設(shè)計制造文章編號: 1009-9425 200206-0011-04煤氣化工程配套”4萬”等級空分流程比較方明(中石化安慶分公司化肥廠原料車間,安徽安慶246002 )摘要:就煤氣化工程配套的”4萬”等級空分裝置與三家氣體公司進(jìn)行了交流。文章介紹了三家公司分別推薦的內(nèi)壓縮流程的特點及流程中一些問題的解決措施;最后,粗略分析了三種流程的優(yōu)缺點。關(guān)鍵詞:大型空分設(shè)備;流程;內(nèi)壓縮;比較中圖分類號: TQ116.11文獻(xiàn)標(biāo)識碼: AA comparison among 40000m3/h air separationprocesses associated with coal gasification projectsFang Ming( Feedstock: Workshop of Fertilizer Factory , Anqing Afiliated Company of China Petrochemical GeneralCompany , Anqing 246002 , Anhui Prouince )Abstract : The technical exchanges with three different gas companies involving 40000m2/h air separation plantsassociated with coal gasifcation projects are presented. The paper focuses on the characteristics of internal compressionprocesses and measures to be taken to solve the problems encountered in the processes which are recommended separatelyby three different companies. Finally the advantages and shortcomings demonstrated by three different processes areanalyzed in brief.Keywords : Large scale air separation plant ; Process ; Intermal compression ; Comparison中石化安慶分公司擬進(jìn)行”煤代油”工程改備投資。造,需對煤氣化配套”4萬”等級的空分裝置。(2)空氣中雜質(zhì)( H20、 CO2、 C2H2等)清除2001年分別同三家氣體公司進(jìn)行了技術(shù)交流(以采用PSA或TSA,其中PSA是該公司專利,但PSA下簡稱A、B、C公司),這三家公司都推出了他們用分子篩需進(jìn)口。PSA 屬于無熱再生,再生的電耗20世紀(jì)90年代至今在空氣分離方面的新技術(shù)，都或蒸汽為零，相當(dāng)于節(jié)省空壓機(jī)能耗4% ~ 5% ,傾向于”化工型”的空分內(nèi)壓縮流程, 但有技術(shù)上且分子篩工作溫度不變,壽命延長;但切換時空氣的差異,尤其是流程組織上的差異,導(dǎo)致空分裝置損失大,噪聲大,對切換閥質(zhì)量要求高。在投資、能耗、產(chǎn)品提取率等方面的不同。下面就(3)精餾塔上塔為填料塔，下塔為篩板塔,上技術(shù)交流中了解的情況作-介紹和比較。下塔垂直放置,冷箱高度約為68米。從安全角度1 A公司情況考慮,上塔底部填料采用銅填料。1.1 流程特點中國煤化工氬,粗氬塔為填料塔,( 1)主空壓機(jī)與空氣增壓機(jī)同軸驅(qū)動,減少設(shè)但要MYHCNMHG慮工質(zhì)的流向。收稿日期: 2002-07-13作者簡介:方明(1966-),男,工程師,1989年畢業(yè)于天津商學(xué)院制冷工程系。深冷技術(shù)萬2027年第6期Cryogenic Technology No6 2002設(shè)計制造方明:煤氣化工程配套”4萬”等級空分流程比較(5)氧氮產(chǎn)品均采用內(nèi)壓縮,即所謂"雙泵流為氧化鋁,第二層為13X分子篩。