액체 질소 세척 중 N2 내 CO 성분 초과 분석

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이 게시글은 마지막으로 1587328380에 의해 2016-11-9 13:20에 수정되었습니다. 액체 질소를 이용한 세척 과정에서 N2 내의 CO 함량이 기준을 초과하는 원인 분석 요약: 저온 액체 질소 세척 장치는 액체 질소를 이용하여 암모니아 합성 촉매에 해로운 CO 가스를 흡착합니다.키워드: 액체 질소 세척, 공기 분리 증류탑, CO 함량 당사는 석탄을 원료로 하는 대형 요소 생산 기업으로, 가스 정화 장치에는 저온 메탄올 세척 및 저온 액체 질소 세척 기술이 적용되어 있습니다.액체 질소 세척 장치는 상류의 저온 메탄올 세척 공정에서 나오는 정화된 가스를 받아, 저온 상태에서 액체 질소를 이용해 그 가스 내의 CO, CH4, Ar 등을 제거함으로써 H2/N2=3:1 비율의 수소-질소 합성가스를 만들어냅니다.수소질소 합성가스는 먼저 암모니아 합성 공정의 H2-N2 가스 압축기로 압축된 후, 암모니아 합성 공정에서 제품인 액체 암모니아가 생산됩니다. 1. 액체 질소 세척 공정 설명
액체 질소 세척은 온도 -188℃～-193℃, 표면 압력 5.27Mpa인 세척 탑 내에서 이루어집니다.액체 질소는 탑 꼭대기에서 들어오고, 원료 가스는 탑 바닥에서 들어와 서로 역류하며 접촉합니다. 이때 탑 판에서 열교환이 일어나며, CO, CH4, Ar와 같은 불순물들은 액체 질소에 의해 제거되어 정제된 가스가 얻어집니다.질소 함량이 8.9%인 정제된 수소가 탑 꼭대기에서 나와 불활성 가스를 통과함으로써, CO 함량이 5×10-6 미만인 순수한 기체가 만들어집니다.암모니아 합성탑의 산화물 함량이 20×10-6을 초과하면 암모니아 합성 공정이 중단되므로, 합성가스 내 CO 함량을 조절하는 것이 매우 중요합니다. 二、 사건 경과
2014년 8월 29일, 19:00경에 액체 질소 세척 출구의 CO 온라인 분석값인 AI17002는 기준치를 초과하지 않고 0.7ppm 수준에서 변동하고 있었습니다. 19:30이 되자 그 값은 1.5ppm까지 상승한 뒤 다시 0으로 떨어졌습니다. 20:00이 되자 AI17002의 값이 다시 1.5ppm까지 상승하는 것이 확인되자, 중앙 제어실에서는 AI17002를 더욱 주의 깊게 관찰했습니다. 20:10이 되자 AI17002의 값은 2.0ppm까지 상승했습니다. 이에 따라 조작원은 정화 작업을 담당하는 중앙 제어실 직원들에게 N2와 N3의 공급량을 줄이도록 지시했습니다. 하지만 중앙 제어실 직원들은 AI17002의 값이 계속 상승하고 있으므로 N2의 공급량을 늘려야 한다고 조작원에게 알렸습니다. 그리고 AI17002에 대한 수동 분석을 실시하도록 요청했습니다. 그 후에는 냉장고 밸브인 FV17010, 공정 가스의 온도를 조절하는 TV17039, 그리고 원료 질소인 FV17009의 설정을 조정했습니다.21:02 AI17002는 6.4ppm까지 상승한 후 계속 오르고 있습니다.이때 중앙 제어 담당자는 조정팀에 감량 처리를 요청했으며, 분석팀에 두 번째로 A17002 성분 분석을 지시했습니다. 분석 결과는 11ppm이었습니다.액체 질소 세척의 유입 공기량이 기존 94384Nm3/h에서 83872Nm3/h로 감소했습니다.21:21에 AI17002의 수치는 9.5ppm이라는 최고값에 도달했으며, 수동 분석 결과는 15ppm이었습니다. 