煤气化配套空分设备流程的选择

专题综述文章编号: 1009-9425(200)03-000704煤气化配套空分设备流程的选择吴枫，闫文艳，阎承信(烟台化工设计院，山东烟台264001)摘要:结合煤气化工艺，详细分析了化肥工业、合成甲醇项目、多联产及合成油项目和ICCC发电项目等煤气化装置对空分设备的要求和流程选择，得出了各个项目适用的大型空分设备流程。关键词:大型空分设备;流程;煤气化.中图分类号: TB657.7文献标识码: AProcess selection of an air separation unitspecially designed for coal gasification projectWu Feng，Yan Wen-yan，Yan Cheng- xin( Yantai Chemical Designing Institue， Yantai 264001 ，Shandong， P. R. China)Abstract: On the basis of coal gasification industry and technological procedures, the requirements for air separationunits set by coal gasification systems in connection with chemical fertilizer industry， synthetic methanol project， multipleco-production and synthetic oil project and IGCC power generation project etc. and process selection are analyzed indetail. Finally the appropriate process of an air separation unit is worked out for each project.Keywords: Large - scale air separation unit; Process; Coal gasification前言装置和空分设备。由于国际上石油价格的上涨，洁净煤的利用受近年来，空分设备流程不断发展，一些卓有成.到了普遍的关注。为提高煤气化装置的生产能力,效的新技术被采用，如高效空气冷却塔、常温分子- - 般都选择氧气气化法。特别是我国为摆脱对进口筛净化空气、增压透平膨胀机、规整填料精馏塔、石油的依赖，确保能源安全，将建设一大批大型的膜式冷凝蒸发器、双沸腾主冷凝蒸发器、全精馏制煤炭液化(间接和直接液化)、煤炭化工和ICCC氩等，使全低压流程空分设备的制氧能耗已降至发电等项目，这些项目都需要建设煤气化装置，一0. 4kW.h/m'以下。装置投资的下降以及运行可靠些项目每年气化煤炭的能力要达到几百万吨，甚至性的提高，使深冷法空分设备被广泛应用于各领上千万吨，都要相应配套建设多套超大型的空分设域，特别是氧气消耗量较大的场合。变压吸附法空备。由于各行业生产工艺不同，对空分设备流程的分设备一般应用于氧气需求量低于3000m'/h 和对要求也不一样。氧、氮纯度要求不高的场合。我国的化肥工业也面临着原料改造的局面，将我国目前已能够独立设计和制造60000m/h等有一大批以渣油和轻油为原料的工厂改为煤炭为原级的全低压大型空分设备，已投运的有杭氧设计制料,一些远离无烟煤产区的中、小化肥厂，有的拟造的辽宁北台50000m'/h空分设备。同时，近年来改为烟煤或粉煤为原料，这些企业都要建设煤气化也成中国煤化工备，杭氧已完成设收稿日期: 2004-12-14YHCNMHG作者简介:吴枫(1966- ), 女，高级工程师，1985 年毕业于青岛化工学院，长期从事化工设计及管理工作。深冷技术2005年第3期Cryogenic Technology N3 2005专题综述吴枫，闫文艳，阎承信:煤气化配套空分设备流程的选择计制造了湖北枝江和安徽安庆的两套48000m'/h内粉煤气化技术，气化压力0.03MPa以下;③改为无压缩流程空分设备。