對交流過程中程”，用液氧泵、液氮泵取代氧壓機(jī)、氮壓機(jī)，而提出的氧化亞氮對空分安全性的影響, B公司準(zhǔn)備且用-臺蒸汽透平驅(qū)動主空壓機(jī)和復(fù)熱液氧、液氮采取以下安全設(shè)計:①增加分子篩量以除去氮氧化所需的增壓機(jī)。有關(guān)文獻(xiàn)介紹,年產(chǎn)30萬噸合成物;②主冷凝器液氧打循環(huán);③液氧內(nèi)壓縮,實現(xiàn)氨所配空分裝置采用此流程可減少投資200萬氮氧化物和烴類連續(xù)排放。美元。(3)主冷采用降膜式蒸發(fā)器。在交流過程中，1.2 流程中一些問題的考慮我們請他們就浴式主冷與降膜式主冷在安全性方面(1)主冷不采用降膜式蒸發(fā)器。盡管降膜式蒸的差異進(jìn)行比較時,他們堅持使用降膜式主冷,理發(fā)器的最大特點是傳熱效果好、傳熱溫差小節(jié)由如下:①安裝方式的變化,蒸發(fā)器不是在塔內(nèi),能,但這種蒸發(fā)器可導(dǎo)致氧化亞氮和碳?xì)浠衔锓e而是外置,即使出現(xiàn)主冷爆炸的能量也不會影響主聚,因此A公司建議采用浴式主冷凝蒸發(fā)器,同塔;②與浴式主冷相比,降膜式主冷換熱系數(shù)大,時還要保證一定的液氧液位。另外從安全角度考傳熱溫差小，可達(dá)△t=1°C ( -般板式達(dá)1.5C~慮，上塔底部相當(dāng)于3~ 5等當(dāng)量塔板高的填料不2C),這樣可節(jié)省空壓機(jī)軸功率2% ~3% ;③氧采用鋁填料,而是采用不易燃的銅填料。這樣,主化亞氮易堵塞,出現(xiàn)干蒸發(fā),導(dǎo)致烴類物質(zhì)積聚冷萬一發(fā)生局部爆炸,不致于導(dǎo)致鋁填料二次爆產(chǎn)生爆炸,這點可通過加大循環(huán)蒸發(fā)量來克服,即炸,從而保證上塔的安全。提高L/V(L指流入蒸發(fā)器的液氧量,V指蒸發(fā)的(2)內(nèi)壓縮流程提高了主冷的安全性,同時烴氣氧量),一般控制在2.5~3.0。類物質(zhì)也不會在主換熱器中積聚。由于從塔內(nèi)大量(4)空分塔.上塔為規(guī)整填料塔，下塔為篩板取出液氧,相當(dāng)于液氧100%排放,烴類等雜質(zhì)在塔,氬系統(tǒng)為全精餾無氫提氬,可以預(yù)留抽口, 暫主冷中濃縮的可能性大大降低。據(jù)文獻(xiàn)介紹,壓力時不上氬裝置。上不 上由用戶自己定。在3bar以上時烴類雜質(zhì)在氧中的溶解度較大。我(5)有一組送至主冷的液氧輸送泵,這樣使廠產(chǎn)品氧壓力為4.6MPa，A公司認(rèn)為烴類雜質(zhì)在上、下塔能布置在同一水平面上,實現(xiàn)平行設(shè)計,主換熱器內(nèi)不會濃縮,運(yùn)行相當(dāng)安全。降低了冷箱高度,也便于安裝。(3)在線分析及監(jiān)控系統(tǒng)。由于空氣中雜質(zhì)水(6)空分裝置設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化,冷箱組件設(shè)計成模和二氧化碳在低溫下易凍結(jié)、堵塞換熱通道及塔板塊式。模塊既用于換熱器、壓力塔,又用于低壓塔篩孔,影響空分裝置的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此對雜及氬裝置。制造成本低,使用價值提高。質(zhì)的監(jiān)控較重要,主要有以下5方面:①空氣中烴2.2 流程中-些問題的考慮類物質(zhì)的檢測;②分子篩吸附器出口空氣中二氧化( 1 )采用單泵還是雙泵內(nèi)壓縮流程。B公司介碳含量分析、露點分析,判斷分子篩吸附器工作質(zhì)紹他們從能耗和投資等諸多方面比較,認(rèn)為單泵內(nèi)量的好壞;③對TSA還設(shè)置了蒸汽再生加熱器出壓縮流程更經(jīng)濟(jì)。若高壓氮用量不大,用液氮泵較口露點分析;④所有產(chǎn)品(氧、氮、污氮)的純度合適,即雙泵內(nèi)壓縮流程,投資少。若氮氣、氧氣分析;⑤設(shè)置了空壓機(jī)、增壓透平膨脹機(jī)流量調(diào)節(jié)內(nèi)壓縮量均較大,需要大量的增壓空氣復(fù)熱,這樣換熱器中易出現(xiàn)提前液化的情況,降低設(shè)備效率,系統(tǒng)等。.