大型雙氧水裝置主要設(shè)備的選型策略

呂厚儒(茂名石化實華股份有限公司，廣東 茂名 525000)

0 引言

30萬噸/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。該裝置為近年來國內(nèi)單套較大規(guī)模的雙氧水生產(chǎn)裝置。雙氧水為強氧化劑，在堿性溶液中極易分解，它與許多有機物可形成爆炸性混合物，與許多無機化合物或雜質(zhì)接觸后會迅速分解而導(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。30萬噸/年雙氧水裝置的規(guī)模特點及雙氧水的危險特性對雙氧水設(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)長滿優(yōu)”運行的基礎(chǔ)，而設(shè)備選型是一項復(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所，對于設(shè)備選型工作更加要謹(jǐn)慎、細(xì)心、科學(xué)。30萬噸/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)計參數(shù)及相關(guān)制造規(guī)范，這個是選型的基本要求。如果設(shè)備選型不適用，與設(shè)計參數(shù)不符，則無法滿足生產(chǎn)工藝要求，無法保證裝置的正常運轉(zhuǎn)。如機泵選型達不到設(shè)計的額定流量、揚程等參數(shù)，不僅會影響生產(chǎn)裝置的負(fù)荷，若是某些關(guān)鍵輸送環(huán)節(jié)，還可能會導(dǎo)致管道出現(xiàn)結(jié)焦等影響裝置安全運行的不利因素。所以設(shè)備選型的首要是要對照設(shè)計文件，滿足相關(guān)設(shè)計參數(shù)及制造規(guī)范，確保設(shè)備選型的適用性。30萬噸/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)，選型時要逐一核對相關(guān)設(shè)計參數(shù)，如流量、壓力等，滿足設(shè)計要求的材質(zhì)等要求。

1.2 先進性原則

化工裝置大多是24小時連續(xù)運行生產(chǎn)，能耗高，對自動化程度要求也高，所以設(shè)備選型除了滿足適用性，還要追求先進性。設(shè)備選型的先進性，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)省原材料及動力消耗，產(chǎn)量最大化的同時能使得生產(chǎn)效益最大化。在日漸嚴(yán)峻的環(huán)保形勢下，設(shè)備選型的先進性可以實現(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，要對比考慮各家的先進性，要把技術(shù)先進性作為評標(biāo)定標(biāo)的一個重要因素。30萬噸/年雙氧水裝置動設(shè)備能耗大，要充分考慮設(shè)備節(jié)能先進性，降低能耗，裝置的氧化尾氣、氫化尾氣現(xiàn)場排放也需選擇先進的環(huán)保設(shè)備對尾氣進行處理后達標(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，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，做到堅守紅線。由于化工生產(chǎn)的危險性，在設(shè)備選型時一定要根據(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)藍點檢測合格后方可使用[1]。

此外，設(shè)備選型還要考慮維護保養(yǎng)的因素。一是設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計上要考慮便于維修；二是要綜合考慮維修成本，維護保養(yǎng)的周期；三是考慮維修配件的價格及供貨渠道；四是考慮是否對維修保養(yǎng)人員有特殊的技能水平要求?？偠灾褪窃O(shè)備要長周期運行、便于維修、維護保養(yǎng)成本低。

