鄂爾多斯煤制油分公司50 000m3/h空分裝置產能匹配工藝優化

王大永

（中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內蒙古鄂爾多斯 017209）

鄂爾多斯煤制油分公司50 000m3/h空分裝置產能匹配工藝優化

王大永

（中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內蒙古鄂爾多斯 017209）

簡介中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司煤氣化生產中心2套50000Nm3/h空分裝置工藝流程，空分的物料平衡、裝置運行中產能匹配存在的問題，以及根據現場生產運行實際情況，對產能匹配問題進行的工藝優化改進。

物料平衡；產能匹配；Shell氣化爐煤粉輸送用氣特點；空分工藝優化

我國缺油少氣相對富煤的能源現狀，奠定了煤化工行業在我國經濟領域舉足輕重的地位。煤氣化是清潔利用煤炭資源的重要途徑和手段。空分設備為煤化工行業提供作為氣化劑的氧氣、合成原料氣的氧氣和氮氣以及輸送氣。不同的煤氣化工藝的工作溫度和壓力不同，決定了配套空分設備的氧氣、氮氣產品的壓力和產量等不同，也決定了煤化工行業空分設備流程的有所不同。

1 煤制油分公司空分裝置的地位與作用

空分裝置的作用是為煤制氫裝置殼牌氣化爐提供4.7MPa的高純氧氣、5.2MPa和8.1MPa氮氣，為全廠各裝置提供0.45、0.9MPa壓力等級的密封、保護氮氣，為煤液化裝置提供2.7MPa/20MPa氮氣，以及向全廠各裝置提供儀表空氣和工廠空氣。裝置同時也生產少量液體產品儲存到后備儲罐系統中，用來保證生產的連續性。

空分裝置為全廠各生產裝置提供生產過程必須的氧氣、各規格氮氣，如果空分裝置突然停止氧氮氣的外供，將造成公司各生產裝置降負荷、停車或可能發生火災、爆炸等惡性事故。因此，空分裝置在煤制油生產流程中具有重要的地位。

2 空分裝置的技術來源及技術特點

空分裝置的設計、制造和安裝，由Linde中國工程公司、西安華陸設計院組成的聯合體共同承但。其中，低溫動設備采用Cryostar公司產品；一拖二機組采用MAN公司產品；冷箱及主板式換熱器由Linde公司設計制造；空冷器由常州的GEA–巴蒂尼奧公司設計制造。

結合煤氣化Shell汽化爐需求高壓氮氣的特點，空分裝置采用林德公司氮氣循環、氮氣膨脹、液氧內壓縮的工藝流程。

3 空分裝置的工藝流程簡述

流量為257 300m3(標)/h的空氣經過濾器S1146吸入及N1151消音，過濾掉氣體中的機械雜質和灰塵，經空氣壓縮機C1161壓縮至0.527MPa、94.4℃后進入空冷塔E2416，壓縮后的空氣與中部的冷卻水（0.7MPa、26℃、440m3(標)/h）和頂部來自水冷塔E2417的冷卻水（0.8MPa、10℃、108m3(標)/ h）進行換熱，空氣被冷卻至12℃，再經除沫器去除掉空氣中的水滴后進入內裝有林德專用分子篩的吸附器A2626A/B中的一只，除去空氣中含有的CO2、水分及碳氫化合物后，進入換熱器，在分子篩出口溫度升至18℃的空氣分為三股，一股（40 700m3(標)/h）進入低壓板式換熱器E3119與返流的上塔塔頂來的純氮氣進行換熱，溫度降至-168.5℃；第二股（118 520m3(標)/h）進入低壓板式換熱器E3117與返流的來自上塔頂部的污氮氣進行換熱，溫度降至-168.3℃；第三股空氣（98 061m3(標)/h）進入高壓板式換熱器E3116與來自產品液氧泵的液氧進行換熱，溫度降至-172.6℃；三股空氣匯聚在一起進入下塔底部參與精餾。為了控制好三個換熱器的中部溫差，同時從第一股（抽出4 070m3(標)/h）和第二股（抽出11 852m3/ h）的空氣中各抽出一部分空氣經閥門TV3129/TV3127進入板式換熱器E3119/E3117，從板式換熱器E3119/E3117的中部抽出匯合后再從板式換熱器E3116的中部進入，換熱后（-172.6℃）匯入三股空氣的集合總管中進入下塔參與精餾。

