大型煤化工空分裝置工藝流程的選擇

崔立國

(內(nèi)蒙古大唐國際克什克騰煤制天然氣有限責任公司， 內(nèi)蒙古 赤峰 025350)

大型煤化工空分裝置工藝流程的選擇

崔立國

(內(nèi)蒙古大唐國際克什克騰煤制天然氣有限責任公司， 內(nèi)蒙古 赤峰 025350)

空分裝置也就是空氣分離裝置，它的重要作用就是對大氣中的氧、氮、氬氣體進行分離，空氣分離裝置在我國的各個行業(yè)領(lǐng)域都得到了廣泛的采用，漸漸的被大眾所熟知。文章主要對空氣分離裝置的技術(shù)內(nèi)容和為大型煤化工挑選合理的空氣分離設(shè)備技術(shù)做了簡要的概述，希望引起相關(guān)讀者的重視。

大型煤化工 空氣分離設(shè)備 技術(shù)選擇

1 空分裝置的概述

空氣分離裝置的主要任務(wù)是給氣化爐供給所需要的高純度氧氣，為煤氣化系統(tǒng)提供保護氮氣，以及相應(yīng)的儀表空氣和工廠空氣?？諝夥蛛x裝置在冷量過剩的情況下，也可以產(chǎn)生一些液體產(chǎn)品儲存到備用儲罐中，以確保在制氧過程中，在突然停車情況下系統(tǒng)仍可以進行工作。

2 空分裝置運轉(zhuǎn)過程及其特性

原料空氣自吸入口吸入，經(jīng)自潔式空氣過濾器除去灰塵及其他機械雜質(zhì)。過濾后的空氣進入離心式壓縮機，然后進入空氣冷卻塔冷卻。冷卻后的空氣經(jīng)分子篩純化器除去水分、二氧化碳及其他碳氫化合物。凈化后的空氣分為兩路，一路直接經(jīng)低壓板式換熱器進入下塔；另一路經(jīng)增壓換熱后去膨脹機進行制冷，并不斷將膨脹機的冷量帶入下塔進行積累直至產(chǎn)生液體，在此過程中可產(chǎn)生零下193℃的低溫。進入下塔的液空通過上下塔不同的壓力差而進入上塔，利用沸點的不同進行精餾，上塔產(chǎn)生的氮氣經(jīng)低壓板式換熱器送往用戶，而主冷產(chǎn)生的液氧經(jīng)液氧泵加壓并通過高壓板式換熱器換熱后送往用戶。

3 分離過程的多樣性

在大型煤化工工程中對氧氣的使用量很大而且壓力較高，所以進行空氣分離大多數(shù)都采用物理分離的方法。但由于挑選的煤氣化技術(shù)存在著差異，其氧氣、氮氣需求量和壓力大小也存在著較大的不同，致使空氣分離的分離方法具有多樣性，要按照工程的氣化技術(shù)方式具有的特定差異，有針對性的詳細設(shè)計，才能加以決定是采取哪種工藝方式。

(1)薄膜濾過工藝 空氣壓縮機把采集到的空氣壓縮，然后將壓縮后的氣體通過清理體系將氣體中的雜質(zhì)去除，最后把氣體輸送到膜分離機器中對空氣進行壓縮，使氧氣被膜的壓強差分離出來并聚集在一起，將其收集起來輸送到指定容器中，其實質(zhì)就是利用通過有機膜時不同組分的速度不同而達到分離的目的。通過這種工藝分離出來的氧氣純度只有45%，一般只適合在煉鐵或鍋爐中燃燒。

(2)變壓吸附工藝 運用空氣壓縮機對空氣加以壓縮，將壓縮后的氣體通過清理體系將純凈的氣體提取出來，在將其運輸至吸附塔內(nèi)，吸附塔里含有各種各樣的附著劑，可以對相應(yīng)的物質(zhì)進行附著作用，使氧氣或者氮氣被分離出來，最后對氣體進行過濾，將純凈的氧氣或者氮氣輸送至特定的容器中，投入到市場供消費者使用。這樣類型的吸附塔一面在進行吸附分離的工作，另一面可以對其進行降壓解除吸附物的處理，將附著劑內(nèi)的氣體分離出來并進行儲存。這種吸附塔不但可以達到兩種系統(tǒng)同時不停的運轉(zhuǎn)，以免因突發(fā)狀況導(dǎo)致氣體供應(yīng)中斷，還可以通過對附著劑的劑量加以掌控，以此來獲得不同品質(zhì)、不同濃度的氧氣或者氮氣，供消費者挑選。這種利用雙吸附塔交替工作的裝置雖然雖然實現(xiàn)了供氣的連續(xù)性，但終因其產(chǎn)生氧氣的純度只能達到90%而不被大型煤化工所采用。

(3)摩爾托克斯工藝 把壓縮后的氣體中的水和CO2排除出去是摩爾托克斯工藝重要的作用。通過吸附塔的附著原理，將壓縮后的氣體與吸附塔中熔融的鈉與鉀硝酸鹽進行吸附作用，再通過降壓解除吸附物技術(shù)將氧氣釋放出來，對其進行收集到指定容器中并投入市場供消費者使用。由于其工藝技術(shù)在實踐運用上存在產(chǎn)量、效益、環(huán)保等諸多缺陷，所以，在大型煤化工行業(yè)中很少應(yīng)用在生產(chǎn)氣體過程中。

