǎn)裝置的承包商管道預(yù)制場(chǎng)地，對(duì)整個(gè)裝置的管道安裝質(zhì)量和進(jìn)度控制起到了決定性作用。4、運(yùn)營(yíng)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)管控技術(shù)4.1開展危險(xiǎn)和可操作性分析(HAZOP)評(píng)估HAZOP技術(shù)是高度專業(yè)化的作業(yè)程序，是一種定性的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)，目的是確定一個(gè)工藝過程針對(duì)原設(shè)計(jì)意圖而言可能發(fā)生的偏差，確定與評(píng)估項(xiàng)目工藝過程和生產(chǎn)操

16、作中潛在的危害。煤直接液化涉及到高溫高壓，氣液固三相流存在，加之是世界首次商業(yè)化運(yùn)行，沒有先例可循，因此神華在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)修改階段分兩次針對(duì)煤直接液化設(shè)計(jì)圖紙組織了HAZOP審查。針對(duì)設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究，對(duì)所有工藝管線、設(shè)備、儀表和安全設(shè)施都分門別類的進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析，從中發(fā)現(xiàn)問題，提出改進(jìn)措施。然后在PDU上進(jìn)行改造運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，進(jìn)行驗(yàn)證。4.2解決運(yùn)營(yíng)中的易磨和固體沉積問題針對(duì)煤直接液化過程物流中含有氣、液、固三相流的特點(diǎn)，分析固態(tài)物料可能對(duì)管線、設(shè)備的磨蝕，采取相應(yīng)的技術(shù)措施。針對(duì)煤直接液化過程中含有氣、液、固三相的特點(diǎn)，試驗(yàn)分析因固態(tài)物料的存對(duì)管線、設(shè)備磨蝕的影響

17、，根據(jù)磨蝕程度采取以下技術(shù)措施：（1）針對(duì)不同工況下的物流選擇合理的流速，既要有效避免因流速過大產(chǎn)生磨蝕，又要避免因流速過低產(chǎn)生沉降；（2）加厚管壁，延長(zhǎng)管線和設(shè)備耐磨的使用壽命；（3）選擇更高一級(jí)的材質(zhì)，提高管線和設(shè)備本身的耐磨蝕能力；（4）對(duì)含固管線采用大曲率半徑的彎頭，避免因?yàn)闆_蝕過大而影響管線的壽命；（5）對(duì)減壓塔等易出現(xiàn)磨蝕的設(shè)備，采用特殊的耐磨襯里；（6）對(duì)重要設(shè)備，研究確定磨蝕趨向曲線，制定預(yù)警指標(biāo)，確保及時(shí)更換或保養(yǎng)。4.3防止反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)焦、沉積和堵塞反應(yīng)器內(nèi)部出現(xiàn)沉積、堵塞和結(jié)焦等情況，會(huì)嚴(yán)重影響到裝置的運(yùn)行，甚至堵死反應(yīng)器，甚至發(fā)生爆炸。為防止出現(xiàn)這些安全隱患，神華煤制油

18、示范工程采取了以下措施：（1）反應(yīng)器采用全返混反應(yīng)器，上下溫差不超過8度，接近于等溫反應(yīng)器，避免出現(xiàn)局部超溫而結(jié)焦的現(xiàn)象；（2）對(duì)反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，通過循環(huán)泵對(duì)反應(yīng)器內(nèi)物流進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)；（3）在反應(yīng)器下部設(shè)置排固措施，對(duì)沉積物及時(shí)外排；（4）為防止反應(yīng)器出現(xiàn)飛溫，采取了超溫報(bào)警和聯(lián)鎖切斷煤漿的措施；（5）在反應(yīng)器循環(huán)杯上部和出口采取特殊措施（專有技術(shù)），防止出口結(jié)焦和堵塞循環(huán)泵。4.4高壓差減壓閥安全控制技術(shù)煤液化高壓差減壓閥是液化核心設(shè)備之一，因?yàn)閴翰罡哌_(dá)15Mpa，并且是氣、液、固三相流，對(duì)閥門的質(zhì)量要求特別高。為了保證煤直接液化裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行，采取了以下措施：（1）調(diào)整控制方案，突破石化系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)定，采用了“一開三備”的措施；（2）盡可能通過地對(duì)