大型煤化工空分裝置工藝流程的選擇

崔立國

(內(nèi)蒙古大唐國際克什克騰煤制天然氣有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 赤峰 025350)

大型煤化工空分裝置工藝流程的選擇

崔立國

(內(nèi)蒙古大唐國際克什克騰煤制天然氣有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 赤峰 025350)

空分裝置也就是空氣分離裝置，它的重要作用就是對(duì)大氣中的氧、氮、氬氣體進(jìn)行分離，空氣分離裝置在我國的各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域都得到了廣泛的采用，漸漸的被大眾所熟知。文章主要對(duì)空氣分離裝置的技術(shù)內(nèi)容和為大型煤化工挑選合理的空氣分離設(shè)備技術(shù)做了簡要的概述，希望引起相關(guān)讀者的重視。

大型煤化工 空氣分離設(shè)備 技術(shù)選擇

1 空分裝置的概述

空氣分離裝置的主要任務(wù)是給氣化爐供給所需要的高純度氧氣，為煤氣化系統(tǒng)提供保護(hù)氮?dú)猓约跋鄳?yīng)的儀表空氣和工廠空氣。空氣分離裝置在冷量過剩的情況下，也可以產(chǎn)生一些液體產(chǎn)品儲(chǔ)存到備用儲(chǔ)罐中，以確保在制氧過程中，在突然停車情況下系統(tǒng)仍可以進(jìn)行工作。

2 空分裝置運(yùn)轉(zhuǎn)過程及其特性

原料空氣自吸入口吸入，經(jīng)自潔式空氣過濾器除去灰塵及其他機(jī)械雜質(zhì)。過濾后的空氣進(jìn)入離心式壓縮機(jī)，然后進(jìn)入空氣冷卻塔冷卻。冷卻后的空氣經(jīng)分子篩純化器除去水分、二氧化碳及其他碳?xì)浠衔?。凈化后的空氣分為兩路，一路直接?jīng)低壓板式換熱器進(jìn)入下塔；另一路經(jīng)增壓換熱后去膨脹機(jī)進(jìn)行制冷，并不斷將膨脹機(jī)的冷量帶入下塔進(jìn)行積累直至產(chǎn)生液體，在此過程中可產(chǎn)生零下193℃的低溫。進(jìn)入下塔的液空通過上下塔不同的壓力差而進(jìn)入上塔，利用沸點(diǎn)的不同進(jìn)行精餾，上塔產(chǎn)生的氮?dú)饨?jīng)低壓板式換熱器送往用戶，而主冷產(chǎn)生的液氧經(jīng)液氧泵加壓并通過高壓板式換熱器換熱后送往用戶。

3 分離過程的多樣性

在大型煤化工工程中對(duì)氧氣的使用量很大而且壓力較高，所以進(jìn)行空氣分離大多數(shù)都采用物理分離的方法。但由于挑選的煤氣化技術(shù)存在著差異，其氧氣、氮?dú)庑枨罅亢蛪毫Υ笮∫泊嬖谥^大的不同，致使空氣分離的分離方法具有多樣性，要按照工程的氣化技術(shù)方式具有的特定差異，有針對(duì)性的詳細(xì)設(shè)計(jì)，才能加以決定是采取哪種工藝方式。

(1)薄膜濾過工藝 空氣壓縮機(jī)把采集到的空氣壓縮，然后將壓縮后的氣體通過清理體系將氣體中的雜質(zhì)去除，最后把氣體輸送到膜分離機(jī)器中對(duì)空氣進(jìn)行壓縮，使氧氣被膜的壓強(qiáng)差分離出來并聚集在一起，將其收集起來輸送到指定容器中，其實(shí)質(zhì)就是利用通過有機(jī)膜時(shí)不同組分的速度不同而達(dá)到分離的目的。通過這種工藝分離出來的氧氣純度只有45%，一般只適合在煉鐵或鍋爐中燃燒。

