技（jì）術篇：大型煤（méi）化工空分裝置總體設（shè）計配備方（fāng）案涉及哪幾個方麵？

 

 

眾所周知煤化工目（mù）前乃至今後（hòu）的發展方向都是規模化、大型化、一體化、基地化，煤（méi）化工共同特點都是占地麵積（jī）大，設施規模（mó）大，全廠優化集成難（nán）度大等。因此項目各個工藝裝置（zhì）的規模、配置、總圖布置、配管設計（jì）、設備管（guǎn）道閥（fá）門選擇、儀表控製聯鎖方案及開停車管理等一係列的（de）設計/優化課題值得我們研究和探討。空分裝置作為煤化工項目中配套的核（hé）心裝置，從裝置運行可（kě）靠性、穩（wěn）定性和經濟性綜合（hé）因素考慮，無論是工程設計（jì）、工藝流（liú）程（chéng）組織（zhī）選擇及配套機組的選配都麵臨著諸多（duō）關鍵（jiàn）技（jì）術問題。

空（kōng）分裝置的規模確定

空分裝置總（zǒng）體設計的首要任務是確定裝置規模及產（chǎn）品規（guī）格，煤化工項目中氧氣作為氣化劑和反應原（yuán）料，煤氣化對其需求量是巨大的，因此空分裝置的（de）規（guī）模都是以氧氣量來定義的（de），空分裝置的最大（105%工況）產品規模確（què）定要依據汽（qì）化爐（lú）原（yuán）料煤熱值最低時的工況（kuàng）（比氧（yǎng）耗較高）和汽化爐110%汽化負（fù）荷時的最大需氧量而定，避免出現小馬拉大車製約生產能力，更（gèng）不能（néng）出（chū）現大馬拉小車能耗（hào）增加。

* 產品氧（yǎng）氣能力及規格的確（què）定

氧（yǎng）氣的主要用（yòng）戶是煤（méi）氣化裝置，全廠其他裝置或有微少需求，氧氣（qì）用量統計是根據煤氣化裝置和其它用氧裝（zhuāng）置的最（zuì）大用量進行疊加，再綜合實際運行中（zhōng）原料煤煤質的變化及用氣裝（zhuāng）置的負荷調節考慮一定的設計裕量；氧氣的純度應符（fú）合用戶要（yào）求，通常為氧（yǎng）含量（體積（jī）比）≥99.6%；氧氣的壓力（lì）則取（qǔ）決於煤氣化的工藝和爐型，一般在4.0～9.0MPa（G）的壓（yā）力（lì）範圍。

* 產品氮氣能力及規格的確定

一般煤化工合成氨項目中氮氣的主要用戶是氣體精（jīng）製工段（液氮（dàn）洗裝置分子篩再生氣、精製氣配氮等）、低甲工段氣提氮，再者是氮氣（qì）作為各裝置必不可少的保護氣、密封氣、吹掃氣等其需求裝置（zhì）較多，壓力等級（jí）也（yě）較為多樣化，根據各裝置氮（dàn）氣的用氣特點再按照不同的壓力（lì）等級來匯總氮氣用量；空分裝置氮氣規模的確定是根據全廠各生產裝（zhuāng）置及輔助設施的正常連（lián）續用量，再依據各裝置使用氮氣的特點（最大用量的頻率等），疊加幾個氮氣主要用戶的最大用量（間斷用量）與其正常用（yòng）量的差值，在此基礎上再（zài）根據廠區的麵積及管線輸送距離（lí），還需考慮一定的管網損失。氮氣的純度應達到用戶要求，通常為氮含（hán）量（體積比（bǐ））≥99.99%，氮（dàn）氣的壓力可根據用（yòng）戶的要求，再綜合確（què）定為幾個主（zhǔ）要的壓力等級。

