Shell煤氣化制合成氨工廠空分流程的比選

周建振，毛唐秀，馮天照，余 化，師慧靈，肖敦峰，李繁榮

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

設 計 技 術

Shell煤氣化制合成氨工廠空分流程的比選

周建振，毛唐秀，馮天照，余 化，師慧靈，肖敦峰，李繁榮

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

對Shell煤氣化煤制合成氨工廠配置的空分裝置分別采用空氣增壓制冷流程和氮氣增壓制冷流程進行了模擬計算，通過對比不同空分流程配置的能耗、運行可靠性、氧提取率，根據項目具體情況作了不同的方案推薦。

空分；空氣增壓制冷； 氮氣增壓制冷； 合成氨； Shell煤氣化

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.01.006

基于我國“缺油、少氣、富煤”的能源結構，通過發展煤化工來實現煤炭的清潔利用對于解決當前的環境污染具有重要的戰略意義，同時隨著煤化工、鋼鐵冶煉的快速增長，氣體工業獲得了迅速發展。由于目前煤化工裝置需求的氧氣、氮氣壓力都比較高，根據氣化技術的不同，氧氣、氮氣壓力約在3.0～8.7MPa(g)之間。從運行的安全性及可靠性方面來考慮，氧氣主要通過低溫液體泵加壓至所需要的壓力，即液氧內壓縮流程。氮氣產品往往流量大、壓力高、等級多，從空分裝置的能耗方面來考慮，可以采用低溫液體泵加壓至所需要的壓力，即液氮內壓縮，也可以采用壓縮機加壓至所需要的壓力，即氮氣外壓縮[1，2]。

煤制合成氨作為我國重要的煤化工產業，也是我國發展較為成熟的煤化工產業。空分裝置主要是為整個合成氨工廠提供其所需要的氧氣、氮氣、儀表空氣、工廠空氣、液氧、液氮等。根據需求氣體壓力等級的不同，選擇合理的空分流程，對于空分裝置的安全、穩定、低能耗的運行有著至關重要的意義[3]。

本文選用典型的Shell煤氣化制合成氨工廠所需要的氣體產品為基準，且煤氣化采用氮氣輸送煤粉，對不同流程的空分從運行能耗、可靠性、氧氣提取率等方面進行了綜合比較，供同行參考。

1 空分裝置的產品性能指標

Shell煤氣化年產30萬t合成氨工廠空分裝置產品性能指標見表1。

表1 Shell煤氣化年產30萬t合成氨空分裝置的產品性能指標

注：所有流量是指0℃和0.101 3MPa(a)狀態下的體積流量，簡稱標態流量。

2 空分裝置的流程形式

根據表1中的產品性能指標要求可知，空分裝置輸出的氮氣產品與氧氣產品流量之比較高。從空分裝置能耗指標的先進性和可靠性考慮，選擇了4種方案進行比選。方案1：氮氣增壓制冷、液氧內壓縮、低壓氮氣上塔抽；方案2：氮氣增壓制冷、液氧內壓縮、低壓氮氣下塔抽；方案3：空氣增壓制冷、液氧液氮內壓縮、低壓氮氣上塔抽；方案4：空氣增壓制冷、液氧液氮內壓縮、低壓氮氣下塔抽。方案1、2、3、4分析對比如下。

