昊華國泰60000 Nm3/h空分設備流程和配置的選擇

曹鎮海

(鄂爾多斯市國泰化工有限公司，內蒙古自治區鄂爾多斯獨貴塔拉工業園區 017418)

昊華能源鄂爾多斯市國泰化工有限公司(以下簡稱:昊華國泰)為實現能源轉化，年產40萬t甲醇裝置的項目建設需配一套60000 Nm3/h空分設備。筆者參與了該套設備各參數及流程的確定以及配套設備的選型等工作，在這些方面積累了一些經驗，現只做簡單介紹以供參考。

1 空分廠家確定

空分技術相對比較成熟，就國內技術來說，能夠生產六萬等級的空分廠家有杭氧股份有限公司、開封空分集團有限公司，由于國產技術在此等級的空分裝置中，生產技術已經很成熟，所以沒有選取外資廠家，本著安全、可靠的原則最終確定與杭氧股份有限公司進行合作。杭氧股份有限公司在六萬等級的空分裝置中已經簽訂30余套合同，投產的已有10余套，均已順利開車并達產。

2 空分設備參數的確定

2.1 氧氣產量及壓力的確定

1.根據昊華國泰使用煤質和中科煤院作出的成漿性分析報告，昊華國泰使用的煤質按照4∶4∶2的比例，做出煤漿濃度為55%和57%。據此，昊華國泰根據煤漿濃度和產能要求，日投煤量在2100 t/d(公稱規模)，有效氣(CO+H2)116364 Nm3/h(100%負荷)，設計按128000 Nm3/h(110%負荷)核算，則在制漿濃度降為55%時，出界區的干基CO∶43.84%，H2∶32.49%，有效氣含量:76.42% ，總氧量∶52903 Nm3/h。

在此基礎上，我們設計在55000 Nm3/h時，沒用多余氧量作為調節，而且系統整體設計有10% 的操作余量。因此，空分裝置必須擴大產能至57000 Nm3/h(最佳產能)即60000 Nm3/h(最大產能)。

2.由于氣化爐工作壓力為6.7 MPa(G)，考慮到氣化爐噴嘴處氧氣減壓也可以把煤漿霧化以及管道閥門等設備的阻力損失，最終將氧氣壓力定為8.7 MPa(A)。

基于上述因素，空分裝置最終將氧量定為57000Nm3/h(最佳產能)即60000 Nm3/h(最大產能)，壓力定為8.7 MPa(A)。

表1 氮產品規格Table1 Nitrogen product specification

表2 儀表空氣規格Table2 Instrument air specification

表3 設計工況各產品規格Table3 All product specification under design condition

2.2 氮氣產量及壓力的確定

根據昊華國泰年產40萬t甲醇整個裝置系統的要求，需要配置保安氮氣、氣提氮氣等，最終基于以上整個系統的要求確定為以下規格，見表1。

2.3 其他產品產量的確定

根據昊華國泰年產40萬t甲醇整個裝置系統的要求以及氣化裝置對儀表氣壓力0.7 MPa(G)的特殊要求，最終基于整個系統的要求確定為以下規格，見表2。

2.4 裝置的設計工況

最終該裝置的設計工況(即考核工況)見表3。

3 流程的選擇

1.由于氧氣壓力為8.7 MPa(A)，所需的氧氣產量為5700 Nm3/h(最佳產能)即60000 Nm3/h(最大產能)，如果采用外壓縮流程，需要配置特殊透平式氧壓機(或活塞式氧壓機)，設備投資大，占地面積大，易損耗件多，增加了維修工作量和維護費用，還存在一定的安全隱患。

2.相比較而言，外壓縮流程空分設備存在的主要安全隱患在于主冷凝蒸發器液氧側碳氫化合物的積聚和氧壓機，而內壓縮流程是從主冷凝蒸發器抽出大量液氧經過液氧泵至所需壓力后，再與高壓板式換熱器復熱出冷箱經外送閥供后系統使用。從主冷中抽出液氧把氧側碳氫化合物積聚的可能性降到最低。又由于增加了內壓縮液氧泵而取消了氧壓機，再無高溫氧氣，火險隱患小，安全性得以大大增強。