이때 세척에 사용되는 질소의 양은 최대 13023kg/h에 달했습니다.21:50 AI17002가 지표 5ppm으로 하락함.22:04에 2PPM으로 하락했으며, 수동 분석 결과는 3ppm이었습니다. 8월 29일 이후 합성가스 내 CO 농도가 계속 변동하며 상승하는 추세를 보였고, 액체 질소 세척 시스템이 가스 양을 줄이는 조치를 취했습니다. 합성가스의 CO 농도가 기준을 초과하여 공정이 2회 중단되었으며, 시스템은 총 29회에 걸쳐 가스 양을 줄이는 조치를 실시했습니다.그 후 액체 질소 세척에 대해 특별 분석을 진행함；합성가스 내 CO 성분이 발생하는 원인 및 처리 방법；(1) 액체 질소 세척 시 사용된 질소의 양이 부족함；(2) 액체 질소 세척 온도가 너무 높음；(3) 작동 압력이 너무 낮음；(4) 메탄올 세척 가동 라인 고장；(5) 탑판의 원인；해결 방법；(1) 세척용 질소량 증가 (2) 액체 질소 세척의 작동 온도 TI17039를 -185℃ 이하로 낮춤；(3) 시스템 압력을 정상 작동 압력인 5.0MPa 이상으로 높임；(4) 메탄올 세척 가동 라인의 밸브 그룹 HV16003A/B/C/D의 실제 개폐 상태를 확인하여, 정상 위치에 있는지 점검합니다；(5) 주차 점검.열교환기, 탑판, 밸브에 이상이 없는 것을 확인한 후, 다시 질소의 순도 분석에 중점을 두었습니다. 9월 11일에는 생산부와 품질검사센터의 협력 하에(합성가스 내 CO 농도가 변동할 때 N2 성분을 수동으로 분석함), 3일간 샘플을 채취하여 비교 분석을 실시한 결과, 결국 9월 13일에 질소 내 CO 농도가 기준을 초과했다는 것을 확인할 수 있었습니다. 삼、 기준 초과의 영향 결과
1. 암모니아 합성이 두 번 중단되어 암모니아 합성 시스템에 영향을 미쳤음
2. 액체 질소를 이용한 세척 횟수가 줄어들어 암모니아와 요소의 생산량에 영향을 미쳤음

사、 원인 분석
(1) 가스 성분 비교；표준 상태에서 일산화탄소(카본 모노옥사이드, CO)의 순수한 형태는 무색이며, 냄새도 없고 자극성도 없는 기체입니다.상대 분자량은 28.01이며, 밀도는 1.25g/l입니다. 빙점은 -205.1℃이고, 끓는점은 -191.5℃입니다.물에 대한 용해도가 매우 낮아, 물에 거의 녹지 않습니다.질소는 상온에서 무색무취무미의 기체이며, 보통 독성이 없습니다.질소는 대기 전체의 78.12%(부피 비율)를 차지합니다. 표준 상태에서의 기체 밀도는 1.25g/L입니다. 질소는 물에 잘 녹지 않으며, 상온 상압에서는 1부피의 물에 약 0.02부피의 질소만이 용해됩니다.융점 -210℃, 끓는점 -195.8℃, 상대 분자량 28.가스 성분을 보면, CO와 N2는 끓는점과 분자량이 28로 비슷합니다. 또한 당사는 철강공장의 플레임 소각장과 공기분리장치의 압축기 입구에 있는 필터와 단지 한 벽만을 사이에 두고 있습니다. 철강공장의 플레임 소각장의 높이가 충분하지 않아 바람 방향이 변할 경우 플레임이 제대로 타오르지 못하게 되고, 이때 CO는 바람의 방향에 따라 압축기 입구로 들어가게 됩니다.공분 증류: 물질의 끓는점 차이를 이용하여, 혼합된 증기를 여러 번 부분적으로 응축시키고 혼합된 액체를 부분적으로 증발시킴으로써 분리를 달성하는 과정입니다.공기의 중요한 구성 성분들입니다. 이름, 화학 기호, 부피 백분율, 끓는점(℃, 101.325KPa)을 나타냅니다.
