大型煤化工項目空分裝置的總體設計

雷霽霞 楊亞芝 中國寰球工程公司 北京 100012

隨著煤化工產業的發展，裝置規模化、設備大型化，空分裝置作為煤化工項目中配套的核心部分，單套空分規模不斷加大，總規模也在不斷擴大。某4000kt/a 煤炭間接液化項目中配置12 套1.005 ×105Nm3/h 的空分設備為全廠提供氧氣和氮氣及液體產品。如此特大型的空分裝置并不是簡單的設備放大，無論是流程選擇、設備制造還是工程設計都面臨著許多關鍵的技術問題。

針對煤化工中空分裝置的大型化，探討空分裝置工程設計中的總體設計方案，從設計院的角度對空分裝置的規模確定、流程及設備特點、空分裝置與氣化爐的匹配、氧氣及高壓蒸汽管道的系統連接和配置方案、空分總平面布置、二氧化碳排放影響及污氮排放分布等進行分析研究。

1 裝置規模的確定

空分裝置總體設計的首要任務是確定裝置規模及產品規格。煤化工項目中氧氣作為氣化劑和反應原料，煤氣化對其需求是巨大的，因此空分裝置的規模以氧氣量來定義。

1.1 氧氣能力及規格的確定

煤化工項目中，氧氣的主要用戶是煤氣化裝置，其它裝置或有不多的需求，在氧氣用量統計時，其規模的確定是根據煤氣化裝置及其它用氧裝置的最大用量進行疊加，再綜合實際運行中煤質的變化及用氣裝置的負荷調節，考慮一定的設計裕量。氧氣的純度應符合用戶要求，通常為氧含量(體積比)大于或等于99.6%。氧氣的壓力則取決于煤氣化的工藝和爐型，煤化工項目的用氧壓力比較高，一般在4.0 ～9.0MPa (G)的壓力范圍。

1.2 氮氣能力及規格的確定

需求氮氣的裝置較多，壓力等級多樣。根據氮氣的用氣特點，應按照不同的壓力等級匯總氮氣用量。氮氣規模的確定是根據全廠各生產裝置及輔助設施的正常用量(連續用量)，再由各裝置使用氮氣的特點，如最大用量的頻率等，疊加幾個氮氣主要用戶的最大用量(間斷用量)與其正常用量的差值，在此基礎上依據廠區的面積及管線輸送距離，可考慮一定的管網損失。氮氣的純度應符合用戶要求，通常為氮含量(體積比)大于或等于99.99%。氮氣的壓力可根據用戶的要求，再綜合確定為幾個主要的壓力等級。

1.3 液體產品能力的確定

液氧、液氮的能力應根據用戶的需求和空分裝置自身液體后備系統的要求來確定。大型煤化工項目中，空分裝置的套數相對較多，考慮當單套空分裝置事故時，液體后備系統應能滿足短時間的氧、氮氣的供應和安全保護。不同的項目可根據全廠的用氣特點、空分裝置的運行經驗對液體產品的能力進行統一考慮。其它稀有氣體如氬氣、氪氣等的提取與否，需考慮投資成本及周邊的市場需求等因素確定。

總體設計階段，根據產品的能力和規格的確定，列出不同工況下空分裝置的預期能力，基本完成空分裝置的規模定義，在此基礎上才能開展流程及設備選擇、總圖布置等其它總體設計工作。

2 流程及設備特點

不同的項目空分裝置的流程及設備配置都會有所不同，就大型煤化工項目而言，其流程和設備的主要特點:

(1)流程多樣化。大型煤化工項目中對氧氣的需求量大且壓力通常為4.0 ～9.0MPa (G)，因此空分均采用內壓縮流程。但由于采用的煤氣化技術的不同，氧氣、氮氣用量及壓力等級區別很大，空分的流程形式多樣化，是采用空氣循環流程還是氮氣循環流程等問題，應依據項目針對性設計。