3.根據昊華國泰60000 Nm3/h空分項目所在地的實際情況，氣化工段對氧純度嚴格要求(99.6%)以及空分裝置以后的改造(上精氬系統)，從用氧特點和經濟效益考慮上增效氬塔用于提高氧的提取率和氧純度及以后的改造。

基于上述幾點，昊華國泰決定采用氮水預冷、常溫分子篩吸附凈化、空氣增壓透平膨脹、雙塔精餾帶增效氬塔、氧泵內壓縮流程的空分設備和液體貯存系統，整套空分設備采用先進的DCS分散控制系統。

圖1 流程簡圖Fig.1 Simple flow diagram

流程組織簡述如下:原料空氣自吸入口吸入，經自潔式空氣過濾器過濾后的空氣進入離心式空壓機，經壓縮機三級壓縮兩級冷卻壓縮到約0.62 MPa(A)，然后進入空氣冷卻塔冷卻。經空冷塔冷卻后的空氣進入切換使用的分子篩純化器，空氣中的二氧化碳、碳氫化合物和水分被吸附。分子篩純化器為兩只切換使用，其中一只工作時，另一只再生。純化器的切換周期約為480 min，定時自動切換。凈化后的空氣分成三股。一股供給用戶作為壓縮空氣和儀表空氣3。一股空氣進入低壓板式換熱器，被返流污氮氣冷卻后直接進入下塔。另一股空氣去增壓空壓機，這股空氣分成兩部分:一部分空氣經增壓空壓機第一級葉輪增壓后抽出作為0.7 MPa(G)儀表空氣2。一部分空氣經增壓空壓機增壓后分成兩股，一股進入膨脹機的增壓風機中增壓，然后被冷卻器冷卻至常溫后進入高壓板式換熱器，用來與液氧換熱，高壓空氣經節流后進入下塔。一股進入高壓板式換熱器，在高壓板式換熱器下部抽出進入膨脹機去膨脹，膨脹后的空氣送入下塔。空氣經下塔初步精餾后，獲得液空、純液氮和污液氮，并經過冷器過冷后節流進入上塔。經上塔進一步精餾后，在上塔底部獲得液氧，并經液氧泵壓縮后進入高壓板式換熱器，復熱后出冷箱，進入氧氣管網。從下塔頂部引出壓力氮進入低壓板式換熱器，復熱后出冷箱。又在下塔頂部抽出液氮經過冷器過冷后作為產品進入貯槽。從上塔上部引出污氮氣經過冷器、高壓板式換熱器和低壓板式換熱器復熱出冷箱后分成兩部分:一部分進入分子篩系統的蒸汽加熱器，作為分子篩再生氣體，其余污氮氣去冷水塔。該流程的主要特點是高壓空氣由膨脹機增壓端提供。其流程如圖1所示。

4 配套機組設備、閥門和儀表選擇

2011年11月，為了更好地了解國內大型空分設備運行情況，昊華國泰先后對國內外空分設備運行情況及國內大型空分設備生產廠家進行了實地考察及比較。經比較后認為:精餾系統，由于采用全低壓設備和上塔采用規整填料塔精餾分離，膨脹空氣無論是進上塔還是下塔，流程設計都很成熟，而且國內也采用先進的應力分析軟件進行計算;在設備制造方面，國內外都采用自動焊接和收到焊接相結合，都擁有大型真空釬接爐。因此，對于空分氮水預冷系統、分子篩純化系統、低壓板式換熱器和精餾塔系統的設計、制造，國內有足夠的技術來保證。

汽輪機、壓縮機、增壓機、膨脹機、高壓液氧泵和閥門等關鍵設備的運行情況，是關系到大型空分長周期、高效低能耗運行的關鍵點。因此對于這些設備，選用技術成熟、運行可靠和擁有良好業績的國外知名主流品牌。

