甲醇合成气压缩机转子损坏事故分析
孙洪恩，左志强，刘飞，吴军，张彩风
（内蒙古荣信化工有限公司，内蒙古 鄂尔多斯，017010）
[摘 要]甲醇合成气压缩机是煤制甲醇企业最核心的生产设备，一旦损坏，整个生产系统将被迫停止运转，对企业的生产效益造成巨大影响。本文介绍了一起因循环气入口过滤网破裂造成甲醇合成气压缩机转子损坏的案例，并深入探讨了如何防范此类事故再次发生的方法。
[关键词]煤制甲醇; 合成气; 压缩机; 转子损坏; 事故分析
[中图分类号]ＴＱ０５４ [文献标识码]Ｂ [文章编号]
Judgmengt of pressure relief failures in gasifier lock hopper system
SUN Hong-en，ZUO ZhiQiang，LIU Fei，WU Jun，ZHANG CaiFeng
(Yanzhou Coal Mining Ordos Energy & Chemical Co.,Ltd, Inner Mongolia Ordos, 017010)
Abstract: Methanol synthesis gas compressor is the core production equipment of coal to methanol enterprises. Once it is damaged, the whole production system will be forced to stop running, which will have a huge impact on the production efficiency of enterprises. This paper introduces a case of Rotor Damage of methanol synthesis gas compressor caused by the rupture of filter screen at the inlet of circulating gas, and discusses how to prevent this kind of accident from happening again.
Keywords: coal to methanol; synthesis gas ; compressor; the core production equipment; accident analysis
1 概述[1-5]
甲醇是众多有机合成产品的基础原料和重要溶剂，广泛应用于医药、染料、油漆涂料、有机合成和国防工业等领域。甲醇工业已成为化工产业中一个重要的分支，其消费潜力远远超过其它化工产品，涉足到经济发展的各个领域。特别是未来能源消费结构进一步改变，甲醇将有可能成为未来动力燃料的主力，需求量十分巨大。
甲醇是结构最简单的饱和脂肪醇有机化合物，最早是通过木材和木质素干馏方式制得，故俗称木醇。德国苯胺苏打制造厂1923年首次用人工合成的方法将一氧化碳和氢气在锌铬催化剂作用下，借鉴氨合成中所积累的高压操作经验，在高温高压条件下实现了工业化合成甲醇。
目前，制造甲醇的原料主要是各种化石能源，主要包含天然气、石油、煤炭等。煤制甲醇工艺是以煤为原料，通过加压气化技术，将氧、煤、水三种成分转化为粗水煤气；再经过调质、净化过程，送入合成塔，最后在合成催化剂的作用下，在一定的温度、压力条件下，生产出工业甲醇的过程。
2 甲醇合成工艺[6-11]
甲醇合成是整个甲醇生产过程的核心部分，主要任务是在合适的温度、压力条件下，通过催化剂辅助提效，将净化后的原料气合成为粗甲醇，反应后的合成气分离甲醇后继续循环使用。甲醇合成的工艺方法有三种：高压法、中压法和低压法。其发展过程与新催化剂的不断研发和净化技术的不断进步息息相关。最早实现工业化应用的是铬、锌催化剂的高压流程，高压法是在压力30MPa、温度在350~400℃下操作。此法技术成熟，投资和生产成本较高。自铜基催化剂技术发现及脱硫净化技术解决后，出现了低压工艺流程。操作压力为4~5MPa，温度为200~300℃。其代表性流程有德国鲁奇公司低压法和英国帝国工业公司低压法。由于反应温度及压力都比高压法低，所以设备管道材料宜得，能量消耗少，生产成本较低。中压法是在低压法基础上发展起来的，中压法生产投资、操作费用和占地面积有所下降，综合经济指标比低压法更好。也有将合成氨与甲醇联合生产的联醇工艺流程。从生产规模上来看，目前世界甲醇装置日趋大型化，新建年产甲醇60~100万吨以上的大型装置普遍采用中、低压流程。
甲醇合成反应原理为一氧化碳的加氢反应，此反应为多向反应，随反应条件及催化剂的不同，可生成醇、烃、醚等产物，因而在甲醇合成过程中可能发生以下反应。
主反应：
CO + 2H2 —→ CH3OH
CO2 + 3H2 —→ CH3OH + H2O