(2)大型機組集成化。原料空氣壓縮機和增壓壓縮機由一臺雙軸輸出汽輪機驅動，甚至可以再拖動一臺氮氣產品壓縮機。大流量壓縮機采用軸流加離心式。原料空氣壓縮機與增壓機、汽輪機共用一套潤滑油系統。

(3)采用空冷式冷卻。通常煤化工項目廠區地處缺水地區，為了節約水資源，蒸汽透平的排氣冷卻宜采用空冷器。空冷器占地面積大，應集中布置。由于換熱所需的吸風量大，在布置時要考慮與壓縮機吸風口的干擾問題。空冷器的換熱能力要根據當地氣溫考慮一定的裕量。

(4)低溫轉動設備可靠性。煤化工項目中單套空分能力大，任何一套空分裝置的停車將會造成下游裝置的停車，因此其設備的可靠性十分重要。低溫轉動設備由于運轉時處于低溫態，一旦發生故障，解決故障通常需要較長的時間，所以低溫轉動設備均應有較高的可靠性。

3 空分裝置與氣化爐的匹配

總體設計中，空分裝置與氣化爐的匹配性是一項主要工作。氧氣的主要用戶是氣化爐，空分裝置的系列/套數應與氣化爐的系列數合理匹配。首先應了解國內外單套空分設備最大制氧量。一般來說系列數較少投資相對低，但如果單套空分制氧量太大，實際無運行業績或生產能力，對于項目實施是不現實的。掌握目前空分設備的業績之后，再根據氣化爐的系列數進行匹配。從供需關系上講一套空分對應幾臺氣化爐，從管道配置上空分的氧氣母管如何設置，這與氧氣管道系統連接和配置方案相互關聯。下面舉例說明空分裝置與氣化爐的匹配設計。

某項目煤氣化裝置共設置32 臺氣化爐，氧氣總需求量為1.6 ×106Nm3/h，目前單套空分設備的制氧量可達10 萬等級。考慮兩種匹配方案:

方案一，設置16 套100000Nm3/h 的空分裝置，一套空分對應2 臺氣化爐。

方案二，設置32 套50000Nm3/h 的空分裝置，一套空分對應1 臺氣化爐。

對兩種方案進行如下綜合比較，確定空分的系列數和單套能力見表1。

表1 空分裝置與氣化爐匹配方案的比較

兩種方案與氣化爐的匹配性都合理可行，但通過各項指標的比較，方案一設置 16 套100000Nm3/h 的空分裝置更為優化。

4 氧氣及高壓蒸汽管道的系統連接

特大型空分裝置的氧氣母管設置方案是大型煤化工項目中眾多研究內容之一。通過對空分裝置與煤氣化裝置間氧氣管線的配置研究，達到裝置間、系列間的最佳配置，實現節約投資、優化操作等目的。

在氧氣管線的配置方案研究中，首先根據工程設計方法確定幾種空分裝置與煤氣化裝置之間氧氣管線的系統連接方案，如將空分裝置分成組，每組匯入一根氧氣總管，煤氣化裝置的氣化爐再分別從總管上取氣。列出各種連接方案，通過核算氧氣流速，比較方案的可行性。最后根據氧氣流速、管道材質、管道壁厚、管線長度、阻力降等進行方案的經濟性比較，確定最終的管道連接方案。

同樣的道理，動力站與空分裝置間的蒸汽運行以及蒸汽管線聯接的優化研究，既要滿足空分裝置空氣壓縮機透平對蒸汽參數的要求，使透平達到高效運轉，又要使蒸汽管線的投資合理，達到裝置間的最佳配置。