在国外，内压缩流程空分设备烟煤富氧气化法，气化压力0.03MPa以下。的能耗要高于外压缩流程，但投资低于外压缩流- 般中小型氨厂的合成氨产量在20万t/a以程;在国内，如大型空压机用进口设备，则投资与下，由于工厂的规模及气化方法的不同，要求空分能耗均高于外压缩流程”。虽然如此，由于内压缩设备的氧产量一般为3000 ~ 20000m2/h，氧气纯度流程有很多优点，在一定的条件下选用还是具有95%以上;氮气(纯度99.999%)的需要量为0~优势。20000m'/h。由于气化压力接近常压，供氧压力低本文就如何配合煤气化工艺，选择空分设备流于0.1MPa。在这种情况下，宜选用自增压流程空程谈谈看法。分设备，即利用空分设备主冷凝蒸发器的位差产生1化肥工业对空分设备的要求及流程选择压力为0.05-0.2MPa的氧气，直接供气化炉使用。由于石油价格的飞涨，新建和改扩建的合成氨优点是省去了氧压机(或鼓风机)，设备运行的可工厂不再采用轻油或渣油为原料。采用石油焦为原靠性提高，供氧安全。当然，自增压流程空分设备需设置一台一体式空压机，即在空压机的末端增加料的工厂与以煤为原料的工厂的工艺过程基本一--段气缸，抽取部分空气，并将其压缩至0.7MPa;致，对空分设备的要求也大致相同。主要要求是:然后用这股空气去膨胀机制冷及与液氧进行换热，氧纯度≥95%，其中，氩含量越低越好;氮纯度≥使其蒸发以得到具有一定压力(0.05 ~ 0.2MPa)的99 999%;氮产量为氧产量的1.0~1.5倍;液体产氧气，其综合能耗与外压缩流程相差无几。品产量及氩等稀有气体产量依据当地市场和销售情对于有些工厂选用的气化压力为2.0~ 3.0MPa况而定。的气化炉(如Shell法，Lurgi 法等)，与其配套的1.1 大型合成氨厂(产量为30万t/a)空分设备选用自增压流程也有一-定的优势。因为自大型合成氨厂一般选用Texaco法或Shell 法,增压流程空分设备的氧气压力可达0.15MPa以上，Texaco法气化压力可达4.0MPa (G，下同)以上,当氧压机的终压为3.0MPa时，采用单缸高效透平Shell法只能达到3.5MPa，需要氧气量为3.5万~氧压机即可。这样，总功耗要比常规流程低，如4.0万m'/h, 要求氧气纯度95%以上;工艺氮气10000m'/h空分设备，能耗可减少260kWl2}。 同时，(氮纯度9999%)量约3000m’/h，以及部分安装置的投资和运行维护费用都较常规流程有所全和输送用氮(氮纯度99.9%)等。工艺氮气及降低。氧气的压力要求分别在3.5MPa及4.0MPa以上。与杭氧为安阳一飞利浦公司提供的一套之配套的空分设备应选择内压缩流程，因氧气压力.1000m'/h自增压流程空分设备，已于2002年10超过4.0MPa，透平氧压机难以达到，需要用活塞月在郑州经济开发区投人运行，空压机的末端压力氧压机接力，这种组合方式运行不是很安全。该内为0.7MPa,氧气产量大于10000m2/h, 压力达到压缩流程以采用高压氮(≥8.0MPa)循环为好，0. I6MPa,同时提供液氧500m'/h,液氩320m'/h。这样工艺氮气和循环氮气可以合用一台压缩机，虽实践证明自增压流程空分设备是可靠的，也是能耗较高压空气循环流程略高，但流程简单，操作现实可行的。方便。2合成甲醇项目对空分 设备的要求及流程另外，对于生产压力为3.0~4.0MPa的氧气，选择采用内压缩流程，空分设备的能耗和投资都较高，合成甲醇工厂对空分设备的要求与化肥工业有但主冷凝蒸发器和氧气输送系统比较安全，占地面所不同，氧气的纯度要求高(99.6%)， 而对氮气积小，且在需要较多液体产品和稀有气体销售量纯度要求不高，氮气主要用于安全、置换及吹扫时，占有一定优势。等，纯度99.9%即可，气量一般不超过氧产量。1.2 中小型氨厂改造置对空分设备流程有中国煤化工国内以无烟块煤常压气化的氨厂，改为用氧气如下气化的主要途径有:①改为灰熔聚法，以8mm以2.1PYHCNMHG下的粉煤为原料，气化压力0.03MPa;②改为恩德Texaco法气化炉的气化压力可达8.0MPa，对Cryogenic Technology No 32005深冷技术2005 年第3期吴枫，闫文艳，阎承信:煤气化配套空分设备流程的选择专题综述合成甲醇很有利。