2 主要設(shè)備選型

2.1 空壓機

30萬噸/年雙氧水裝置空壓機為氧化反應(yīng)提供空氣原料，是裝置的關(guān)鍵設(shè)備?？諌簷C設(shè)計額定排氣量為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%無油。因其排氣量大，壓力不高，故選擇離心式壓縮機型式。由于空壓機的關(guān)鍵作用，且氣量大，是裝置的能耗大戶，根據(jù)國內(nèi)雙氧水裝置的使用經(jīng)驗，在廠家比選時，一般考慮選擇進口設(shè)備，進口設(shè)備可靠性更高、維修率低、軸功率有較大優(yōu)勢、占地面積小且使用反饋良好，如阿特拉斯、英格索蘭、壽力等。因進口空壓機供貨周期較長，一般在12個月左右，設(shè)計項目一開始就要催促設(shè)計院出訂貨技術(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)計的排氣量及排氣壓力，該選型的空壓機一般在2級或3級壓縮?？紤]機組的連續(xù)運行，入口過濾器選擇自潔式過濾器，可自動反吹，使用壽命一般在一年以上?？紤]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。為了保證潤滑系統(tǒng)的可靠性，潤滑系統(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)動油泵及電動輔助油泵。在主電機選型上，盡管設(shè)備裝在室內(nèi)，但考慮海邊環(huán)境，對電機防護等級還是按IP55選擇；電機功率大，一般都在4 000 kW以上，啟動電流大，電機啟動方式需配置軟啟動，電機冷卻選擇IC 81W(空水冷)并帶漏水保護；此外，電機還應(yīng)帶差動保護、電機振動監(jiān)測系統(tǒng)。電機品牌推薦進口品牌如SIEMENS、ABB、TECO等。在儀表系統(tǒng)選型上，機組通過西門子PLC控制，并具有自動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)。喘振對機組運行影響大，需配置喘振保護功能。機體軸振動大、油溫高、油壓低、主電機軸承溫度高、主電機繞組溫度高、壓縮機軸承溫度高這幾個參數(shù)需設(shè)置聯(lián)鎖停機保護，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，評標(biāo)時主要對各家的業(yè)績、軸功率、公用工程消耗、總價及維護成本等進行綜合對比考慮。

2.2 大流量離心泵

30萬噸/年雙氧水裝置工作液循環(huán)流量大，共設(shè)置8臺工作液大流量機泵，其中2臺氫化液泵、2臺氧化液泵、2臺循環(huán)工作液泵額定流量為1 300 m3/h，2臺中間氫化液泵額定流量為1 700 m3/h，氫化液泵要求揚程最高為90 m，故這8臺工作液泵選單級離心泵即可，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，另外兩個位號的機泵按304不銹鋼。因為工作液滲透性強，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單端面機械密封。若選擇其他形式的機械密封如雙端面機械密封，泄漏的工作液會污染密封沖洗液并伴隨蒽醌結(jié)晶析出進而造成更大的損壞，而且密封沖洗液為油類，如果工作液帶雙氧水的話也會引起分解情況出現(xiàn)。在電機選型上，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，防爆等級選DIICT4，另外兩個位號的電機選DIIBT4即可。考慮海邊腐蝕及南方多雨環(huán)境，電機防護等級按IP55，并選擇戶外濕熱型電機。工作液泵軸功率大，電機額定功率一般都在315 kW以上，配套的電源按10 kV，且電機需達到II級或以上能效標(biāo)準(zhǔn)，每臺電機需配3個繞組測溫和2個軸承測溫，同時配備電流監(jiān)測。工作液泵作為裝置的重要機泵，且流量大、能耗高，建議選擇國內(nèi)一線品牌的泵制造廠家。在評標(biāo)時，要重點對比各家的業(yè)績、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。30萬噸/年雙氧水裝置共設(shè)置了主要過濾器共29臺，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和二級過濾，一級過濾器濾芯材質(zhì)為聚酯，公稱精度5 μm；二級過濾器濾芯材質(zhì)為玻纖，絕對精度1 μm。氧化液過濾器按絕對精度1 μm選型，濾芯材質(zhì)為玻纖。

在選型時，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，而且也會增加搭建操作平臺的成本。要注意工作液的濾芯材質(zhì)不能選用聚丙烯的，因為聚丙烯與工作液容易出現(xiàn)溶脹情況。設(shè)計數(shù)據(jù)表對過濾器的過濾面積沒有統(tǒng)一規(guī)定，這是個難題，因為各制造廠家的濾膜成分比例、加工工藝及過濾效果不一樣，所以無法去統(tǒng)一要求，只能各家根據(jù)自身的技術(shù)特點及項目經(jīng)驗去計算，但過濾面積又是過濾器的一個重要指標(biāo)，應(yīng)作為評標(biāo)時的一個重要對比參數(shù)。過濾器壓差是濾芯更換的重要參考指標(biāo)，需在過濾器殼體進出口管分別設(shè)置現(xiàn)場及遠傳壓力指示。因為過濾器的重要性，且濾芯均為精密濾芯，建議交貨時找第三方檢測機構(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，建議實地考察廠家的項目業(yè)績使用情況[2]。