2.1 方案1

方案1為氮氣增壓制冷、液氧內壓縮、低壓氮氣上塔抽。方案1的工藝流程見圖1，包括空氣壓縮系統、預冷系統、分子篩凈化系統和空氣分離系統。原料空氣由吸入口吸入，經空壓機壓縮，進入空冷塔冷卻降溫，預冷后的空氣進分子篩凈化系統去除CO2和水等雜質，凈化后的空氣分成兩股：一股經儀表空氣壓縮機壓縮以后作為IA/PA送出界外；另一股進冷箱在板翅式換熱器中冷卻降溫后進下塔進行初步的氧氮分離。下塔頂部得到的壓力氮氣，經板翅式換熱器復熱出冷箱進入氮氣增壓機，氮氣增壓機一段抽取3.8MPa(g)等級中壓氮氣分2股：一股作為3.8MPa(g)等級的中壓氮氣產品氣送出界外；另一股進氮氣增壓膨脹機膨脹制冷，以提供空分裝置所需冷量，膨脹后的氣液兩相流進氣液分離器分離，氣相復熱后回到氮氣增壓機入口進行循環。氮氣增壓機二段抽取5.2MPa(g)等級的中壓氮氣作為5.2MPa(g)等級的產品氮氣送出界外。增壓機末級排氣壓力為8.2MPa(g)，末級排氣分兩股，一股作為8.2MPa(g)氮氣產品氣送出界外，另外一股進冷箱與高壓液氧及返流氣體換熱后進下塔參與精餾。從上塔底部抽取液氧，經液氧泵加壓至4.7MPa(g)后，再經板翅式換熱器復熱出冷箱進入氧氣產品氣管網。從上塔頂部抽取的常壓氮氣，經板翅式換熱器復熱后，進低壓氮壓機加壓至0.4MPa(g)后送入全廠低壓氮氣管網。

圖1 氮氣增壓制冷、液氧內壓縮、低壓氮氣上塔抽流程AF-空氣過濾器；TC1-空壓機；AT-空冷塔；WT-水冷塔；WP1-冷凍水泵；WP2-冷卻水泵；MS1/2-分子篩吸附器；SH-再生蒸汽加熱器；TC2-增壓機；BT-ET -增壓透平膨脹機；WE-膨脹機后冷器；TC3-低壓氮壓機；C1-下塔；C2-上塔；C3-增效塔；E1-板翅式換熱器；E3-過冷器；K-冷凝蒸發器；TC4-儀表空氣壓縮機；OP-液氧泵

2.2 方案2

方案2為氮氣增壓制冷、液氧內壓縮、低壓氮氣下塔抽，工藝流程見圖2。方案2與方案1工藝流程基本相同：空氣一段壓縮，分子篩前端凈化，氮氣循環增壓制冷，膨脹氮氣進下塔，兩段精餾制取高純度氧氣和氮氣，全廠所需要的中、高壓氮氣均由氮氣增壓機抽取。唯一的不同點是0.4MPa(g)等級的低壓氮氣由下塔抽取，復熱后送界外。

圖2 氮氣增壓制冷、液氧內壓縮、低壓氮氣下塔抽流程AF-空氣過濾器；TC1-空壓機；AT-空冷塔；WT-水冷塔；WP1-冷凍水泵；WP2-冷卻水泵；MS1/2-分子篩吸附器；SH-再生蒸汽加熱器；TC2-增壓機；BT-ET-增壓透平膨脹機；WE-膨脹機后冷器；TC3-儀表空氣壓縮機；C1-下塔；C2-上塔；C3-增效塔；E1-板翅式換熱器；E3-過冷器；K-冷凝蒸發器；OP-液氧泵

