煤化工项目配套空分技术的选择

　　[摘 要]煤化工的基础是煤气化，煤气化技术是实现煤炭综合利用以及洁净煤技术的重要手段，该系统需要一定比例的氧气、水蒸气与煤中的碳进行一系列反应，生成CO及H2。空分装置为煤气化系统提供作为气化剂的氧气、惰性保护及气力输送的氮气。不同煤气化工艺的最终产品、工作温度及压力，决定了空分装置的氧气、氮气压力及产品量。目前国内成功投运最大的空分装置产氧量为10×104m3/h，变负荷范围在75%到105%。随着煤化工项目大型化发展，项目一般需选用几套空分设备联合供气，配置单套生产能力大、系列少的空分设备，具有投资成本少、建设周期短等特点，但对设备的连续稳定性要求较高；而配套多系列、产能小的空分设备，可在单系列空分设备故障停车时，其他系列保持运行，保证后续生产装置低负荷运行，避免由于氧气或氮气中断而引起全厂联锁停车。
　　[关键词]煤化工；项目配套；空分技术
　　中图分类号：S793 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）24-0048-01
　　1 空分技术在煤化工的应用
　　随着煤气化技术的进步，现代煤气化向高压化和大型化发展，从而实现能量高效回收利用，降低合成气压缩能耗或实现等压合成，降低能耗及生产成本。不同煤气化技术主要工艺性能参数见表1。
　　不同的气化炉因工艺及适应的煤种不同，对氧的需求也不同。由表1可看出，气流床的耗氧量最高，其次是流化床，固定床的耗氧量最低。对于同等规模的煤气化装置，采用气流床工艺需配套的空分设备规模最大。煤化工项目规模不断增大，必然需要配套大容量的空分设备，提供足量的氧气，以保证气化装置获得理想的碳转化率。通常40×108m3/a煤制天然气项目，空分装置需提供30×104m3/h～80×104m3/h的氧气量，其中固定床碎煤加压气化技术需提供30×104m3/h的氧气量，德士古水煤浆气化技术需提供80×104m3/h的氧气量，需配套设置5～13套6×104m3/h等级的大型空分设备。国家发改委核准第一批煤制天然气示范项目配套空分设备情况见表2。其中，内蒙古汇能煤化工有限公司（内蒙古汇能）煤制天然气项目采用德士古水煤浆气流床加压气化工艺，而内蒙古大唐国际克什克腾旗（大唐克旗）煤制天然气项目、新疆庆华煤制天然气项目及辽宁大唐国际阜新（大唐阜新）煤制天然气项目均采用由赛鼎工程有限公司开发的固定床碎煤加压气化工艺。
　　2 空分设备流程选择
　　2.1 常压煤气化工艺配套空分设备的流程选择
　　常压煤气化技术以富氧空气为气化剂，气化炉内压力一般不高于25kPa。考虑到管网的压力损失，要求出空分设备的氧气压力在3080kPa左右，可以选择外压缩流程空分设备或自增压流程空分设备。外压缩流程空分设备通过提高空压机的排气压力，使空分设备生产的氧气压力达到工艺要求，此流程能耗高。后改为不直接提高空压机的排气压力，由空分设备生产压力为1215kPa的低压产品氧气，经氧压机增压至所需压力后输入用户管网。这种流程配置需增加氧压机投资和运行维护成本。氧气自增压流程通过提高液氧蒸发器中汽化氧气的压力，使出空分设备的产品氧气压力达到4060kPa。此流程即不增加能耗，又节省投资，且操作简单。
　　2.2 加压煤气化工艺配套空分设备的流程选择
　　空分设备产品氧气的压力由气化炉的压力决定。水煤浆加压气化工艺的原料煤经磨制成水煤浆后由泵送进气化炉，有利于提高气化炉压力。而干法进料气化压力的提高幅度有限，相应的气化炉压力不高。一般情况下可以根据工艺需要进行压力选择，以方便下游多种压力工艺气体的使用。如用于合成甲醇、醋酸项目，氧气压力67MPa较为适宜。这样后序工艺不需再增压，节省中间压缩的工序，降低能耗。从目前市场上气化炉设计压力可以看出，水煤浆气流床气化工艺对氧气压力的要求最高，可达10MPa，使通过氧压机压缩实现的外压缩流程变得既不安全，也没有相应的氧压机可供选择，必须将液氧由液氧泵加压后，在换热器复热后出冷箱得到。
