雷霽霞 楊亞芝 中國(guó)寰球工程公司 北京 100012

隨著煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，裝置規(guī)?；?、設(shè)備大型化，空分裝置作為煤化工項(xiàng)目中配套的核心部分，單套空分規(guī)模不斷加大，總規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。某4000kt/a 煤炭間接液化項(xiàng)目中配置12 套1.005 ×105Nm3/h 的空分設(shè)備為全廠提供氧氣和氮?dú)饧耙后w產(chǎn)品。如此特大型的空分裝置并不是簡(jiǎn)單的設(shè)備放大，無論是流程選擇、設(shè)備制造還是工程設(shè)計(jì)都面臨著許多關(guān)鍵的技術(shù)問題。

針對(duì)煤化工中空分裝置的大型化，探討空分裝置工程設(shè)計(jì)中的總體設(shè)計(jì)方案，從設(shè)計(jì)院的角度對(duì)空分裝置的規(guī)模確定、流程及設(shè)備特點(diǎn)、空分裝置與氣化爐的匹配、氧氣及高壓蒸汽管道的系統(tǒng)連接和配置方案、空分總平面布置、二氧化碳排放影響及污氮排放分布等進(jìn)行分析研究。

1 裝置規(guī)模的確定

空分裝置總體設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是確定裝置規(guī)模及產(chǎn)品規(guī)格。煤化工項(xiàng)目中氧氣作為氣化劑和反應(yīng)原料，煤氣化對(duì)其需求是巨大的，因此空分裝置的規(guī)模以氧氣量來定義。

1.1 氧氣能力及規(guī)格的確定

煤化工項(xiàng)目中，氧氣的主要用戶是煤氣化裝置，其它裝置或有不多的需求，在氧氣用量統(tǒng)計(jì)時(shí)，其規(guī)模的確定是根據(jù)煤氣化裝置及其它用氧裝置的最大用量進(jìn)行疊加，再綜合實(shí)際運(yùn)行中煤質(zhì)的變化及用氣裝置的負(fù)荷調(diào)節(jié)，考慮一定的設(shè)計(jì)裕量。氧氣的純度應(yīng)符合用戶要求，通常為氧含量(體積比)大于或等于99.6%。氧氣的壓力則取決于煤氣化的工藝和爐型，煤化工項(xiàng)目的用氧壓力比較高，一般在4.0 ～9.0MPa (G)的壓力范圍。

1.2 氮?dú)饽芰耙?guī)格的確定

需求氮?dú)獾难b置較多，壓力等級(jí)多樣。根據(jù)氮?dú)獾挠脷馓攸c(diǎn)，應(yīng)按照不同的壓力等級(jí)匯總氮?dú)庥昧?。氮?dú)庖?guī)模的確定是根據(jù)全廠各生產(chǎn)裝置及輔助設(shè)施的正常用量(連續(xù)用量)，再由各裝置使用氮?dú)獾奶攸c(diǎn)，如最大用量的頻率等，疊加幾個(gè)氮?dú)庵饕脩舻淖畲笥昧?間斷用量)與其正常用量的差值，在此基礎(chǔ)上依據(jù)廠區(qū)的面積及管線輸送距離，可考慮一定的管網(wǎng)損失。氮?dú)獾募兌葢?yīng)符合用戶要求，通常為氮含量(體積比)大于或等于99.99%。氮?dú)獾膲毫筛鶕?jù)用戶的要求，再綜合確定為幾個(gè)主要的壓力等級(jí)。

1.3 液體產(chǎn)品能力的確定

液氧、液氮的能力應(yīng)根據(jù)用戶的需求和空分裝置自身液體后備系統(tǒng)的要求來確定。大型煤化工項(xiàng)目中，空分裝置的套數(shù)相對(duì)較多，考慮當(dāng)單套空分裝置事故時(shí)，液體后備系統(tǒng)應(yīng)能滿足短時(shí)間的氧、氮?dú)獾墓?yīng)和安全保護(hù)。不同的項(xiàng)目可根據(jù)全廠的用氣特點(diǎn)、空分裝置的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)對(duì)液體產(chǎn)品的能力進(jìn)行統(tǒng)一考慮。其它稀有氣體如氬氣、氪氣等的提取與否，需考慮投資成本及周邊的市場(chǎng)需求等因素確定。