一般煤化工（gōng）合成氨項目中氮氣壓力有以下幾個等級：

①下塔（tǎ）抽取0.42MPa的氮氣用（yòng）於氣體精製工段分子篩再生（shēng）氣和低甲氣提（tí）氮及全（quán）廠密封氣、保護氣等；

②內壓縮6.2MPa高壓氮氣主要用於（yú）精製氣配氮等；

③13.2MPa超高壓氮氣主要用於煤汽化裝置的保護和吹掃，超高壓氮氣係統則必須單（dān）獨設置為後（hòu）備（bèi）供（gòng）應模式；

④全廠事故/吹掃0.6MPa氮（dàn）氣則需（xū）要單獨設置為（wéi）後備係統供應（yīng）模式。

* 液（yè）體產品及其它產品能力的確定

液氧（yǎng）、液氮的能力應根據用戶的需求和空分裝置自身液體後備係（xì）統的要求來確定，不同的項目可根據全廠的（de）用氣（qì）特點、空分裝置的運行經驗對（duì）液體產品的能力（lì）進行統一（yī）考慮，如：從設計角度上就必（bì）須（xū）考慮好（hǎo）氣體工況與液體（tǐ）工況的轉（zhuǎn）換、液氧（yǎng）產品與液氮產品（pǐn）的（de）轉換生產（chǎn）調節（jiē）模式。其它稀有氣體如氬氣的提取與否，需考慮投（tóu）資成本及周邊的市場需求等因素再確定。

 

 

空分（fèn）裝置主工藝流程及配套機組配備特點

（一）  流程多樣化

1、 空氣循環單泵內（nèi）壓縮流（liú）程：適用於氮氣壓力不太高、流量不太大、設備（氮壓機（jī））投資不太（tài）高的用戶。

2、空（kōng）氣循環雙泵（bèng）內壓縮流程：適用於氮氣壓力高、流量大，但氮氣壓力等級不多的用（yòng）戶（減少高壓氮壓（yā）機投資、占地麵積小、操作簡單、維護量較小、運行可靠性高、整套空（kōng）分設備（bèi）投資少（shǎo）、能耗適中等特點）。

3、氮氣循環單泵（bèng）內壓縮（suō）流程：適用於氮氣產品壓力高且壓力等級較多的用戶（中、高壓產品氮壓機與空分（fèn）流程的增壓機合二為（wéi）一，既（jì）可以減少中、高壓氮壓機的投資，又可以有（yǒu）效利用下塔富裕的壓力氮，占地麵積較小，可（kě）操作性好，維護量小，可靠性一般、整套空分設備投（tóu）資（zī）適中、能耗適中等特點）。

4、空氣增壓中（zhōng）抽膨脹製（zhì）冷流（liú）程（chéng）：增壓機組投資略高、機組（後幾級（jí）葉輪）工作效率相對略低，但（dàn）操作靈活、簡單、變負荷能力強。

5、空氣增壓一壓到底膨脹製冷流程：增壓機組投資略省、沒有中抽所以機組效率相對略高，但操作稍顯複雜、氣量（膨脹量）調節受約束大、變負荷能力（lì）較差（chà）。

（二）配套大型機組集成（chéng）化

原料空氣壓縮機和空氣循環增壓機由（yóu）一台雙軸輸出汽輪（lún）機驅動；汽輪機較（jiào）為常用的（de）有抽凝和全凝兩種，抽凝（níng）機（jī）組效率略高，全凝機組穩定性較（jiào）好；大流量壓（yā）縮機（jī）多采用軸流加離心式；原料空氣壓縮機與空氣循環增壓機（jī）及驅動汽輪機共用一套潤滑油係統（tǒng）；驅動汽輪機的凝汽方式有空冷和水（shuǐ）冷兩種，缺水地區多采（cǎi）用空冷式，空冷（lěng）器占地麵積大（dà）吸風量（liàng）大，所以在設（shè）備布置時要考慮與原料空氣壓縮（suō）機吸風口的相互（hù）幹擾（rǎo）問題，水資源豐富地（dì）區大都采用水冷式。