熱力學(xué)效率低,因此對于氧氣已采用內(nèi)壓縮流程2B公司情況的,氮氣輸出方式視量定。2.1流程特點(2)從安全角度考慮主冷及空分塔的材質(zhì)問( 1 )主空壓機(jī)為齒輪傳動徑向流組合式，與增題。"中國煤化士塔與低壓塔分開設(shè)計,壓機(jī)分開,為空氣膨脹循環(huán);若采用氮膨脹循環(huán),并列MHCNMH 昨也可避免二次爆炸。可以將產(chǎn)品氮壓機(jī)與循環(huán)氣壓縮機(jī)合二為一,可節(jié)馬來四業(yè)工力議笛燎F機(jī)定低壓塔在主冷之上,主省投資對氮氣壓力等級要求較多的用戶較適宜。冷爆炸引起二次爆炸。B公司認(rèn)為各種材料對爆炸(2)分子篩吸附器為臥式、雙層吸附,第-層的區(qū)別在于引發(fā)其爆炸所需的激活能不同。但空分Cryogenic Technology No 62002深冷技術(shù)2002 年第6期方明:煤氣化工程配套”4萬”等級空分流程比較設(shè)計制造主冷爆炸的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過所有金屬的激活能,因此氫化合物積聚的危險程度。-般來說,積聚系數(shù)小二次爆炸不僅僅是材質(zhì)問題。于10,比較安全;若積聚系數(shù)大于50,塔填料要(3)在線分析及控制系統(tǒng)。分子篩吸附器的出考慮用銅填料,或采取將下塔與上塔隔開措施。內(nèi)口設(shè)在線分析儀,分析吸附后空氣中二氧化碳含壓縮流程的冷箱內(nèi)積聚系數(shù)為5,而外壓縮流程為量;紅外線氧化亞氮分析儀分析液氧中氮化物含500 ,因而內(nèi)壓縮流程安全得多。量;污氮、氧、氮產(chǎn)品純度分析儀分析氧含量等。(3)采用浴式主冷,同時對浴式主冷的結(jié)構(gòu)進(jìn)主要控制回路:純化系統(tǒng)、主冷循環(huán)蒸發(fā)控制系行了改進(jìn),板間距通道確保5mm,加大波距,如翅統(tǒng)、壓力塔、低壓塔液位控制系統(tǒng)等。片的密度不超過8波每英寸(以前10波每英寸)3C公司情況3.2.2低溫液體貯槽的配備問題3.1 流程特點是否配備低溫液體貯槽,主要是根據(jù)后續(xù)裝置( 1 )冷箱內(nèi)的管線、閥門、塔體均采用奧氏體對空分裝置的依賴性,若空分出現(xiàn)故障停車幾小時不銹鋼材質(zhì),彈性好,焊接性能好,且有改造余對其它裝置無影響,可以不配備;但考慮將來的液地;冷箱內(nèi)采取焊接結(jié)構(gòu)使冷箱內(nèi)法蘭數(shù)減到最體市場及其它主裝置的聯(lián)運(yùn),應(yīng)考慮配備, C公司少;鋁制換熱器封頭與不銹鋼連接采用特殊的雙金在這方面反復(fù)提醒。低溫液體貯槽國內(nèi)可以生產(chǎn),屬接頭( C公司專利);采用無氫提氬技術(shù)等。象杭氧、川空都有200m3 ~ 500m3規(guī)格以上貯槽的(2)采用立式徑向流雙層床吸附器。據(jù)介紹該制造業(yè)績,并給這三大氣體公司配套過。吸附器是C公司專利。它具有以下優(yōu)點:①占地3.2.3在線分析面積小;②因減少了氣流阻力而節(jié)能;③對裝置規(guī)考慮到新建空分裝置坐落于石化工業(yè)區(qū)域,應(yīng)模變化適應(yīng)性大;④防止床層流化態(tài),內(nèi)格柵采用作如下考慮設(shè)置在線分析:①設(shè)一只分析儀監(jiān)測吸圓柱體幾何形狀,相對于臥式不易脫落;⑤可延長附器進(jìn)口處空氣中的碳?xì)浠衔锖?②吸附器出分子篩使用壽命,裝置節(jié)能0.7%?？谠O(shè)一只二氧化碳分析儀,由于分子篩吸附雜質(zhì)順(3)上、下塔均采用填料塔。由于高效分布器序為H20>C2H2>CO2,若二氧化碳含量達(dá)(1~2)的使用,提高了填料塔的效率,克服了填料塔塔身x 10-6 ,則水和乙炔的含量均應(yīng)在指標(biāo)范圍內(nèi)。高的缺點,操作彈性可達(dá)50% ~ 100%。