煤气化工程配套"4万"等级空分流程比较

设计制造文章编号: 1009-9425 200206-0011-04煤气化工程配套”4万”等级空分流程比较方明(中石化安庆分公司化肥厂原料车间,安徽安庆246002 )摘要:就煤气化工程配套的”4万”等级空分装置与三家气体公司进行了交流。文章介绍了三家公司分别推荐的内压缩流程的特点及流程中一些问题的解决措施;最后,粗略分析了三种流程的优缺点。关键词:大型空分设备;流程;内压缩;比较中图分类号: TQ116.11文献标识码: 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中石化安庆分公司拟进行”煤代油”工程改备投资。造,需对煤气化配套”4万”等级的空分装置。(2)空气中杂质( H20、 CO2、 C2H2等)清除2001年分别同三家气体公司进行了技术交流(以采用PSA或TSA,其中PSA是该公司专利,但PSA下简称A、B、C公司),这三家公司都推出了他们用分子筛需进口。PSA 属于无热再生,再生的电耗20世纪90年代至今在空气分离方面的新技术，都或蒸汽为零，相当于节省空压机能耗4% ~ 5% ,倾向于”化工型”的空分内压缩流程, 但有技术上且分子筛工作温度不变,寿命延长;但切换时空气的差异,尤其是流程组织上的差异,导致空分装置损失大,噪声大,对切换阀质量要求高。在投资、能耗、产品提取率等方面的不同。下面就(3)精馏塔上塔为填料塔，下塔为筛板塔,上技术交流中了解的情况作-介绍和比较。下塔垂直放置,冷箱高度约为68米。从安全角度1 A公司情况考虑,上塔底部填料采用铜填料。1.1 流程特点中国煤化工氩,粗氩塔为填料塔,( 1)主空压机与空气增压机同轴驱动,减少设但要MYHCNMHG虑工质的流向。收稿日期: 2002-07-13作者简介:方明(1966-),男,工程师,1989年毕业于天津商学院制冷工程系。深冷技术万2027年第6期Cryogenic Technology No6 2002设计制造方明:煤气化工程配套”4万”等级空分流程比较(5)氧氮产品均采用内压缩,即所谓"双泵流为氧化铝,第二层为13X分子筛。对交流过程中程”，用液氧泵、液氮泵取代氧压机、氮压机，而提出的氧化亚氮对空分安全性的影响, B公司准备且用-台蒸汽透平驱动主空压机和复热液氧、液氮采取以下安全设计:①增加分子筛量以除去氮氧化所需的增压机。有关文献介绍,年产30万吨合成物;②主冷凝器液氧打循环;③液氧内压缩,实现氨所配空分装置采用此流程可减少投资200万氮氧化物和烃类连续排放。美元。(3)主冷采用降膜式蒸发器。在交流过程中，1.2 流程中一些问题的考虑我们请他们就浴式主冷与降膜式主冷在安全性方面(1)主冷不采用降膜式蒸发器。尽管降膜式蒸的差异进行比较时,他们坚持使用降膜式主冷,理发器的最大特点是传热效果好、传热温差小节由如下:①安装方式的变化,蒸发器不是在塔内,能,但这种蒸发器可导致氧化亚氮和碳氢化合物积而是外置,即使出现主冷爆炸的能量也不会影响主聚,因此A公司建议采用浴式主冷凝蒸发器,同塔;②与浴式主冷相比,降膜式主冷换热系数大,时还要保证一定的液氧液位。另外从安全角度考传热温差小，可达△t=1°C ( -般板式达1.5C~虑，上塔底部相当于3~ 5等当量塔板高的填料不2C),这样可节省空压机轴功率2% ~3% ;③氧采用铝填料,而是采用不易燃的铜填料。这样,主化亚氮易堵塞,出现干蒸发,导致烃类物质积聚冷万一发生局部爆炸,不致于导致铝填料二次爆产生爆炸,这点可通过加大循环蒸发量来克服,即炸,从而保证上塔的安全。