在上塔T3212頂部得到的純氮氣經過冷器E3316與正流的液空、污液氮、純液氮及液氧換熱后，再經板式換熱器E3119進一步換熱，得到（4kPag、15℃）低壓純氮產品經氮氣壓縮機C1761壓縮至0.5MPa、101℃、40 600m3/h送入管網。在上塔T3212頂部的污氮氣同樣經過冷器E3316與正流的液空、污液氮、純液氮及液氧換熱后，再經板式換熱器E3117進一步換熱后出板式分為兩股，一股（72 525m3(標)/h、15℃）去往水冷塔E2417做換熱介質，與冷卻水傳質傳熱后放空；另一股（46 000m3(標)/h、15℃）去分子篩的蒸汽加熱器E2617，與蒸汽換熱升溫到180℃加熱分子篩后放空。

在上塔T3212底部的主冷E3216將獲得純度為99.6%的液氧，經液氧泵P3568A/B抽出加壓5.27MPa，進入板式換熱器E3116與正流氣體換熱至23℃經PV3924.1進入130m3氧氣儲罐，再經儲罐出口閥減壓到4.57MPa后送入管網。在液氧進入液氧泵之前，抽出一股（20KPa、-183℃、750m3/h）液氧進入過冷器E3316過冷后去往液氧儲槽。在主冷氮側冷凝的液氮抽出后分為兩股，一股作為下塔回流液；另一股經過冷器E3316過冷后與來自氮氣膨脹機后氣液分離罐D3432的液氮匯合在一起進入上塔頂部做回流液。去往液氮儲槽的液氮（20KPa、-196℃、1 000m3(標)/h）從上塔頂部直接抽出。

從下塔底部抽出的富氧液空經過冷器過冷后經閥LV3201.1進入上塔參與精餾。從下塔中部抽出的污液氮經過冷器過冷后經閥HV3222進入上塔參與精餾。

從下塔頂部抽出的純氮氣與來自氮氣膨脹機后氣液分離罐D3432的氣氮匯合在一起進入高壓板式換熱器E3116換熱，復溫后分為兩股，一股做為密封氣（0.435MPa、23℃、270m3/h）送出；另一股（166 114m3(標)/h、0.435MPa、23℃）進入循環氮壓機。經循環氮壓機三級壓縮后，從一級冷卻器后抽出3.3MPa溫度為36℃的兩股氮氣，一股（4 730m3(標)/h）減壓到0.9MPa做為產品送出；另一股（50 059m3/h）則進入膨脹氮氣增壓機C3420入口，經增壓機增壓到4.47MPa、36℃再經板式換熱器E3116換熱進入氮氣膨脹機（49 959m3/h、4.44MPa、-119℃），膨脹到0.46MPa、-177℃進入氣液分離罐D3432，分離出的氮氣（含少量液體，通過管道回流到罐前再次分離）與來自下塔的氮氣匯合進入高壓板式換熱器E3116換熱，分離出的液氮與來自下塔的液氮匯合進入上塔做回流液。從二級冷卻器前抽出5.3MPa溫度為98℃的產品氮氣（15 150m3/h）送出；從三級冷卻器前抽出8.1MPa溫度為89℃的產品氮氣（26 500m3(標)/h）送出。剩余的8.1MPa、69 475m3/h氮氣經冷卻后進入高壓板式換熱器E3116換熱冷凝成液氮經閥FV3910減壓節流后進入下塔上部參與精餾。

4 空分裝置的物料平衡

從空分裝置流程簡述中可以看出，空分裝置的原料來源為環境空氣，設計100%空氣負荷下，空氣進料量為257 300m3/h，連續產出外供產品6種（其中氧氣2種，氮氣4種，產品詳見表1所示），自用污氮1種，單套空分裝置總產氧量為50 000m3/h，總產氮量為86 730Nm3/h，自用污氮產量120 570m3/h，其總物料平衡詳見表2所示。

表1 單套空分裝置原料、產品一覽表

表2 單套空分空氣進料100%負荷下物料平衡示意圖

5 產能匹配存在的問題

從表1裝置原料、產品一覽表中的產品生產方式中可以看出，在原設計中空分裝置后線所需的高、低壓氧氣，高、中、低壓氮氣均為連續穩定使用方式，單套空分裝置設計變負荷為75%～100%（空氣進料257 300m3(標)/h為設計100%負荷），2套空分裝置的同壓力等級氣體產品出裝置后在空分界區并入同一總管，在各用戶界區處，由各需求用戶單獨引入使用，原設計構想為單套空分裝置對應單套煤氣化爐氧氣產品需求負荷設計，可實現隨后線氧氮氣使用量變化調整裝置生產負荷，已實現產能供需平衡，達到空分裝置節能生產的目的。