4三家氣體公司推薦空分流程比較(4)板翅式換熱器的使用。我們提出用氧的壓2] 4.1三家 氣體公司推薦空分流程比較(見表力為4.6MPa,C公司極力推薦高壓換熱器采用板1)翅式。因板翅式換熱器最大工作壓力等級已達(dá)4.2空分裝置其他方 面比較9.0MPa,能滿足要求;而繞管式換熱器體積大,(1) A公司設(shè)備投資最省,但熱力學(xué)性能差,制造復(fù)雜,價格不便宜。板翅式用于多股流換熱比運(yùn)轉(zhuǎn)費用高,尤其是能源價格較高地區(qū)的用戶要權(quán)繞管式更方便。衡投資與運(yùn)轉(zhuǎn)費用的利弊。B公司將循環(huán)壓縮機(jī)與.(5)氧產(chǎn)品輸出采用內(nèi)壓縮,氮產(chǎn)品輸出高壓產(chǎn)品壓縮機(jī)結(jié)合起來,設(shè)備投資節(jié)省,且方便了要部分也采用內(nèi)壓縮,中壓部分仍采用氮壓機(jī)外壓求氮氣產(chǎn)品多樣性的用戶, 但氧氮提取率低。C公縮,這樣裝置熱力學(xué)性能趨于合理,裝置運(yùn)行工況司流程熱力學(xué)性能好,且氧氮提取率高,但要增加較理想。氮壓機(jī)投資,若能實現(xiàn)該機(jī)國產(chǎn)化,也較為理想。3.2 流程中-些問題的考慮(2)在主冷安全性方面,三大氣體公司都較重視這方面研究,尤其越來越重視氧化亞氮對空分裝3.2. 1空分的安 全問題(1)據(jù)C公司介紹,空冷系統(tǒng)中空冷塔的上部置的影響。B公司仍堅持采用降膜式主冷,除非用采用低溫冷凍水直接接觸,閉路循環(huán);下部采用循戶有特殊要求，而A、C公司都建議采用浴式主環(huán)水間接冷卻,避免其他裝置泄漏溶解至循環(huán)水中冷。中國煤化工E冷有優(yōu)勢,但安全方面有YHCNMHG論方面的研究世界領(lǐng)的氨類、烴類物質(zhì)二次污染空氣,降低進(jìn)分子篩吸先,據(jù)介紹降膜式主冷的弊端可通過加大循環(huán)蒸發(fā)附器空氣中的雜質(zhì)含量。量來克服。但從我國的使用情況看, 的確存在潛在(2)空分裝置用”冷箱內(nèi)積聚系數(shù)”來衡量碳的不安全性,應(yīng)慎用降膜式主冷。深冷技術(shù)萬262年第6期Cryogenic Technology No6 2002設(shè)計制造方明:煤氣化工程配套”4萬”等級空分流程比較表1三家氣體公司推薦空分流程比較項目A公司B公司c公.司空壓機(jī)| 單軸離心式,主空壓機(jī)與增壓機(jī)同軸齒輪式、串聯(lián)式或徑軸流組合式單軸離心式驅(qū)動|蒸汽驅(qū)動(高壓或中壓待定)蒸汽驅(qū)動(高壓或中壓待定)蒸汽驅(qū)動(中壓4. 1MPa)「流程形式| 雙泵內(nèi)壓縮流程單泵或雙泵內(nèi)壓縮流程|單泵內(nèi)壓縮流程| 循環(huán)介質(zhì)| 空氣空氣或氮氣空氣| 循環(huán)介質(zhì)增壓空氣增壓機(jī)空氣增壓機(jī)或循環(huán)氮壓機(jī)|空氣增壓機(jī)部分接觸式空冷塔(氮、水冷塔+氨| 預(yù)冷系統(tǒng)|接觸式空冷塔(氮、水冷塔+氨預(yù)冷)|接觸式空冷塔(氮、水冷塔+氨預(yù)冷)預(yù)冷)PSA或TSA ,結(jié)構(gòu)形式為臥式,其中PSA|TSA ,結(jié)構(gòu)形式為臥式TSA,結(jié)構(gòu)形式為立式徑向流，立式純化系統(tǒng)| 是公司專利,分子篩需進(jìn)口| 徑向流是公司專利| 增壓透平膨脹機(jī)(氮氣或空氣膨脹》氮|增壓透平膨脹機(jī)(空氣膨脹》膨脹后空|氣膨脹后經(jīng)復(fù)熱作為產(chǎn)品氣,增壓部分增壓透平膨脹機(jī)(空氣膨脹2膨脹后| 產(chǎn)冷系統(tǒng)氣進(jìn)下塔;-部分增壓空氣被液態(tài)產(chǎn)品|氮經(jīng)吸熱液化后節(jié)流進(jìn)下塔作為回流液;空氣進(jìn)上塔;增壓空氣吸熱節(jié)流進(jìn)下氣冷凝后節(jié)流進(jìn)下塔作回流液若分子篩吸附器后氣體直接膨脹進(jìn)上塔,(若增壓過)空氣膨脹后氣體進(jìn)下塔冷量回收|高低壓板翅式換熱器繞管式換熱器| 