(2)變壓吸附工藝 運(yùn)用空氣壓縮機(jī)對(duì)空氣加以壓縮，將壓縮后的氣體通過清理體系將純凈的氣體提取出來，在將其運(yùn)輸至吸附塔內(nèi)，吸附塔里含有各種各樣的附著劑，可以對(duì)相應(yīng)的物質(zhì)進(jìn)行附著作用，使氧氣或者氮?dú)獗环蛛x出來，最后對(duì)氣體進(jìn)行過濾，將純凈的氧氣或者氮?dú)廨斔椭撂囟ǖ娜萜髦?，投入到市場供消費(fèi)者使用。這樣類型的吸附塔一面在進(jìn)行吸附分離的工作，另一面可以對(duì)其進(jìn)行降壓解除吸附物的處理，將附著劑內(nèi)的氣體分離出來并進(jìn)行儲(chǔ)存。這種吸附塔不但可以達(dá)到兩種系統(tǒng)同時(shí)不停的運(yùn)轉(zhuǎn)，以免因突發(fā)狀況導(dǎo)致氣體供應(yīng)中斷，還可以通過對(duì)附著劑的劑量加以掌控，以此來獲得不同品質(zhì)、不同濃度的氧氣或者氮?dú)猓┫M(fèi)者挑選。這種利用雙吸附塔交替工作的裝置雖然雖然實(shí)現(xiàn)了供氣的連續(xù)性，但終因其產(chǎn)生氧氣的純度只能達(dá)到90%而不被大型煤化工所采用。

(3)摩爾托克斯工藝 把壓縮后的氣體中的水和CO2排除出去是摩爾托克斯工藝重要的作用。通過吸附塔的附著原理，將壓縮后的氣體與吸附塔中熔融的鈉與鉀硝酸鹽進(jìn)行吸附作用，再通過降壓解除吸附物技術(shù)將氧氣釋放出來，對(duì)其進(jìn)行收集到指定容器中并投入市場供消費(fèi)者使用。由于其工藝技術(shù)在實(shí)踐運(yùn)用上存在產(chǎn)量、效益、環(huán)保等諸多缺陷，所以，在大型煤化工行業(yè)中很少應(yīng)用在生產(chǎn)氣體過程中。

(4)低溫精餾工藝 最經(jīng)典的低溫精餾工藝主要是對(duì)空氣進(jìn)行壓縮，經(jīng)過空冷塔、水冷塔洗滌降溫，再經(jīng)分子篩的吸附作用，將雜質(zhì)去除，然后利用板翅式換熱器對(duì)氣體加以換熱，并對(duì)換熱后的氣體進(jìn)行制冷后輸送到精餾塔，利用不同組分的沸點(diǎn)不同，對(duì)液體進(jìn)行精餾，進(jìn)而獲得高純度的氮、氧等不同的氣體。

還可以按照氧、氮?dú)怏w在進(jìn)行壓縮時(shí)其低溫精餾工藝所存在的差異將其劃分為外壓縮和內(nèi)壓縮。外壓縮技術(shù)是空分裝置在制作低壓力氧氣后，應(yīng)用氧壓機(jī)對(duì)氣體施加特定的壓力，從而獲得特定氧氣種類的技術(shù)。隨著分子篩和大功率液氧泵的廣泛應(yīng)用，氧氣外壓縮的技術(shù)正逐漸退出歷史舞臺(tái)。

4 大型煤化工空氣分離裝置的工藝流程選擇

(1)空氣低溫液化精餾工藝選擇的必要性 因大型煤化工行業(yè)的特殊性和市場上對(duì)其產(chǎn)品要求的提高，需要相關(guān)技術(shù)人員對(duì)空氣分離裝置進(jìn)行挑選的時(shí)候，要保證其具有安全、穩(wěn)定、高效的優(yōu)良品質(zhì)，以避免由于空氣分離裝置自身故障導(dǎo)致氣體供應(yīng)不上、威脅員工安全等危險(xiǎn)發(fā)生。一般來說，根據(jù)空氣分離裝置的發(fā)展前景來看，在這些的工藝技術(shù)里，發(fā)展的最完善最安全的工藝就是低溫精餾工藝。

空氣低溫液化精餾工藝雖然工藝流程復(fù)雜，操作難度大，啟動(dòng)時(shí)間長，投資成本高，且低溫深冷需要特殊設(shè)備，但因其工藝的可靠性，產(chǎn)氣的連續(xù)性，尤其是他能連續(xù)大量生產(chǎn)純度高達(dá)99.9%以上的高純度氧氣、氮?dú)猓粡V泛應(yīng)用在大型煤化工的工藝中。隨著空氣分離裝置的不斷發(fā)展，其低溫精餾工藝技術(shù)也隨之越來越完善。除此之外，大型煤化工行業(yè)對(duì)氧氣的需求量越來越大，縱觀空氣分離裝置的發(fā)展，只有低溫精餾工藝技術(shù)能夠連續(xù)產(chǎn)出較高產(chǎn)量、較高純度的氧氣來滿足大型煤化工的需求。