2.4 渦輪膨脹發(fā)電機組

雙氧水裝置渦輪膨脹發(fā)電機組屬于節(jié)能環(huán)保設(shè)備，是利用氧化尾氣對渦輪膨脹機葉輪做功，帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為電能，不僅能夠利用低溫回收氧化尾氣中的有機物，還能夠轉(zhuǎn)換為電能，達到節(jié)能減排的目的。

在設(shè)備配置上，機組的入口和出口應(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入口氣體進行簡單的分離，避免過多液體帶入機組，影響機組的制冷效果。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)尾氣進氣及排氣溫度，設(shè)置一臺高效板式換熱器(冷箱)，實現(xiàn)進氣與排氣的換熱。在潤滑系統(tǒng)配置上，需配置兩臺齒輪泵，一開一備，當(dāng)潤滑油壓力低時，可聯(lián)鎖啟動備用泵，另外配雙油過濾器，可在線切換，保證潤滑系統(tǒng)的可靠運行。在電氣系統(tǒng)的配置上，發(fā)電機選異步發(fā)電機，滿足DIIBT4防爆等級及IP55防護等級，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)進排氣的溫度。為了保證機組故障跳停時不造成氧化系統(tǒng)憋壓，需在機組的旁路設(shè)置可調(diào)節(jié)的切斷閥，機組故障時可聯(lián)鎖打開旁路。為了保證機組的安全運行，需設(shè)置聯(lián)鎖系統(tǒng)，機組的轉(zhuǎn)速高、供油壓力低、發(fā)電機的軸承溫度高、發(fā)電機的繞組溫度高、減速機軸承溫度高、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，評標(biāo)時重點對比制造廠家的并網(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 氧化尾氣吸附機組

30萬噸/年雙氧水裝置滿負(fù)荷生產(chǎn)時將有多達45 000 Nm3/h的尾氣排放于大氣中，而尾氣中含芳烴等有機物，氧化尾氣吸附機組正是利用吸附劑把絕大部分有機物吸附截留并回用，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行脫附再生。在吸附劑的選擇上，目前國內(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，選型時主要對比各廠家吸附劑的使用壽命，也要考慮吸附劑的裝填量，畢竟日后更換下來的吸附劑會增加危廢的處理成本。在系統(tǒng)配置上，機組應(yīng)能通過PLC實現(xiàn)全自動運行，吸附與脫附過程全自動控制。碳罐的數(shù)量要設(shè)置合理，滿足裝置吸附負(fù)荷的同時，還要考慮吸附、脫附的運轉(zhuǎn)分配，一般設(shè)置4～5個碳罐。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，過濾精度要求達到絕對精度1 μm。安全系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置緊急放空旁路，配置進氣、排氣CO檢測儀，以及水噴淋消防系統(tǒng)、氮氣消防系統(tǒng)。如果使用活性炭顆粒作為吸附劑，考慮特殊情況如進氣壓力忽高可能會導(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。氧化尾氣吸附機組在裝置運行中起著重要的環(huán)保作用，且設(shè)備投資大，在評標(biāo)時，要綜合對比各廠家的業(yè)績，必要時出外實地考察使用業(yè)績。

3 結(jié)語

通過對設(shè)備選型通用要求的理解，針對30萬噸/年雙氧水裝置規(guī)模大的特點及雙氧水易分解的危險特性，對雙氧水裝置的主要設(shè)備：空壓機、大流量離心泵、過濾器、渦輪膨脹發(fā)電機組、氧化尾氣吸附機組的選型要點進行了歸納，為雙氧水項目相關(guān)設(shè)備選購提供了策略參考。