（三）低溫（wēn）轉動設備可靠性

空分裝（zhuāng）置作為煤化工項（xiàng）目中（zhōng）配套的核心裝置，空分裝置一旦故障停車（chē）都將會造成下遊裝置的停車，因此關鍵（jiàn）設（shè）備（bèi）（低溫轉動（dòng）設備如：高壓液氧泵、高壓液氮泵（bèng）及膨脹（zhàng）機等）的可靠（kào）性是十分重要的，低溫轉動設備又由於運轉時處於低溫狀態，一旦發生故障，解決故障耗時較長，所以空分裝置配備的（de）關鍵低溫轉（zhuǎn）動設備均應有較高的可靠性（xìng），目前空分配備的低溫液體泵標（biāo）配進口一用一備，膨脹（zhàng）機一台進口一台國產，國產（chǎn）備用，進口液（yè）體泵及膨脹機大多為法國Cryostar產品。

 

 

空分裝置總圖（tú）布置及區域CO₂排放影響分析及防控措施

目前在（zài）煤化工行（háng）業（yè）因（yīn）空分裝置（zhì）的不穩定造（zào）成主提生產裝置出現問題的事件時有發生，在空分（fèn）係統運行過程中，常見的問題是區域性汙染源排放的CO₂等汙染物（wù）對空分（fèn）的影響，如（rú）：分（fèn）子篩二氧化碳穿透造成板式換熱器通道堵塞、原料空（kōng）氣壓縮機吸入的空（kōng）氣質量差使（shǐ）分子篩吸附能（néng）力設計不足等，均能造成空分裝置（zhì）運行不穩定或無法達到（dào）最（zuì）大經濟負荷，故此，空分裝置的（de）總圖布置和關鍵設計理念應從以下幾個方麵綜合（hé）考慮（lǜ）。

—— 空分裝置（zhì）在總圖中的位置選（xuǎn）擇首先應該符（fú）合相關標準和規範的要求（qiú）；

—— 空分裝置要相對靠近氧氣主要用戶煤氣（qì）化裝置和高壓蒸汽的供給裝置動力站；

—— 空分裝置布置於廠（chǎng）區全年主導風（fēng）向的上風口；

—— 空分裝置的布置應避開低甲裝置CO₂排（pái）放擴散的影響；

—— 空分裝置的布置應充分考慮到或避開廠區內及廠區周邊各類裝（zhuāng）置烴類氣體的（de）泄露或排放帶來的影響；

—— 空分裝置純化係統（tǒng）分子篩吸附劑的設計裝填量要考慮一定的裕度，一般按照CO₂含量≥800ppm來設計裝填；

—— 原料空氣自潔式空氣過濾器應按照加工空氣量的2.5倍設計；

—— 建立原料空壓機吸入空氣組份CO₂含量的監控；

—— 設立區域風向標實時掌握風向、建立（lì）廠區內（nèi）外各裝置緊急排放（fàng）聯係製度、加（jiā）強對（duì）空分裝（zhuāng）置液（yè）氧的（de）分析檢測頻次等；

—— 建立完善科學高效的應急處理措（cuò）施。

結束語

在大型、特大型空分裝置的工程設計中，首先要從（cóng）宏觀角度著眼，包括：裝置工藝（yì）流程選擇、配套機組選型、總圖布置及基礎設計等；隻有在總體工（gōng）程設計中，基礎工作做好（hǎo）、做足了才能為後（hòu）續的工（gōng）作提供有力依據，才能使設計（jì）工作得以有條不紊的進行，才能使在項目施工過程中變更少、工期快！

在大型、特大型空分裝置的工程設計（jì）中，一是要（yào）結合已建成或在建項（xiàng）目中反饋出來的問題，不斷（duàn）的改進完善，二是要結合自己以往工作（zuò）經（jīng）驗和業界同仁的建設（shè）性建議，進行項目設計初期的安全評估（gū）和流程優化，以此來規避設（shè）計缺陷乃至安裝、操作缺陷，最終使得自己的“作品”促於完美化、智能化！