(2)大型空分裝置的熱交換方式的選擇 隨著現(xiàn)代煤化工的發(fā)展，對(duì)大型空分的產(chǎn)氣量要求也越來越高，由原來的每小時(shí)幾千立到每小時(shí)幾萬立、甚至上百萬立。同時(shí)隨著國家產(chǎn)業(yè)布局的調(diào)整，大型煤化工逐漸向中西部發(fā)展，而一般這樣的地區(qū)，水資源大都比較緊張。所以目前較大的空分裝置都采用空冷方式代替水冷方式對(duì)蒸汽透平排出的氣體進(jìn)行換熱。

一般來講，大型煤化工工藝本身都設(shè)計(jì)有自備電廠，這樣自身用電成本較低。而用于給大型蒸汽透平排汽換熱的空冷島裝置，除了首次投資較大外，其后面運(yùn)行的費(fèi)用只有幾個(gè)低轉(zhuǎn)速電機(jī)所產(chǎn)生的電耗。這樣電機(jī)帶動(dòng)風(fēng)機(jī)，以風(fēng)冷代替水冷，既節(jié)省了大量用水所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用，又解決了干旱地區(qū)因缺水造成的資源短缺問題。

(3)大型空分裝置低溫工作的安全性 煤化工工程的規(guī)模十分龐大，以至于使空氣分離裝置要進(jìn)行多套裝置并聯(lián)來達(dá)到供氣需求的標(biāo)準(zhǔn)，無論哪一套空氣分離裝置的停止運(yùn)轉(zhuǎn)都會(huì)造成下游裝置停止運(yùn)轉(zhuǎn)，所以要對(duì)其機(jī)器低溫工作的安全性引起相關(guān)的重視。

當(dāng)然，空分裝置的安全運(yùn)行不僅僅指裝置的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，還有運(yùn)行過程中人員的安全和設(shè)備的安全。由于空分屬于深冷，其運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的液體溫度一般都達(dá)到零下163～193℃，所以操作時(shí)存在凍傷危險(xiǎn)。又由于存在這樣的低溫環(huán)境，一旦設(shè)備需要檢維修，就需要提前將設(shè)備進(jìn)行升溫復(fù)熱，而這一過程需要嚴(yán)格按照操作規(guī)程緩慢操作，以減小設(shè)備因驟冷驟熱受到損傷。

(4)空氣分離裝置的優(yōu)化 經(jīng)過近些年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，隨著我國工業(yè)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，對(duì)空分裝置規(guī)模的需求也越來越大，在每年對(duì)空氣分離裝置進(jìn)行維修時(shí)還需購買較多的液氮用以對(duì)煤制氣系統(tǒng)整體設(shè)備的保護(hù)，這樣與其每年對(duì)空氣分離裝置進(jìn)行維修時(shí)花大價(jià)錢購買液氮，不如再增加一個(gè)后備液氮儲(chǔ)存系統(tǒng)來的實(shí)惠。因此，研究人員對(duì)液氮儲(chǔ)存系統(tǒng)進(jìn)行了研究，對(duì)其加以優(yōu)化及創(chuàng)新。現(xiàn)在的大型空氣分離裝置一般都具有后備液氮儲(chǔ)存系統(tǒng)，它的重要作用是當(dāng)空氣分離裝置因突發(fā)原因而停止工作，或空氣分離裝置處在短期維修的時(shí)候，后備液氮儲(chǔ)存系統(tǒng)在這時(shí)就會(huì)被啟用，給煤氣化、煤液化等生產(chǎn)裝置提供各類所需規(guī)格的氮?dú)饣虮Ｗo(hù)用氮?dú)狻?/p>

5 結(jié)束語

煤化工對(duì)空氣分離裝置的挑選措施還有很多，不僅僅局限于這些，科學(xué)的進(jìn)步是永不停歇的，科學(xué)家對(duì)科學(xué)的探索也是不可估量的。要想使煤化工空分裝置工藝流程不斷被創(chuàng)新，持續(xù)發(fā)展，我們就要在對(duì)空氣分離裝置優(yōu)化的探索中有規(guī)律的思考總結(jié)，大膽的汲取國內(nèi)外的前沿技術(shù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在前輩的研究發(fā)明上不斷探索，進(jìn)行創(chuàng)新，解決一個(gè)個(gè)歷史遺留下來的種種難題，為我國大型煤化工這一行業(yè)的不斷發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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