　　3 空分设备关键配套部机的选择
　　3.1 大型压缩机组
　　对于煤化工行内压缩流程来说，空分设备必须设置增压系统，这样才可以保证为高压液氧提供热高压气体。一般来说，煤化工空分设备的规模都非常大，因此，原料空压机组和增压机组的规模应当与之相对应。在这种状况下，大型煤化工配套的空分设备的流量应当在20万m3/h，有时甚至可能翻倍。
　　按照现在国际标准，如果煤化型空分设备的流量在55000m3/h以下，应当采用等温离心压缩机。如果流量达到了10万m3/h，则需要采用单缸外冷轴流加离心等设备。
　　空分压缩机可以采用进口导叶调节器，这样可以在驱动机转速不变情况下有效获得入口流量。以往的调节机主要采用直线形成气动，从而使得执行器可以被驱动。其结构主要是平行四连杆机构，但这种结构的功率消耗过大，部件也非常多，精度和匹配难度也非常高，仅仅限于曲柄连杆结构，容易造成传动锁死。因此，可以采用锥齿轮、锥齿圈相结合方法，不断调动角度，使得运动机结构更加简单，精度也更加准确，安装也更加方便。
　　3.2 分子筛吸附器
　　对于煤化工型设备来说，其空分设备的处理器量非常大，因此需要大型的分子筛吸附器。笔者通过观察，为煤化工项目的配套国外引进空分设备，这些设备通常采用立式径向流分子筛吸附器。例如液化空气采用双床层结构，空气化工产品采用三层床结构。
　　3.3 离心式高压低温液体泵
　　对于煤化工空分设备来说，其最大的一个特点在于使用了离心式高压低温液体泵，这样可以使得压力显着提升。对于离心式高压低温液体泵来说，由于其输送的都是低温液体，在输送的过程中也能保持一定的低温，因此一旦吸收了周围的热量，可以使得泵内的低温液体大量气化，从而使得泵的工作受到影响。因此，最近对离心式高压低温液体泵在很多方面都具有特殊的要求，例如结构、安装、运行等等方面。在这方面，国外的起步比我国要早。在现有的煤化工型空气分工设备中，许多产品还需要依靠进口，而且价格非常高昂。与之配套的服务设施常常不及时，这就给我国生产带来了极大的阻碍。经过我国科研人員的多年攻关，已经成功研制出了适合我国发展的离心式低温液压泵，并在各项数据考核中获得了圆满的成果，这使得我国煤化工用户在高压泵上又多了一个选择。
　　3.4 大型精馏塔
　　对于煤化工空分装备来说，装备的精馏塔体积也非常大。一般来说，50000m3/h的空分装备需要4000mm。在运输的过程中，如此庞大的尺寸常常给运输带来了困难。为了使得运输更加便捷，对于80000m3/h等级以上的空分设备精馏塔，应当将其尽量控制在4800mm以下。在进行安装时，可以采用上塔落地布置，主冷独立布置方法进行安置。
　　4 结语
　　随着煤化工产业的发展，现代煤气化向高压化和大型化发展，从而实现能量高效回收利用。煤化工项目规模不断增大，必然需要配套大容量的空分设备，提供足量的氧气，以保证气化装置获得理想的碳转化率。应针对各种煤气化技术对氧气、氮气产品规格的要求，选择与其相配套的空分设备，并对空分设备核心单元部机进行优化，以满足装置长期、稳定、高效生产。
　　参考文献
　　[1] 李化治，孙淑凤，张华涛.煤化工配套空分设备特点综述[J].深冷技术，2014（07）：1-6.
　　[2] 孙宇，徐磊，孟松涛.大型煤化工项目配套空分装置方案比较[J].煤化工，2015，43（02）：49-52.
　　[3] 张建府.大型煤化工空分技术与设备发展现状[J].煤化工，2012，40（03）：10-12+15.

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