在裝置實際運行過程中，煤氣化裝置Shell氣化爐的4.7MPa的高純氧氣和8.1MPa高壓氮氣反吹用量穩定，5.3MPa中壓氮氣進制氫裝置后分為兩路，作為煤線煤粉輸送和氣化爐密封使用的一路中壓氮氣用量穩定，作為氣化爐鎖斗物料壓力平衡轉換使用的一路中壓氮氣用量非常不穩定，單套Shell氣化爐有4個鎖斗（12單元燒嘴供料鎖斗2個，切換周期20～40min、14單元下渣1個，切換周期30分鐘、15單元下灰一個，切換周期120min），2套共8個，鎖斗均為間斷使用，單個鎖斗充卸壓氮氣波動量約為6 000m3/h，為保證煤線煤粉輸送氮氣最低4.85MPa壓力聯鎖的運行安全，在氣化裝置界區8.1MPa氮氣反吹氮氣管線上引入一路高壓氮氣接入5.3MPa中壓氮氣穩壓罐，用于鎖斗切換時氮氣用量突增補峰使用。受煤制氫裝置鎖斗間歇切換使用特性影響，空分裝置5.3MPa，8.1MPa氮氣外網流量呈現無序波動狀態，單套空分裝置最大氮氣流量波動≥15 000m3(標)/h，對由循環氮壓機五級三段壓縮提供三路氮氣產品（0.9MPa，5.3MPa，8.1MPa三路氮氣）的空分裝置來說，循環氮壓機調節范圍及精餾下塔彈性不能實現時時按后線用氮量需求調整要求。空分裝置必須調整維持在較高氮氣生產負荷下生產，已保證在煤制氫裝置鎖斗切換期間，5.3MPa氮氣用量引起的壓力波動不觸發煤線煤粉輸送氮氣最低4.85MPa壓力聯鎖。

高氮氣負荷雖然保證了在煤制氫鎖斗使用時氮氣管網最大用量時的壓力需求，但鎖斗間歇工作切出不用時，造成了氮氣管網急劇退氣，為了保障空分循環氮壓機排放壓力穩定，采取氮氣產品在空分界區內大量放散，來保障其運行安全，同時為了盡量減小氣體產品放散損失，提高裝置能量利用率，將各氮氣產品放空流量設定值降低，盡量通過調整空氣生產負荷來達到匹配后線氮氣需求量的目的。這樣做雖然起到了一定的減少產品放散的作用，但因手動調整生產負荷缺乏量化數據支撐，負荷調整動作時間周期長，效率低，導致在保證氮氣產品純度的前提下，受裝置物料平衡限制，大量氮氣產品轉為裝置自用污氮，造成氮氣產品提取率明顯降低。通過對2010年—2013年空分裝置穩定運行月份的能耗及產品產量數據分析，空分裝置的負荷調整穩定時間約為30～40min，氮氣產品放散率在6%～11%左右，平均負荷下氮氣產品提取率在89%—95%左右，每標立產品氣體綜合能耗損失約為0.01kgce/m3。

6 產能匹配的工藝優化

煤氣化生產中心技術人員針對空分裝置的運行特性、Shell氣化爐的鎖斗煤粉輸送用氣特點，結合對空分歷年的生產數據分析和日常負荷調整穩定時間周期情況，分析出空分裝置的產能匹配有調節余地，每標立產品氣體綜合能耗也是有降低潛力的，其制約因素主要體現有2個方面：其一是后線鎖斗同時工作數量過多，氮氣最大用量峰值退氣情況下，因氮氣管網的壓力沖擊，氮氣外供量減少，所引起的氮氣產品放散率過高、其二是在后線鎖斗用氮量相對頻率穩定波動的工況下，空分裝置手動調整生產負荷缺乏量化數據支撐，負荷調整動作時間周期長，效率低，因不能實現快速變負荷，造成的氮氣產品提取率低。