질소 N2: 78.09%, 끓는점 -195.8℃
일산화탄소 CO: 2.09%, 끓는점 -191.5℃
아르곤 Ar: 0.932%, 끓는점 -185.7℃
산소 O2: 20.95%, 끓는점 -183℃
위 표를 보면, CO와 N2의 끓는점이 매우 가깝다는 것을 알 수 있습니다. 제철소에서 배출된 CO는 공기와 함께 공기 분리 정제탑으로 들어갑니다.(2) 공기 분리 증류탑의 공정 흐름은 하부 탑에서 설명되며, 공기는 처음에 질소와 산소가 풍부한 액체 상태의 공기로 분리됩니다. 상단에 있는 기체 상태의 질소는 주 응축 증발기에서 액화되고, 동시에 주 응축 증발기의 저압측에 있는 액체 상태의 산소는 기화됩니다.액체 질소의 대부분은 하부 탑으로 회류되는 회류액으로 사용되며, 나머지 액체 질소는 냉각기를 통해 순수한 질소와 불순물이 섞인 질소로 냉각된 후 저압화되어 상부 탑의 꼭대기로 보내집니다.하부 탑 상부에서 뽑아낸 오염된 질소는 냉각기를 통해 더욱 냉각된 후, 저압화 과정을 거쳐 상부 탑 상부로 보내집니다.하부 탑 바닥에서 뽑아진 고산소 액체는 과냉각기에서 과냉각된 후, 절류장치를 통해 상부 탑의 중간 부분으로 보내져 재순환 액체가 됩니다.오염된 질소는 상부 탑의 윗부분에서 빠져나옵니다.그리고 과냉각기 및 고압 주열교환기, 저압 주열교환기에서 재가열된 후 분류탑 외부로 보내지는데, 일부는 분자체 정제기의 재생 가스로 사용되고 나머지는 수냉탑으로 들어간다.순수한 질소는 상부 탑의 꼭대기에서 끌어내어, 과냉각기와 저압 주열교환기에서 재가열된 후 냉각 챔버를 거쳐 수냉탑으로 보내져 외부의 물을 냉각하는 냉매로 사용됩니다.CO는 질소와 함께 하부 탑의 꼭대기에서 끌어내어, 저압 주열교환기에서 재가열된 후 냉각장치를 통과합니다. 그 다음 질소 압축기를 통해 6.0MPa로 압축된 뒤, 액체 질소 세척 장치로 보내져 처리된 후 합성 공정에 투입됩니다.원인 분석；(1) 강철공장의 플레임토치 설계가 적절하지 않아 CO가 공기분리 시스템으로 유입된 것이 이번 사고의 주요 원인이다.
(2) CO에 대한 인식이 부족하여, CO가 공기압축기를 통해 정류탑으로 들어가 N2 배관으로 유입되었다.
(3) 현장 작업자들이 CO 경보기의 경보를 발견했지만, 즉시 보고하지 못해 초과 농도 문제를 해결하는 데 시간이 더 걸렸다.

**IV. 예방 조치**
(1) 강철공장에 플레임토치가 꺼지는 일이 있어서는 안 된다고 알려야 한다.
(2) 현장 점검 요원들이 CO 경보가 울리는 것을 발견하면, 즉시 중앙 제어실에 보고해야 한다. (3) 공기분리장치를 담당하는 직원들과 협력하여, 정기적으로 N2 내의 CO 농도를 샘플링하여 분석함. 참고문헌: [1] 루샤오펑, 『질소 세척 공정 운영 매뉴얼』, 환구디자인. [2] 리융캉, 심웨이렝, 『저온 기술』, 중국 과학기술 핵심 저널, 1961년