基于上述幾點，決定空分設備由杭氧總包，同時對一些關鍵設備提出特殊要求。

4.1 空壓機、空氣增壓機和汽輪機

空壓機、空氣增壓機和汽輪機如果采用國內產品，設備投資費用低，但設備運行能耗和設備維護費用相對而言比進口產品高一點點，同時國內還沒有六萬等級壓縮機組的運行業績，對國內產品質量有顧慮。如果全部采用進口產品，雖然設備投資費用高，但運行能耗和設備維修費用相對低點。進行過綜合考察對比后，壓縮機采用的是西門子成套的增壓機與空壓機一體式一拖一機組，整套機組全部進口，輔助設備采用國內配套的形式。

壓縮機組的選擇打破了常規的一拖二形式，也是目前空分行業的一種趨勢。此機組的優點在于:

1.選用西門子整套設備，運行穩定可靠，機組整體效率高，特別是汽輪機，具有結構緊湊、效率高等優點，相比同行業要高3%。

2.采用空壓機與增壓機一體機，機組結構緊湊，同時通過背靠背的壓縮葉輪，能夠有效地消除軸向力。同時減少了變速齒輪箱，既減少了投資，又減少了一個動設備的事故點。根據以前的運行經驗，變速齒輪箱是事故高發點。

3.采用軸頭泵形式為正常運行機組供油。這樣可以大大節省電能，降低運行成本。

4.采用一拖一的形式，降低了增壓機的出口壓力，對于機組的穩定運行有很大好處。同時由于采用一個機殼，相應地減少了成本。

5.采用單臺潤滑油泵兩路供電，一路是事故電源，一路為正常運行電源。這樣既節省了一臺事故油泵，還減少了高位油箱，相應地減少了投資。

4.2 高壓液氧泵和增壓透平膨脹機

高壓液氧泵采用進口多級離心泵，配置進口變頻調節器，低溫高壓氧泵采用一用一備的方式，在線冷備用，工作泵滿負荷運行，備用泵低速怠轉。若工作泵出現故障，備用泵在短時間(約10 s)內自動達到工作負荷。增壓透平膨脹機是空分設備的核心之一，根據現在運行的空分項目來看，一般一備一用的模式為一臺進口一臺國產，而國產膨脹機就是一個擺設，在緊急情況下根本滿足不了瞬間啟動的要求。采用單臺進口膨脹機+備膨脹機總成的模式越來越受到行業內的接受，就是在膨脹機出現問題的情況下，換膨脹機總成的時間也就小于4 h。由于一備一用的膨脹機沒有備總成，出現問題需現訂貨，這個周期比較長，所以根據實際情況綜合考慮后，選用了進口膨脹機+備膨脹機總成的模式。

4.3 高壓板翅式換熱器和關鍵閥門

高壓板翅式換熱器由于需要承受高壓，對設備的制造和焊接都提出了很高的要求，出于安全和長周期穩定運行考慮采用進口產品。高壓空氣節流閥、高壓氧氣出口閥、高壓氧氣放空閥、高壓液氧泵進出口閥、回流閥等一些關鍵閥門都必須采用進口產品。

4.4 儀表

為了能有效地監控成套空分設備的生產過程，確保運行可靠，操作、維護方便，采用中央控制室DCS分散控制系統集中監測控制為主，機旁盤和就地儀表監測控制相結合的原則。中央控制室DCS分散控制系統采用國外進口品牌，UPS采用兩個15KVA并級使用，延時30 min。

5 結束語

昊華國泰化工空分項目，工藝流程合理，壓縮機選配可靠，膨脹機、液氧泵選配了成熟可靠、運行業績多的主流設備。目前該空分項目土建基本結束，設備已部分安裝完畢，預計2014年試車。空分設備流程和配置的選擇是一個非常復雜的過程，要根據建設單位的實際情況進行實地考察、調研，綜合考慮投資、安全、操作、場地、效益、設備能耗及維護等多方面的因素。進行綜合比較，選擇最優設備流程和配置，以便空分設備穩定、長周期、低能耗運行，為日后工廠降低運行成本，提高企業利潤。