一般低压合成甲醇的压力为量为700m')。由于是联产工艺，氨和甲醇合成的5.0MPa左右，故选用6.5MPa气化压力的Texaco法尾气可以用于提H2和Co等，剩余的气体可以用气化炉。年产30万吨的甲醇厂需配置一套于ICCC发电。对供氧压力及空分设备流程的选择40000m'/h的空分设备，氧纯度99.6%，氮纯度应根据气化炉气化压力而定，请参见前面内容。99.9%，氮气量20000m’/h左右。3.2 煤间接液化合成石油配套空分设备应选用内压缩流程，在主换热器用煤气化生产合成气(CO+ H2)合成石油的中用高压空气与液氧换热。氮气由下塔抽取或进一气化压力为2.0~4.0MPa，合成油的尾气中含有步压缩供用户使用。H、Co、CH,等可燃组分，可以用于ICCC发电。2.2 用Shell法气化炉因此现代化的合成油工厂对氧气的纯度要求不高Shell 法气化炉的气化压力不宜太高，一般在(>95%)，氮气用于吹扫、置换及输送粉煤等，纯3.5MPa以下。30万t/a甲醇厂需配置一套度>99.9%即可。间接液化项目的氧气用量很大，35000m2/h的空分设备，氧纯度及氮气纯度要求同南非Sasol公司拥有15套空分设备，总制氧能力达2.1节。由于甲醇合成气中氮含量越少越有利，故120万m'/h,是世界上最大的氧气用户。Shell 法气化炉的粉煤输送不能用氮气，而需要改煤间接液化合成石油项目一般应选用全低压外为CO2等气体，所以对空分设备的氮气没有严格.压缩流程的空分设备。的要求。该项目在搞IGCC发电联产时，如果发电规模配套空分设备宜选用全低压外压缩流程。在这较大(200MW), 空分设备可考虑由IGCC的燃气透.种条件下，外压缩流程的运行费用和投资都较内压平压缩机抽取部分空气，搞整体化空分设备。详细缩流程低。但需要较多的液体产品销售量时，可考内容请参见第4节ICCC发电项目。虑选用内压缩流程。3.3 煤直接液化生产石油此外，用合成气直接合成二甲醚的工厂对空分煤直接液化生产石油的工厂，氧气主要用于煤设备流程的选择，可以参照上述甲醇工厂。气化制氢气，供液化煤加氢和精炼油品氢使用，一3多联产及合成油项目对空分设备的要求般加氢压力为15.0~ 30.0MPao及流程选择氢气从煤气化的合成气制取，可以用PSA法、多联产及合成油项目是以煤气化生产的合成气深冷法及甲烷化法制氢气。用前两种方法提氢对氧为原料搞多产品联产，包括电力的生产。这种项目纯度要求不严，而甲烷化法则要求氧气纯度为对空分设备的要求是:氧气纯度为95%以上;氮99.6%。氮气主要用于安全保护。气除合成氨生产需要外，主要作为输送、安全、吹煤气化方法以选用Texaco法和Shell法为宜,扫等使用，因此对纯度的要求不甚高，一般空分设备的流程及供氧压力根据煤气化炉压力确99.9%已足够，且用量低于氧气。这种工厂的规模.定，如果选Texaco法气化，压力在4.0MPa以上,都比较大，-般石油和化工产品的规模均在年产百.应选用内压缩流程。用Shell法应选用外压缩流程。万吨以上，否则形成不了规模经济。耗煤量都在直接液化法的氧气需要量少于间接液化法。250万/a以上，需要氧气量在几十万m'/h以上,4IGCC发电项目对空分设备的要求及流程要建设多套大型空分设备才能满足需要。空分设备选择流程的选择需根据气化炉的压力及有关工艺的要用煤气化和燃气轮机联合发电是当前较现实、求，进行多方案的比较及可行性研究，才能得出最效率最高的洁净煤利用技术。由于燃气轮机需要的佳方案。燃气压力在2.0MPa左右，所以煤气化炉的压力一3.1 煤气化联产合成氨、甲醇及发电等般在3.0MPa以下。现在一般认为Shell法用于这样的工厂对空分设备的要求基本与合成氨厂ICCC发电具有较大的优势。一个300 ~ 400MW的相同，对氧气纯度无严格的要求(95%以上)，要IGC中国煤化工~ 7000 /h的空分求提供部分纯度较高的氮气(99.999%), 数量根设|fYHCN MH G压力一般在3.5MPa .据合成氨的生产规模而定(每吨合成氨氮气的消耗以下。