提高L/V(L指流入蒸发器的液氧量,V指蒸发的(2)内压缩流程提高了主冷的安全性,同时烃气氧量),一般控制在2.5~3.0。类物质也不会在主换热器中积聚。由于从塔内大量(4)空分塔.上塔为规整填料塔，下塔为筛板取出液氧,相当于液氧100%排放,烃类等杂质在塔,氩系统为全精馏无氢提氩,可以预留抽口, 暂主冷中浓缩的可能性大大降低。据文献介绍,压力时不上氩装置。上不 上由用户自己定。在3bar以上时烃类杂质在氧中的溶解度较大。我(5)有一组送至主冷的液氧输送泵,这样使厂产品氧压力为4.6MPa，A公司认为烃类杂质在上、下塔能布置在同一水平面上,实现平行设计,主换热器内不会浓缩,运行相当安全。降低了冷箱高度,也便于安装。(3)在线分析及监控系统。由于空气中杂质水(6)空分装置设计标准化,冷箱组件设计成模和二氧化碳在低温下易冻结、堵塞换热通道及塔板块式。模块既用于换热器、压力塔,又用于低压塔筛孔,影响空分装置的安全与经济运行。因此对杂及氩装置。制造成本低,使用价值提高。质的监控较重要,主要有以下5方面:①空气中烃2.2 流程中-些问题的考虑类物质的检测;②分子筛吸附器出口空气中二氧化( 1 )采用单泵还是双泵内压缩流程。B公司介碳含量分析、露点分析,判断分子筛吸附器工作质绍他们从能耗和投资等诸多方面比较,认为单泵内量的好坏;③对TSA还设置了蒸汽再生加热器出压缩流程更经济。若高压氮用量不大,用液氮泵较口露点分析;④所有产品(氧、氮、污氮)的纯度合适,即双泵内压缩流程,投资少。若氮气、氧气分析;⑤设置了空压机、增压透平膨胀机流量调节内压缩量均较大,需要大量的增压空气复热,这样换热器中易出现提前液化的情况,降低设备效率,系统等。.热力学效率低,因此对于氧气已采用内压缩流程2B公司情况的,氮气输出方式视量定。2.1流程特点(2)从安全角度考虑主冷及空分塔的材质问( 1 )主空压机为齿轮传动径向流组合式，与增题。"中国煤化士塔与低压塔分开设计,压机分开,为空气膨胀循环;若采用氮膨胀循环,并列MHCNMH 昨也可避免二次爆炸。可以将产品氮压机与循环气压缩机合二为一,可节马来四业工力议笛燎F机定低压塔在主冷之上,主省投资对氮气压力等级要求较多的用户较适宜。冷爆炸引起二次爆炸。B公司认为各种材料对爆炸(2)分子筛吸附器为卧式、双层吸附,第-层的区别在于引发其爆炸所需的激活能不同。但空分Cryogenic Technology No 62002深冷技术2002 年第6期方明:煤气化工程配套”4万”等级空分流程比较设计制造主冷爆炸的能量远远超过所有金属的激活能,因此氢化合物积聚的危险程度。-般来说,积聚系数小二次爆炸不仅仅是材质问题。于10,比较安全;若积聚系数大于50,塔填料要(3)在线分析及控制系统。分子筛吸附器的出考虑用铜填料,或采取将下塔与上塔隔开措施。内口设在线分析仪,分析吸附后空气中二氧化碳含压缩流程的冷箱内积聚系数为5,而外压缩流程为量;红外线氧化亚氮分析仪分析液氧中氮化物含500 ,因而内压缩流程安全得多。量;污氮、氧、氮产品纯度分析仪分析氧含量等。(3)采用浴式主冷,同时对浴式主冷的结构进主要控制回路:纯化系统、主冷循环蒸发控制系行了改进,板间距通道确保5mm,加大波距,如翅统、压力塔、低压塔液位控制系统等。片的密度不超过8波每英寸(以前10波每英寸)3C公司情况3.2.2低温液体贮槽的配备问题3.1 流程特点是否配备低温液体贮槽,主要是根据后续装置( 1 )冷箱内的管线、阀门、塔体均采用奥氏体对空分装置的依赖性,若空分出现故障停车几小时不锈钢材质,弹性好,焊接性能好,且有改造余对其它装置无影响,可以不配备;但考虑将来的液地;冷箱内采取焊接结构使冷箱内法兰数减到最体市场及其它主装置的联运,应考虑配备, C公司少;铝制换热器封头与不锈钢连接采用特殊的双金在这方面反复提醒。