5 空分總平面布置、二氧化碳排放影響及污氮排放分布分析

空分裝置在總圖中的位置選擇首先應該符合相應標準規范的要求。就大型煤化工項目而言，空分總平面布置還需要特別考慮到空分與煤氣化裝置、動力站的布置原則，空分要相對靠近氧氣主要用戶煤氣化裝置和高壓蒸汽的供給裝置動力站。空分的布置還要考慮空分裝置周圍大氣環境的影響。空分裝置布置于廠區全年主導風向的上風向，同時還要盡量遠離周邊已建成的項目廠區。因大多煤化工項目處于煤化工基地內，周邊會有大型動力站和低溫甲醇洗裝置，易受到二氧化碳氣體擴散影響，周邊各類裝置烴類氣體的泄漏或排放，也會造成空分裝置周邊環境的烴類本底值偏高。綜合諸多因素，進行布置方案比較，列出各種方案的優缺點，形成最為優化的總圖布置。

目前在煤化工行業因空分裝置的不穩定造成主體生產裝置出現問題的事件時有發生。在空分系統運行過程中，常見的問題是區域性污染源排放的二氧化碳等污染物對空分的影響，可能對空分裝置產生影響的污染物還包括碳氫化合物、污氮等。如分子篩二氧化碳穿透造成板式熱交換器通道堵塞、吸入的空氣質量差使分子篩吸附能力達不到要求等，均能造成空分裝置運行不穩定。可對空分裝置安全生產產生影響的污染物主要有烴類，其中乙炔的危險性相對較大。調查表明，污氮系統造成空分裝置運行事件約占空分故障的42%。

在二氧化碳排放影響及污氮排放分布分析中，需要引入專業的研究機構，采用專業的模擬軟件來開展此項工作。污染物擴散過程和氣象條件有關，不同氣象條件造成的濃度分布及最大濃度差異較大，因此需要根據實際情況對不同氣象條件下二氧化碳擴散過程進行評估。研究不同氣象條件下二氧化碳排放對空分裝置進氣口大氣成分的影響，了解不同二氧化碳濃度分布范圍。多個大型空分裝置自身污氮放散使得污氮集中在空分裝置區，排放高度相對較低，可能出現高濃度區域，對人體健康產生危害，同時對區域環境空氣將產生影響，存在降低空分裝置的效率的可能性，對項目的安全穩定生產有一定危害。研究不同氣象條件下污氮排放對地面高濃度和空分裝置進氣口大氣成分的影響，了解不同高度污氮濃度分布范圍，了解危險區域。

根據二氧化碳排放影響及污氮排放分布研究的結果，預測了空分裝置生產運行中可能產生的安全隱患。為空分裝置總圖布置研究工作、空分裝置自身的分子純化器等設備的設計提供研究依據，對低溫甲醇洗此類需要排放大量二氧化碳的裝置提出多點排放的建議。也為裝置運行后給予相應的建議，如應加強空分裝置進氣口監測，設立風向標隨時掌握風向、加強管理建立裝置緊急排放聯系制度、加強對液氧的分析監測等。

在項目總體設計階段，針對空分裝置特點進行安全性分析研究十分必要，也是項目建成后穩定運行的有力保障。對項目周邊大氣擴散模擬研究以確定周邊項目和在建項目源強排放對空分裝置的影響范圍和程度，避免周邊及本項目排放的氣體對空分的安全和穩定運行造成不利影響。

6 結語

為適應煤化工行業的發展，空分裝置也向著多套特大型化的趨勢邁進。在特大型空分裝置的工程設計中首先要從宏觀角度著眼，包括總平面布置、周邊大氣的擴散模擬及工業氣體管道的配置方案等。在總體設計中，只有做好基礎工作，才能為后續的工作提供有力依據，使設計工作有條不紊的進行。特大型空分裝置的工程設計仍要結合已建成或在建項目中反饋出來的問題，不斷地改進完善。

1 蔣 旭. 國內外空分裝置的應用及發展［J］. 氣體分離，2013，84 (6):25 -33.

2 李化治. 對煤化工配套空分的特點及要求的探討［J］. 通用機械，2013，增刊2:46 -49.