氮气用于输送煤粉，纯度>99.9%，气量约深冷技术2005 年第3期Cryogenic Technology No 32005专题综述吴枫，闫文艳，阎承信:煤气化配套空分设备流程的选择为2000m’/h,输送压力为5.0MPa;还需要少量气气透平膨胀机发电，可节省电耗约25%”。封和安全用纯氮，压力0.4~ 0.7MPa;纯度约98%表1独立空分设备与升压空分设备能耗的比较的污氮被用于回注燃烧室及燃气轮机，压力为独立空分设备升 压空分设备2.0MPao制氧电耗/kW36904690IGCC发电项目配套的空分设备有三种形式:电能回收/kW1860①独立空分设备:空分设备用的空气全由自配的空净需电量/kW2830压机供给;②部分整体空分设备:空分设备用的空气部分自供，部分由燃气透平压缩机供给;③完全由此可看出升压空分设备节能的潜力，因而升整体化空分设备:空分设备用的空气全部由燃气透压空分设备可能是今后空分设备发展的重要方向。平压缩机供给。为提高IGCC的整体效率，空分设备中多余的5展望氮气，应回流到燃气透平膨胀机发电，故要求氮气.煤气化项目可能是今后氧气用量最大的潜在用出空分设备的压力越高越好，为此空分设备的流程户，以合成油(间接液化)项目用量为最多，一个应有所改动。为IGCC配套的空分设备流程有:①500万t/a的合成油工厂，大约需要120万~ 130万全低压空分设备流程;②利用燃气透平压缩机抽气m'/h的氧气，按目前国外能制造最大的规模空分压力(1.1~ 1.5MPa) 的升压空分设备流程')];③设备计算，需10~11套。直接液化需要的氧气量带液氧泵的内压缩流程和带高压空气膨胀机及剩余小于间接液化项目，一个500万l/a的直接液化项氮气膨胀机的多种流程。目大约需30万~40万m'/h 的氧气量; 100万/a通过几个示范装置的多年试运行，综合各方面甲醇的煤化工项目大约需12万m'/h; 400MW ICCC的利弊，现普遍认为采用部分整体化的升压空分设发电项目需7万m'/h。备较为有利。这样，既利用了燃气透平压缩机的余我国如在今后的15~ 20年间建设5~6个煤液力(现燃气透平压缩机都是按燃料油或天然气设计化项目、8~ 10个煤化工项目、15~20个ICCC发的，在改用燃烧低热值的煤气时，透平压缩机的空.电项目，需要的空分设备数量是相当大的。有关部气量有多余)，又不影响空分设备独立起动的灵活门及行业应抓住这个机遇，尽早准备。要立足于国性，并使空分设备出口的氧、氮压力提高，使内，开发自己的技术，向大型化、高效率、高可靠ICCC的整体效率得到了提高。性方向发展，并应与项目的整体相结合，开发适用升压空分设备的优势是空分设备的体积大大缩于不同行业的机组。目前空分设备通用机组的纯度小，有利于运输和建设，节省材料和投资，特别是为99.6%的氧气产品是适应冶金工厂的要求，对氮、氧透平压缩机。由于出空分设备的压力在于煤气和其他行业，未必是最经济的纯度。特别是0.3MPa以上，用单缸高效的透平压缩机即可将氮超大型的装置和设备，产品的纯度对设备的造价及气、氧气压力升至2.0-3.5MPa，运行安全可靠,运行费用影响极大，应通过模拟优化确定各行业适操作维护简单。宜的产品浓度，设计和制造适用于不同行业的空分但升压空分设备也有不利之处，加工空气压力设备，以满足煤气化等用户的需要，提高国际竞争升高后对氧、氮的分离不利，这意味要增加塔板。.力。目前空分设备多采用规整填料塔，在ICCC对氧、参考文献:氮纯度要求不高的条件下，这个问题不难解决。- - [1] 倪剑刚.内压缩还是外压缩一关 于如何选择大型空:般升压空分设备的压力在1.5MPa较为适宜。.分设备流程的一些看法[J].深冷技术，2003，(5):应该看到，升压空分设备在与整体系统很好结11~ 14.合的情况下，具有很大的优势。如一套氧产量[2] 蒋毅.自增压流程空分设备的研究与应用[J].深冷8750m'/h (300t/d)、 产品氧纯度95%的空分设备,中国煤化工循环发电的结合方式在采用0.6MPa的低压流程(独立空分设备)和采用1.1MPa的升压空分设备流程相比，后者如果利:fYHC NMH G, (2): 1~5.用废热将0.3MPa的氮气加热到250，然后去燃，10●Cryogenic Technology No 32005深冷技术2005 年第3期