組合式高低壓板翅式換熱器雙塔，上塔為規(guī)整填料塔,下塔為篩板|雙塔,上塔為規(guī)整填料,下塔為篩板塔,雙塔，上下塔均為規(guī)整填料,既可以| 精餾系統(tǒng)塔，上下塔垂直放置,上塔底部部分填上下塔同一水平放置垂直也可以水平放置,規(guī)整填料自己|料為銅材生產(chǎn)主冷|浴式主冷| 降膜式或浴式主冷| 浴式主冷冷箱內(nèi)構(gòu)件|繞管式換熱器為銅材,板翅式換熱器為繞管式換熱器為不銹鋼，管線與塔體為板翅式換熱器為鋁制，管線與塔體、材質(zhì)|鋁制,塔、管線為鋁制,低溫閥門為不鋁制,低溫閥門為不銹鋼低溫閥門均為不銹鋼銹鋼[產(chǎn)品輸送系統(tǒng)雙泵升壓送氧氮泵輸送氧，循環(huán)壓縮升壓送氮| 泵輸送氧,氮壓縮機(jī)升壓送氮|主空壓機(jī)及增壓機(jī)(德馬克、蘇爾壽) | 主空壓機(jī)及增壓機(jī)(德馬克、蘇爾壽)高低壓組合式換熱器、液氧泵、氣體| 進(jìn)口部分| 空壓機(jī)主油泵、膨脹機(jī)、低溫泵、純化|膨脹機(jī)、低溫泵、純化器控制閥門、分|調(diào)節(jié)閥、低溫閥、氧氣閥、DCS、 分|| 器控制閥門、分析儀表、控制系統(tǒng)析儀表、控制系統(tǒng)、高壓繞管式換熱器析儀 表及就地儀表|蒸汽透平(轉(zhuǎn)子進(jìn)口,定子國內(nèi)制造) |純化器、精餾塔主空壓機(jī)、蒸汽透平、增壓機(jī)、氮壓合資部分高壓板翅式換熱器、純化器、精餾塔| 國內(nèi)生產(chǎn)| 空壓機(jī)級間冷卻器、水冷卻塔、污氮塔、空壓機(jī)級間冷卻器、水冷卻塔、污氮塔、精餾塔及冷箱內(nèi)不銹鋼管、空氣過濾| 器、水冷卻塔、氮冷塔、低壓換熱器、電空氣過濾器、水泵、鋼結(jié)構(gòu)、吸附劑空氣過濾器、水泵、鋼結(jié)構(gòu)、吸附劑| 控設(shè)備、各種水泵、鋼結(jié)構(gòu)、吸附劑等| 熱力學(xué)性能.|差,且提取率低較差,且提取率低好,且提取率高(3)因國內(nèi)同類型空分裝置生產(chǎn)企業(yè)無制造液態(tài)產(chǎn)品滿足中國市場。我廠的空分裝置在滿足生業(yè)績,關(guān)鍵動設(shè)備(主空壓機(jī)、增壓透平膨脹機(jī)、產(chǎn)需求的氧氮同時,應(yīng)考慮滿足市場對液體產(chǎn)品的低溫泵)及冷箱內(nèi)的主換熱器等三公司都強(qiáng)調(diào)進(jìn)需求，經(jīng)濟(jì)效益肯定相當(dāng)可觀。因我們的裝置綜合口,主要是為保證裝置運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性。利用率高,產(chǎn)品單耗低,更有市場競爭力。若再上(4)純化器最好采用立式徑向流,臥式氣流分一套 500m2/h國產(chǎn)氬裝置(注”4萬”等級空分裝布不好,象九江、南化公司臥式純化器投用時間不置配的產(chǎn)氬裝置最大生產(chǎn)能力可達(dá)2000m3/h,進(jìn)長,均出現(xiàn)隔板脫落、隔網(wǎng)沖破等問題,處理困難口投資約60萬美元),僅液氬的銷售額就可達(dá)且影響其它主裝置的使用。純化器上的閥門及控制(1000~1500)萬元每年，而且氬裝置投用所增加系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)口。的能耗甚微。(5)氬系統(tǒng)的配備及預(yù)留抽口問題, A公司堅參考立獻(xiàn)中國煤化工。持要上就一齊上,B、C公司都答應(yīng)給氬裝置預(yù)留[1]玉縮流程、深冷技術(shù), 2001抽口,便于今后上氬系統(tǒng)。HHCNMHG(6)三大氣體公司均在國內(nèi)設(shè)有氣體公司,除[2]江楚標(biāo)譯.碳質(zhì)燃料生產(chǎn)合成氨的先進(jìn)低溫空分裝置.深冷技了在中國市場銷售空分設(shè)備以外,主要生產(chǎn)大量氣術(shù), 1999(5):9-11.Cryogenic Technology No 62002深冷技術(shù)2002 年第6期