2.3 方案3

方案3為空氣增壓制冷、液氧液氮內壓縮、低壓氮氣上塔抽。方案3工藝流程見圖3，包括空氣壓縮系統、預冷系統、分子篩凈化系統和空氣分離系統。原料空氣由吸入口吸入，經空壓機壓縮后，進入空冷塔冷卻降溫，預冷后空氣進分子篩凈化系統去除CO2和水等雜質，凈化后的空氣分為兩股：一股直接進冷箱在板翅式換熱器中冷卻降溫后進入下塔參與精餾，另外一股進空氣增壓機繼續增壓，從增壓機一段抽取一股1.2MPa(g)的壓縮空氣作為全廠儀表空氣、工廠空氣送出界外。其余繼續增壓至2.8 MPa(g)后分為兩股：一股進膨脹機的增壓端經過增壓、冷卻后進冷箱，經板式換熱器進一步冷卻降溫，降溫后的低溫、高壓空氣進入膨脹機的膨脹端去膨脹制冷，來提供空分裝置所需要的冷量。膨脹后的濕空氣進入下塔參與精餾；另一股空氣在增壓機中繼續增壓至7.2MPa(g)，并經后冷器冷卻至常溫后進入高壓板式換熱器，與高壓液氧、高壓液氮及返流污氮氣換熱。這部分高壓空氣從換熱器底部抽出，經節流后進入下塔。上塔底部抽取液氧，經液氧泵加壓至4.7MPa(g)后復熱出冷箱進入氧氣產品氣管網。從冷凝蒸發器抽取的液氮，經液氮泵加壓至8.2MPa(g)后分為兩股：一股直接經板翅式換熱器復熱后送出界外，另外一股減壓至5.2MPa(g)，經板翅式換熱器復熱后送出界外。從上塔頂部抽取的常壓氮氣，經板翅式換熱器復熱至常溫后，進入氮壓機，氮壓機一段抽取一股0.4MPa(g)的氮氣送入0.4MPa(g)等級的低壓氮氣管網，其余繼續增壓至3.8MPa(g)后送出界外。

2.4 方案4

方案4為空氣增壓制冷、液氧液氮內壓縮、低壓氮氣下塔抽，工藝流程見圖4。方案4與方案3工藝流程基本相同：空氣兩段壓縮，分子篩前端凈化，空氣增壓膨脹制冷，膨脹空氣進下塔，兩段精餾制取高純度氧氣和氮氣，液氧、液氮內壓縮制取高壓氮氣和高壓氧氣。唯一的不同是0.4MPa(g)等級的低壓氮氣由下塔抽取，復熱后直接送界外。

圖3 空氣增壓制冷、液氧液氮內壓縮、低壓氮氣上塔抽流程AF-空氣過濾器；TC1-空壓機；AT-空冷塔；WT-水冷塔；WP1-冷凍水泵；WP2-冷卻水泵；MS1/2-分子篩吸附器；SH-再生蒸汽加熱器；TC2-增壓機；BT-ET-增壓透平膨脹機；WE-膨脹機后冷器；TC3-氮壓機；C1-下塔；C2-上塔；C3-增效塔；E1-板翅式換熱器；E3-過冷器；K-冷凝蒸發器；OP-液氧泵；NP-液氮泵

圖4 空氣增壓制冷、液氧液氮內壓縮、低壓氮氣下塔抽流程AF-空氣過濾器；TC1-空壓機；AT-空冷塔；WT-水冷塔；WP1-冷凍水泵；WP2-冷卻水泵；MS1/2-分子篩吸附器；SH-再生蒸汽加熱器；TC2-增壓機；BT-ET-增壓透平膨脹機；WE-膨脹機后冷器；TC3-氮壓機；C1-下塔；C2-上塔；C3-增效塔；E1-板翅式換熱器；E3-過冷器；K-冷凝蒸發器；OP-液氧泵；NP-液氮泵

3 流程特點與比較分析

分析空分裝置提供的全廠壓縮氣體的流程，發 現空氣增壓制冷流程與氮氣增壓制冷流程各有特 點，結合當前空分流程實際運行狀況，本文主要從 技術可靠性、運行能耗進行比較。為了統一比較基 準，各主換熱器的傳熱溫差保持一致，壓縮機軸功率計算選用的多變效率及機械效率相同。

3.1 運行能耗及技術參數比較

基于表1中空分裝置的產品性能要求，分別采用上述4種流程進行了流程計算，4種方案的運行能耗及技術參數比較見表2。

表2 4種方案的運行能耗及技術參數比較

由表2可以得出如下結論：在相同的產品工況下，4種方案的運行能耗指標按方案1、方案2、方案3、方案4的先后次序依次升高，同時氮氣增壓制冷流程的能耗遠小于空氣增壓制冷流程的能耗。