針對2種制約因素，首先在氣化區域內部建立規范化管理協調機制，氣化裝置避免2套氣化爐8個鎖斗同時處于工作狀態，在保障氣化爐生產穩定的前提下，盡量降低5.3MPa，8.1MPa氮氣管網最大用量下波動峰值，使氮氣管網處于頻率相對穩定的周期性波動。同時依托空分DCS系統現有條件，在DCS系統內增加物料平衡數據計算模塊，通過DCS系統后臺時時運算將各路產品氣體及裝置自用污氮氣體對應空氣負荷下產量時時顯示在操作站上，使空分工藝操作人員可以依據后線氮氣使用負荷變化周期和變化量，實現快速變負荷操作，有效提高了負荷調整變化中的氮氣提取率，使裝置時時處于產能最優狀態。圖、圖2為工藝優化前后DCS界面狀態對比。

圖1 工藝優化前DCS界面

圖2 工藝優化后DCS界面

7 工藝優化后的效果

工藝優化后，氮氣管網的流量由無序波動逐漸改變為周期性穩定波動，裝置變負荷調整穩定時間由以前的30～40min，縮短為現在的10～15min，基本達到可依據后線氮氣需求實現快速變負荷節能生產的目的。通過對2015—2016年空分裝置穩定運行月份的能耗及產品產量數據分析，單套空分裝置最大氮氣流量波動由優化前的≥15 000Nm3/h降低至≤5 000Nm3(標)/h，氮氣產品放散率由6%～11%下降至5%以下，提取率由以前的89%～95%提高至96%以上。產能優化前后在煤氣化負荷不變的同等運行條件下，每標立產品氣體綜合能耗降低了0.01kg/m3。

DCS計算模塊投用后，通過對其功能的實用擴展，在班組計量臺帳中增加產能偏差計量，用產能數據指導并規范工藝人員操作，現裝置基本可達到在產能最優狀態下長周期穩定運行。

8 結論

產能匹配工藝優化是建立在現有DCS控制系統基礎上，投資費用基本可忽略不記，工藝優化后的實用效果顯著，對穩定裝置氮氣波動，提高氮氣產品提取率，降低氮氣產品放散率，降低產品氣體綜合能耗起到了有效管控作用，現裝置基本可達到在產能最優狀態下長周期穩定運行。

[1] 邵月奎.降低空分裝置電耗的措施[J].氯堿工業，2014，50（9）：43-45.

[2] 王大永.空氣分離整體工藝流程模擬及優化[J].工業，2015，（5）：178-179.

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《化工設計通訊》雜志系經國家新聞出版廣電總局批準國內外公開發行的全國性石油化工科技期刊，創刊于1975年，由湖南化工醫藥設計研究院主辦，主管單位為湖南省石油化工行業管理辦公室。是全國石油化工系統優秀期刊和省一級期刊。被美國化學文摘（CA）、中國期刊網（CNKI）、中國期刊全文數據庫（CJFD）、中國學術期刊綜合評價數據庫（CAJCED）、《中國學術期刊（光盤版）》等收錄。是中國科技論文統計源期刊。發行范圍遍及全國各省市石油化工主管部門、設計院、科研院（所）、大中小化肥廠、化工企業、大專院校、圖書館及信息部門等。世界上一些著名的大學也訂閱了本刊：全世界排名前十的大學如哈佛大學、普林斯頓大學、加州理工學院等；中國如香港大學、清華大學、北京大學等；還有一些世界著名的機構，如美國能源部、美國國防部、美國國會圖書館、法國國防部、澳大利亞能源部、日本國會圖書館等；還有一些世界著名的跨國公司，如美國杜邦、德國巴斯夫、拜耳、中國石油、中國石化、中國化工等。

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Optimization of Capacity Matching Process for 50 000m3/h Air Separation Unit in Erdos Coal Oil Company

Wang Da-yong

This paper introduces the process fl ow of two sets of 50000Nm3/h air separation plant in the coal gasi fi cation production center of Ordos Coal and Oil Company，the material balance of air separation，the problems of capacity matching in the operation of the equipment，and the production according to the fi eld production Operation of the actual situation，the capacity of the matching process to optimize the process.

material balance；capacity matching；Shell gasification furnace pulverized coal delivery gas characteristics；air separation process optimization

F426.22

：A

：1003–6490（2017）04–0106–03

2017–04–06

王大永（1983—），男，黑龍江齊齊哈爾人，助理工程師，主要從事煤制油行業空分技術工作。