低温液体贮槽国内可以生产,属接头( C公司专利);采用无氢提氩技术等。象杭氧、川空都有200m3 ~ 500m3规格以上贮槽的(2)采用立式径向流双层床吸附器。据介绍该制造业绩,并给这三大气体公司配套过。吸附器是C公司专利。它具有以下优点:①占地3.2.3在线分析面积小;②因减少了气流阻力而节能;③对装置规考虑到新建空分装置坐落于石化工业区域,应模变化适应性大;④防止床层流化态,内格栅采用作如下考虑设置在线分析:①设一只分析仪监测吸圆柱体几何形状,相对于卧式不易脱落;⑤可延长附器进口处空气中的碳氢化合物含量;②吸附器出分子筛使用寿命,装置节能0.7%。口设一只二氧化碳分析仪,由于分子筛吸附杂质顺(3)上、下塔均采用填料塔。由于高效分布器序为H20>C2H2>CO2,若二氧化碳含量达(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 ,则水和乙炔的含量均应在指标范围内。高的缺点,操作弹性可达50% ~ 100%。4三家气体公司推荐空分流程比较(4)板翅式换热器的使用。我们提出用氧的压2] 4.1三家 气体公司推荐空分流程比较(见表力为4.6MPa,C公司极力推荐高压换热器采用板1)翅式。因板翅式换热器最大工作压力等级已达4.2空分装置其他方 面比较9.0MPa,能满足要求;而绕管式换热器体积大,(1) A公司设备投资最省,但热力学性能差,制造复杂,价格不便宜。板翅式用于多股流换热比运转费用高,尤其是能源价格较高地区的用户要权绕管式更方便。衡投资与运转费用的利弊。B公司将循环压缩机与.(5)氧产品输出采用内压缩,氮产品输出高压产品压缩机结合起来,设备投资节省,且方便了要部分也采用内压缩,中压部分仍采用氮压机外压求氮气产品多样性的用户, 但氧氮提取率低。C公缩,这样装置热力学性能趋于合理,装置运行工况司流程热力学性能好,且氧氮提取率高,但要增加较理想。氮压机投资,若能实现该机国产化,也较为理想。3.2 流程中-些问题的考虑(2)在主冷安全性方面,三大气体公司都较重视这方面研究,尤其越来越重视氧化亚氮对空分装3.2. 1空分的安 全问题(1)据C公司介绍,空冷系统中空冷塔的上部置的影响。B公司仍坚持采用降膜式主冷,除非用采用低温冷冻水直接接触,闭路循环;下部采用循户有特殊要求，而A、C公司都建议采用浴式主环水间接冷却,避免其他装置泄漏溶解至循环水中冷。中国煤化工E冷有优势,但安全方面有YHCNMHG论方面的研究世界领的氨类、烃类物质二次污染空气,降低进分子筛吸先,据介绍降膜式主冷的弊端可通过加大循环蒸发附器空气中的杂质含量。量来克服。但从我国的使用情况看, 的确存在潜在(2)空分装置用”冷箱内积聚系数”来衡量碳的不安全性,应慎用降膜式主冷。深冷技术万262年第6期Cryogenic Technology No6 2002设计制造方明:煤气化工程配套”4万”等级空分流程比较表1三家气体公司推荐空分流程比较项目A公司B公司c公.司空压机| 单轴离心式,主空压机与增压机同轴齿轮式、串联式或径轴流组合式单轴离心式驱动|蒸汽驱动(高压或中压待定)蒸汽驱动(高压或中压待定)蒸汽驱动(中压4. 