對于同一種增壓制冷流程(空氣增壓制冷或者氮氣增壓制冷)，當從下塔抽取的氮氣量越大時，為了保證下塔精餾工況的穩定，需要更多的加工空氣量，導致氧的提取率降低。

3.2 流程比較

(1)對比氮氣增壓制冷流程與空氣增壓制冷流程，前者可以從增壓機不同段間抽取多個壓力等級的氮氣，同時該流程的增壓機既可作為產品氮壓機又可作為循環增壓氮壓機，可以減少外壓縮氮壓機及內壓縮液氮泵，可靠性高，同時節省占地面積。

(2)在氮氣增壓制冷流程中，幾乎所有的加工空氣都以氣體的方式進入下塔，而空氣增壓流程中很大一部分空氣以液體的方式進入下塔，因此空氣增壓制冷流程中下塔的直徑比氮氣增壓制冷流程小。

(3)氮氣增壓制冷流程中，當后續用戶需要較高溫度的中、高壓氮氣產品時，可直接利用壓縮機出口的高溫氮氣，降低后續用戶的設備投資。

(4)氮氣增壓制冷流程操作靈活性高。氮氣增壓機中抽3.8MPa(g)等級的氮氣，既是產品氮氣又是增壓膨脹機的膨脹氮氣，在下游配氮裝置減負荷時，可以增加膨脹量，提高裝置的液體產品產量。

(5)空氣增壓流程中增壓后的空氣直接進板翅式換熱器液化，節流后進下塔參與精餾，操作簡單；而氮氣增壓流程的氮氣需要從精餾塔得到，循環流路復雜，開車調試時間長。

4 結語

對于Shell煤氣化煤制合成氨工廠，所需要的氮氣量較大、壓力高、等級多，空分裝置輸出的氮氧比較高，因此采用氮氣增壓制冷流程不僅運行能耗低，而且減少了整個空分裝置運行的動設備數量，提高了裝置運行的穩定性。

根據上述分析，當從下塔抽取低壓氮氣時，空壓機入口空氣量會相應增加，從表2可以得出，方案2相比于方案1增加了11.5%，方案4相比于方案3增加了9.5%。鑒于兩種壓縮機可以采用同一種機型，空壓機投資相差不大，但是由于入口空氣量的增加，相應的前端分子篩凈化、空冷塔、精餾塔等設備也會比方案1大。對于方案1和方案2，需要結合能耗和裝置投資來進一步進行比選。

[1] 盧杰，毛紹融.48 000m3/h空分設備的流程選擇[J].深冷技術，2005(4) ：8 - 16.

[2] 鄭英臣，樓一真.10 000m3/h空分設備工藝流程的比較與選擇[J].深冷技術，2015 (5) ：18-24.

[3] 毛紹融，朱碩元，周智勇.現代空分設備技術與操作原理[M].杭州：杭州出版社，2005.

[4] 蔣旭，江楚標.氮氣循環與空氣循環流程的應用與選擇[J].低溫與特氣，2014(32) ：41-46.

Comparison and Selection of ASU for Coal to Ammonia Plant with Shell Gasification Process

ZHOU Jian-zhen，MAO Tang-xiu，FENG Tian-zhao，YU Hua，SHI Hui-ling，XIAO Dun-Feng，LI Fan-rong

(WuhuanEngineeringCo.，Ltd.，WuhanHubei430223China)

The simulation and calculation of ASU for Coal to Ammonia plant with Shell Gasification process is carried out based on the air boost method and nitrogen boost method.By comparing energy consumption，operation reliability and oxygen extraction rate of different processes，the various proposals are given according to the specific circumstances of projects.

ASU；air boost；nitrogen boost；ammonia plant；Shell gasification

周建振(1986年—)，男，甘肅白銀人，2013年畢業于大連理工大學化學工程專業，碩士，助理工程師，現主要從事化工工藝設計工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.01.006

TQ546

B

1004-8901(2017)01-0021-06