總體設(shè)計(jì)階段，根據(jù)產(chǎn)品的能力和規(guī)格的確定，列出不同工況下空分裝置的預(yù)期能力，基本完成空分裝置的規(guī)模定義，在此基礎(chǔ)上才能開展流程及設(shè)備選擇、總圖布置等其它總體設(shè)計(jì)工作。

2 流程及設(shè)備特點(diǎn)

不同的項(xiàng)目空分裝置的流程及設(shè)備配置都會(huì)有所不同，就大型煤化工項(xiàng)目而言，其流程和設(shè)備的主要特點(diǎn):

(1)流程多樣化。大型煤化工項(xiàng)目中對(duì)氧氣的需求量大且壓力通常為4.0 ～9.0MPa (G)，因此空分均采用內(nèi)壓縮流程。但由于采用的煤氣化技術(shù)的不同，氧氣、氮?dú)庥昧考皦毫Φ燃?jí)區(qū)別很大，空分的流程形式多樣化，是采用空氣循環(huán)流程還是氮?dú)庋h(huán)流程等問題，應(yīng)依據(jù)項(xiàng)目針對(duì)性設(shè)計(jì)。

(2)大型機(jī)組集成化。原料空氣壓縮機(jī)和增壓壓縮機(jī)由一臺(tái)雙軸輸出汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，甚至可以再拖動(dòng)一臺(tái)氮?dú)猱a(chǎn)品壓縮機(jī)。大流量壓縮機(jī)采用軸流加離心式。原料空氣壓縮機(jī)與增壓機(jī)、汽輪機(jī)共用一套潤(rùn)滑油系統(tǒng)。

(3)采用空冷式冷卻。通常煤化工項(xiàng)目廠區(qū)地處缺水地區(qū)，為了節(jié)約水資源，蒸汽透平的排氣冷卻宜采用空冷器。空冷器占地面積大，應(yīng)集中布置。由于換熱所需的吸風(fēng)量大，在布置時(shí)要考慮與壓縮機(jī)吸風(fēng)口的干擾問題?？绽淦鞯膿Q熱能力要根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁乜紤]一定的裕量。

(4)低溫轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備可靠性。煤化工項(xiàng)目中單套空分能力大，任何一套空分裝置的停車將會(huì)造成下游裝置的停車，因此其設(shè)備的可靠性十分重要。低溫轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備由于運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)處于低溫態(tài)，一旦發(fā)生故障，解決故障通常需要較長(zhǎng)的時(shí)間，所以低溫轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備均應(yīng)有較高的可靠性。

3 空分裝置與氣化爐的匹配

總體設(shè)計(jì)中，空分裝置與氣化爐的匹配性是一項(xiàng)主要工作。氧氣的主要用戶是氣化爐，空分裝置的系列/套數(shù)應(yīng)與氣化爐的系列數(shù)合理匹配。首先應(yīng)了解國(guó)內(nèi)外單套空分設(shè)備最大制氧量。一般來說系列數(shù)較少投資相對(duì)低，但如果單套空分制氧量太大，實(shí)際無運(yùn)行業(yè)績(jī)或生產(chǎn)能力，對(duì)于項(xiàng)目實(shí)施是不現(xiàn)實(shí)的。掌握目前空分設(shè)備的業(yè)績(jī)之后，再根據(jù)氣化爐的系列數(shù)進(jìn)行匹配。從供需關(guān)系上講一套空分對(duì)應(yīng)幾臺(tái)氣化爐，從管道配置上空分的氧氣母管如何設(shè)置，這與氧氣管道系統(tǒng)連接和配置方案相互關(guān)聯(lián)。下面舉例說明空分裝置與氣化爐的匹配設(shè)計(jì)。

某項(xiàng)目煤氣化裝置共設(shè)置32 臺(tái)氣化爐，氧氣總需求量為1.6 ×106Nm3/h，目前單套空分設(shè)備的制氧量可達(dá)10 萬等級(jí)。考慮兩種匹配方案:

方案一，設(shè)置16 套100000Nm3/h 的空分裝置，一套空分對(duì)應(yīng)2 臺(tái)氣化爐。

方案二，設(shè)置32 套50000Nm3/h 的空分裝置，一套空分對(duì)應(yīng)1 臺(tái)氣化爐。

對(duì)兩種方案進(jìn)行如下綜合比較，確定空分的系列數(shù)和單套能力見表1。

表1 空分裝置與氣化爐匹配方案的比較

兩種方案與氣化爐的匹配性都合理可行，但通過各項(xiàng)指標(biāo)的比較，方案一設(shè)置 16 套100000Nm3/h 的空分裝置更為優(yōu)化。

4 氧氣及高壓蒸汽管道的系統(tǒng)連接

特大型空分裝置的氧氣母管設(shè)置方案是大型煤化工項(xiàng)目中眾多研究?jī)?nèi)容之一。通過對(duì)空分裝置與煤氣化裝置間氧氣管線的配置研究，達(dá)到裝置間、系列間的最佳配置，實(shí)現(xiàn)節(jié)約投資、優(yōu)化操作等目的。

在氧氣管線的配置方案研究中，首先根據(jù)工程設(shè)計(jì)方法確定幾種空分裝置與煤氣化裝置之間氧氣管線的系統(tǒng)連接方案，如將空分裝置分成組，每組匯入一根氧氣總管，煤氣化裝置的氣化爐再分別從總管上取氣。列出各種連接方案，通過核算氧氣流速，比較方案的可行性。最后根據(jù)氧氣流速、管道材質(zhì)、管道壁厚、管線長(zhǎng)度、阻力降等進(jìn)行方案的經(jīng)濟(jì)性比較，確定最終的管道連接方案。

同樣的道理，動(dòng)力站與空分裝置間的蒸汽運(yùn)行以及蒸汽管線聯(lián)接的優(yōu)化研究，既要滿足空分裝置空氣壓縮機(jī)透平對(duì)蒸汽參數(shù)的要求，使透平達(dá)到高效運(yùn)轉(zhuǎn)，又要使蒸汽管線的投資合理，達(dá)到裝置間的最佳配置。

5 空分總平面布置、二氧化碳排放影響及污氮排放分布分析

空分裝置在總圖中的位置選擇首先應(yīng)該符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。就大型煤化工項(xiàng)目而言，空分總平面布置還需要特別考慮到空分與煤氣化裝置、動(dòng)力站的布置原則，空分要相對(duì)靠近氧氣主要用戶煤氣化裝置和高壓蒸汽的供給裝置動(dòng)力站?？辗值牟贾眠€要考慮空分裝置周圍大氣環(huán)境的影響?？辗盅b置布置于廠區(qū)全年主導(dǎo)風(fēng)向的上風(fēng)向，同時(shí)還要盡量遠(yuǎn)離周邊已建成的項(xiàng)目廠區(qū)。因大多煤化工項(xiàng)目處于煤化工基地內(nèi)，周邊會(huì)有大型動(dòng)力站和低溫甲醇洗裝置，易受到二氧化碳?xì)怏w擴(kuò)散影響，周邊各類裝置烴類氣體的泄漏或排放，也會(huì)造成空分裝置周邊環(huán)境的烴類本底值偏高。綜合諸多因素，進(jìn)行布置方案比較，列出各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，形成最為優(yōu)化的總圖布置。

目前在煤化工行業(yè)因空分裝置的不穩(wěn)定造成主體生產(chǎn)裝置出現(xiàn)問題的事件時(shí)有發(fā)生。在空分系統(tǒng)運(yùn)行過程中，常見的問題是區(qū)域性污染源排放的二氧化碳等污染物對(duì)空分的影響，可能對(duì)空分裝置產(chǎn)生影響的污染物還包括碳?xì)浠衔?、污氮等。如分子篩二氧化碳穿透造成板式熱交換器通道堵塞、吸入的空氣質(zhì)量差使分子篩吸附能力達(dá)不到要求等，均能造成空分裝置運(yùn)行不穩(wěn)定。可對(duì)空分裝置安全生產(chǎn)產(chǎn)生影響的污染物主要有烴類，其中乙炔的危險(xiǎn)性相對(duì)較大。調(diào)查表明，污氮系統(tǒng)造成空分裝置運(yùn)行事件約占空分故障的42%。