甲醇合成反应是可逆放热反应，反应时体积缩小，并且只有在催化剂存在条件下，反应才能较快进行。
[收稿日期]
[作者简介] 孙洪恩(1981年6月)，男，山东济宁人，硕士，工程师，主要从事煤化工工艺及煤气化工艺领域的研究。
[联系手机] 18147796981
[收书地址] 内蒙古达拉特经济技术开发区荣信化工（017010）
副反应：
CO + 3H2 —→ CH4 + H2O
2CO + 4H2 —→ （CH3）2O + H2O
2CO + 4H2 —→ C2H5OH + H2O
4CO + 8H2 —→ C4H9OH + 3H2O
副反应主要生成醛、酮、酯等副产物，不但浪费原料气，而且严重影响甲醇品质和催化剂寿命。同时，生成甲烷的反应，是一个强放热反应，对于生产控制及其不利。
3 合成气压缩机作用[12-16]
甲醇合成气压缩机主要作用是给合成气提供动力和压力，为甲醇合成反应创造出适宜的条件。离心式合成气压缩机工作原理与输送液体的离心泵类似，气体沿轴向流入叶轮，在叶轮高速旋转的作用下，随叶轮作旋转运动并被高速沿径向甩出。叶轮在驱动机械作用下对气体做了功，气体在叶轮内流动过程中，一方面由于受旋转离心力的作用增加了气体本身的压力，另一方面又得到了很大的速度能。气体离开叶轮后，这部分速度能在叶轮后的扩压器和回流器弯道中转换为压力能，进一步使气体的压力得到提高。所以离心式合成气压缩机是通过离心升压和降速扩压将机组机械能转化为气体压力能的气体输送设备。
中压离心式合成气压缩机一般由一缸两段六级组成（一段五级，二段一级），压缩机与汽轮机由膜片联轴器连接。来自低温甲醇洗的精制合成气经合成气压缩机合成段五级压缩后与来自循环段出口的循环气混合先进入预合成塔、而后进入合成塔先后发生甲醇合成反应，生成粗甲醇。未反应完的气体经粗甲醇分离器分离后再进入合成气压缩机的循环段，经过一级压缩后与新鲜合成气混合，再次循环使用。
4 事故经过
2020年9月初，甲醇合成气压缩机转子振动值开始由20um缓慢上升，10月5日上升至48um。根据以往经验，初步判断为轴瓦磨损，于是采取相应降低轴瓦温度的措施，振动值逐步稳定在48um；12月5日因合成水冷器温度高，车间进行煮蜡处理，12月7日合成气压缩机振动值又开始上涨，至2021年1月10日上涨至65um，经与设备厂家交流，怀疑是压缩机转子结蜡导致振动值上涨，可通过继续加温煮蜡脱除转子上附着的石蜡，从而降低压缩机振动值。1月14日再次进行煮蜡操作，1月15日11时08分非驱动端振动值突然上涨到72.9um，合成气压缩机联锁跳车，振动值变化趋势如下图所示：
5 原因分析
2021年1月19日，合成气压缩机厂家技术人员到达现场，对合成气压缩机进行紧急拆卸主体设备端盖，对内部结构进行检查。检查中发现循环段过滤器套筒及丝网多处破损，支撑丝网的支撑圈已经断裂为许多段钢棒。继续扩大检修范围，发现合成气压缩机转子已经被严重损坏。检查附图如下：
合成气压缩机振动值超标引发跳车的事故原因随即明确，压缩机循环段入口过滤器损坏，碎片进入叶轮，高速运行状态下与转子发生摩擦和碰撞，是造成循环段叶轮损伤的直接原因。生产过程中的煮蜡操作，加速和加剧了过滤器损坏，是事故的另一主要原因。
6 经验总结
压缩机过滤器在合成气新鲜段入口和循环段入口都有设置，由设备生产厂家配套供应。过滤器的作用是过滤施工过程中残留杂物，过滤器由三部分组成：过滤套筒（两层）、过滤网（置于两层过滤套筒之间）、支撑圈，过滤套筒由2mm钢板钻孔加工而成，过滤网由20目不锈钢丝网制作，支撑圈由直径9mm不锈钢圆钢制作，整体呈圆环固定于过滤筒内部。
本次事故中发生破损的是循环段过滤器，新鲜段过滤器保持完好，两过滤器设计图如下：
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通过比较两过滤器设计图可以发现，破损的循环段过滤器气流方向为外壁进、中心出，与新鲜段过滤器气流方向相反。这种流向无形中增加了过滤器支撑圈的承压要求。而滤网支撑圈的初始设计和材料选择，只注重了抗拉强度，并未强调承压性能，所以造成抗疲劳能力大幅降低。
过滤器运行时受气体冲击产生震颤。生产过程中产生的石蜡，随着循环气附着在过滤器丝网表面，又加剧了过滤器受压震颤，导致滤网支撑圈疲劳断裂，滤网和支撑圈碎片通过循环气带入压缩机与转子发生摩擦和撞击，造成转子叶片损坏。所以管道流向设计不合理，过滤器支撑圈强度低，是本次事故的主要原因。应尽快联系设计院，重新核算过滤器设计强度，改变过滤器结构及管道布局。
7 结束语
过滤网在合成、空分等大型压缩机组的入口管线中都有布置，本来起到过滤杂物、保护机组的作用。但由于过滤网一般都工作在大气量、高流速的状态下，所以过滤网本身一定要结构合理、强度达标、定期拆检和提前更换，不然一旦发生意外碎裂，将会对机组转子造成致命伤害。
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