1MPa)「流程形式| 双泵内压缩流程单泵或双泵内压缩流程|单泵内压缩流程| 循环介质| 空气空气或氮气空气| 循环介质增压空气增压机空气增压机或循环氮压机|空气增压机部分接触式空冷塔(氮、水冷塔+氨| 预冷系统|接触式空冷塔(氮、水冷塔+氨预冷)|接触式空冷塔(氮、水冷塔+氨预冷)预冷)PSA或TSA ,结构形式为卧式,其中PSA|TSA ,结构形式为卧式TSA,结构形式为立式径向流，立式纯化系统| 是公司专利,分子筛需进口| 径向流是公司专利| 增压透平膨胀机(氮气或空气膨胀》氮|增压透平膨胀机(空气膨胀》膨胀后空|气膨胀后经复热作为产品气,增压部分增压透平膨胀机(空气膨胀2膨胀后| 产冷系统气进下塔;-部分增压空气被液态产品|氮经吸热液化后节流进下塔作为回流液;空气进上塔;增压空气吸热节流进下气冷凝后节流进下塔作回流液若分子筛吸附器后气体直接膨胀进上塔,(若增压过)空气膨胀后气体进下塔冷量回收|高低压板翅式换热器绕管式换热器| 组合式高低压板翅式换热器双塔，上塔为规整填料塔,下塔为筛板|双塔,上塔为规整填料,下塔为筛板塔,双塔，上下塔均为规整填料,既可以| 精馏系统塔，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,规整填料自己|料为铜材生产主冷|浴式主冷| 降膜式或浴式主冷| 浴式主冷冷箱内构件|绕管式换热器为铜材,板翅式换热器为绕管式换热器为不锈钢，管线与塔体为板翅式换热器为铝制，管线与塔体、材质|铝制,塔、管线为铝制,低温阀门为不铝制,低温阀门为不锈钢低温阀门均为不锈钢锈钢[产品输送系统双泵升压送氧氮泵输送氧，循环压缩升压送氮| 泵输送氧,氮压缩机升压送氮|主空压机及增压机(德马克、苏尔寿) | 主空压机及增压机(德马克、苏尔寿)高低压组合式换热器、液氧泵、气体| 进口部分| 空压机主油泵、膨胀机、低温泵、纯化|膨胀机、低温泵、纯化器控制阀门、分|调节阀、低温阀、氧气阀、DCS、 分|| 器控制阀门、分析仪表、控制系统析仪表、控制系统、高压绕管式换热器析仪 表及就地仪表|蒸汽透平(转子进口,定子国内制造) |纯化器、精馏塔主空压机、蒸汽透平、增压机、氮压合资部分高压板翅式换热器、纯化器、精馏塔| 国内生产| 空压机级间冷却器、水冷却塔、污氮塔、空压机级间冷却器、水冷却塔、污氮塔、精馏塔及冷箱内不锈钢管、空气过滤| 器、水冷却塔、氮冷塔、低压换热器、电空气过滤器、水泵、钢结构、吸附剂空气过滤器、水泵、钢结构、吸附剂| 控设备、各种水泵、钢结构、吸附剂等| 热力学性能.|差,且提取率低较差,且提取率低好,且提取率高(3)因国内同类型空分装置生产企业无制造液态产品满足中国市场。我厂的空分装置在满足生业绩,关键动设备(主空压机、增压透平膨胀机、产需求的氧氮同时,应考虑满足市场对液体产品的低温泵)及冷箱内的主换热器等三公司都强调进需求，经济效益肯定相当可观。因我们的装置综合口,主要是为保证装置运转的可靠性。利用率高,产品单耗低,更有市场竞争力。若再上(4)纯化器最好采用立式径向流,卧式气流分一套 500m2/h国产氩装置(注”4万”等级空分装布不好,象九江、南化公司卧式纯化器投用时间不置配的产氩装置最大生产能力可达2000m3/h,进长,均出现隔板脱落、隔网冲破等问题,处理困难口投资约60万美元),仅液氩的销售额就可达且影响其它主装置的使用。纯化器上的阀门及控制(1000~1500)万元每年，而且氩装置投用所增加系统应进口。的能耗甚微。(5)氩系统的配备及预留抽口问题, A公司坚参考立献中国煤化工。持要上就一齐上,B、C公司都答应给氩装置预留[1]玉缩流程、深冷技术, 2001抽口,便于今后上氩系统。HHCNMHG(6)三大气体公司均在国内设有气体公司,除[2]江楚标译.碳质燃料生产合成氨的先进低温空分装置.深冷技了在中国市场销售空分设备以外,主要生产大量气术, 1999(5):9-11.Cryogenic Technology No 62002深冷技术2002 年第6期