在二氧化碳排放影響及污氮排放分布分析中，需要引入專業(yè)的研究機(jī)構(gòu)，采用專業(yè)的模擬軟件來開展此項(xiàng)工作。污染物擴(kuò)散過程和氣象條件有關(guān)，不同氣象條件造成的濃度分布及最大濃度差異較大，因此需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)不同氣象條件下二氧化碳擴(kuò)散過程進(jìn)行評(píng)估。研究不同氣象條件下二氧化碳排放對(duì)空分裝置進(jìn)氣口大氣成分的影響，了解不同二氧化碳濃度分布范圍。多個(gè)大型空分裝置自身污氮放散使得污氮集中在空分裝置區(qū)，排放高度相對(duì)較低，可能出現(xiàn)高濃度區(qū)域，對(duì)人體健康產(chǎn)生危害，同時(shí)對(duì)區(qū)域環(huán)境空氣將產(chǎn)生影響，存在降低空分裝置的效率的可能性，對(duì)項(xiàng)目的安全穩(wěn)定生產(chǎn)有一定危害。研究不同氣象條件下污氮排放對(duì)地面高濃度和空分裝置進(jìn)氣口大氣成分的影響，了解不同高度污氮濃度分布范圍，了解危險(xiǎn)區(qū)域。

根據(jù)二氧化碳排放影響及污氮排放分布研究的結(jié)果，預(yù)測(cè)了空分裝置生產(chǎn)運(yùn)行中可能產(chǎn)生的安全隱患。為空分裝置總圖布置研究工作、空分裝置自身的分子純化器等設(shè)備的設(shè)計(jì)提供研究依據(jù)，對(duì)低溫甲醇洗此類需要排放大量二氧化碳的裝置提出多點(diǎn)排放的建議。也為裝置運(yùn)行后給予相應(yīng)的建議，如應(yīng)加強(qiáng)空分裝置進(jìn)氣口監(jiān)測(cè)，設(shè)立風(fēng)向標(biāo)隨時(shí)掌握風(fēng)向、加強(qiáng)管理建立裝置緊急排放聯(lián)系制度、加強(qiáng)對(duì)液氧的分析監(jiān)測(cè)等。

在項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)階段，針對(duì)空分裝置特點(diǎn)進(jìn)行安全性分析研究十分必要，也是項(xiàng)目建成后穩(wěn)定運(yùn)行的有力保障。對(duì)項(xiàng)目周邊大氣擴(kuò)散模擬研究以確定周邊項(xiàng)目和在建項(xiàng)目源強(qiáng)排放對(duì)空分裝置的影響范圍和程度，避免周邊及本項(xiàng)目排放的氣體對(duì)空分的安全和穩(wěn)定運(yùn)行造成不利影響。

6 結(jié)語

為適應(yīng)煤化工行業(yè)的發(fā)展，空分裝置也向著多套特大型化的趨勢(shì)邁進(jìn)。在特大型空分裝置的工程設(shè)計(jì)中首先要從宏觀角度著眼，包括總平面布置、周邊大氣的擴(kuò)散模擬及工業(yè)氣體管道的配置方案等。在總體設(shè)計(jì)中，只有做好基礎(chǔ)工作，才能為后續(xù)的工作提供有力依據(jù)，使設(shè)計(jì)工作有條不紊的進(jìn)行。特大型空分裝置的工程設(shè)計(jì)仍要結(jié)合已建成或在建項(xiàng)目中反饋出來的問題，不斷地改進(jìn)完善。

1 蔣 旭. 國(guó)內(nèi)外空分裝置的應(yīng)用及發(fā)展［J］. 氣體分離，2013，84 (6):25 -33.

2 李化治. 對(duì)煤化工配套空分的特點(diǎn)及要求的探討［J］. 通用機(jī)械，2013，增刊2:46 -49.