(4)低溫精餾工藝 最經(jīng)典的低溫精餾工藝主要是對空氣進行壓縮，經(jīng)過空冷塔、水冷塔洗滌降溫，再經(jīng)分子篩的吸附作用，將雜質(zhì)去除，然后利用板翅式換熱器對氣體加以換熱，并對換熱后的氣體進行制冷后輸送到精餾塔，利用不同組分的沸點不同，對液體進行精餾，進而獲得高純度的氮、氧等不同的氣體。

還可以按照氧、氮氣體在進行壓縮時其低溫精餾工藝所存在的差異將其劃分為外壓縮和內(nèi)壓縮。外壓縮技術(shù)是空分裝置在制作低壓力氧氣后，應(yīng)用氧壓機對氣體施加特定的壓力，從而獲得特定氧氣種類的技術(shù)。隨著分子篩和大功率液氧泵的廣泛應(yīng)用，氧氣外壓縮的技術(shù)正逐漸退出歷史舞臺。

4 大型煤化工空氣分離裝置的工藝流程選擇

(1)空氣低溫液化精餾工藝選擇的必要性 因大型煤化工行業(yè)的特殊性和市場上對其產(chǎn)品要求的提高，需要相關(guān)技術(shù)人員對空氣分離裝置進行挑選的時候，要保證其具有安全、穩(wěn)定、高效的優(yōu)良品質(zhì)，以避免由于空氣分離裝置自身故障導(dǎo)致氣體供應(yīng)不上、威脅員工安全等危險發(fā)生。一般來說，根據(jù)空氣分離裝置的發(fā)展前景來看，在這些的工藝技術(shù)里，發(fā)展的最完善最安全的工藝就是低溫精餾工藝。

空氣低溫液化精餾工藝雖然工藝流程復(fù)雜，操作難度大，啟動時間長，投資成本高，且低溫深冷需要特殊設(shè)備，但因其工藝的可靠性，產(chǎn)氣的連續(xù)性，尤其是他能連續(xù)大量生產(chǎn)純度高達99.9%以上的高純度氧氣、氮氣，而被廣泛應(yīng)用在大型煤化工的工藝中。隨著空氣分離裝置的不斷發(fā)展，其低溫精餾工藝技術(shù)也隨之越來越完善。除此之外，大型煤化工行業(yè)對氧氣的需求量越來越大，縱觀空氣分離裝置的發(fā)展，只有低溫精餾工藝技術(shù)能夠連續(xù)產(chǎn)出較高產(chǎn)量、較高純度的氧氣來滿足大型煤化工的需求。

(2)大型空分裝置的熱交換方式的選擇 隨著現(xiàn)代煤化工的發(fā)展，對大型空分的產(chǎn)氣量要求也越來越高，由原來的每小時幾千立到每小時幾萬立、甚至上百萬立。同時隨著國家產(chǎn)業(yè)布局的調(diào)整，大型煤化工逐漸向中西部發(fā)展，而一般這樣的地區(qū)，水資源大都比較緊張。所以目前較大的空分裝置都采用空冷方式代替水冷方式對蒸汽透平排出的氣體進行換熱。

一般來講，大型煤化工工藝本身都設(shè)計有自備電廠，這樣自身用電成本較低。而用于給大型蒸汽透平排汽換熱的空冷島裝置，除了首次投資較大外，其后面運行的費用只有幾個低轉(zhuǎn)速電機所產(chǎn)生的電耗。這樣電機帶動風機，以風冷代替水冷，既節(jié)省了大量用水所產(chǎn)生的經(jīng)濟費用，又解決了干旱地區(qū)因缺水造成的資源短缺問題。

(3)大型空分裝置低溫工作的安全性 煤化工工程的規(guī)模十分龐大，以至于使空氣分離裝置要進行多套裝置并聯(lián)來達到供氣需求的標準，無論哪一套空氣分離裝置的停止運轉(zhuǎn)都會造成下游裝置停止運轉(zhuǎn)，所以要對其機器低溫工作的安全性引起相關(guān)的重視。

當然，空分裝置的安全運行不僅僅指裝置的連續(xù)穩(wěn)定運行，還有運行過程中人員的安全和設(shè)備的安全。由于空分屬于深冷，其運行時產(chǎn)生的液體溫度一般都達到零下163～193℃，所以操作時存在凍傷危險。又由于存在這樣的低溫環(huán)境，一旦設(shè)備需要檢維修，就需要提前將設(shè)備進行升溫復(fù)熱，而這一過程需要嚴格按照操作規(guī)程緩慢操作，以減小設(shè)備因驟冷驟熱受到損傷。

(4)空氣分離裝置的優(yōu)化 經(jīng)過近些年的實踐經(jīng)驗來看，隨著我國工業(yè)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，對空分裝置規(guī)模的需求也越來越大，在每年對空氣分離裝置進行維修時還需購買較多的液氮用以對煤制氣系統(tǒng)整體設(shè)備的保護，這樣與其每年對空氣分離裝置進行維修時花大價錢購買液氮，不如再增加一個后備液氮儲存系統(tǒng)來的實惠。因此，研究人員對液氮儲存系統(tǒng)進行了研究，對其加以優(yōu)化及創(chuàng)新?，F(xiàn)在的大型空氣分離裝置一般都具有后備液氮儲存系統(tǒng)，它的重要作用是當空氣分離裝置因突發(fā)原因而停止工作，或空氣分離裝置處在短期維修的時候，后備液氮儲存系統(tǒng)在這時就會被啟用，給煤氣化、煤液化等生產(chǎn)裝置提供各類所需規(guī)格的氮氣或保護用氮氣。

5 結(jié)束語

煤化工對空氣分離裝置的挑選措施還有很多，不僅僅局限于這些，科學的進步是永不停歇的，科學家對科學的探索也是不可估量的。要想使煤化工空分裝置工藝流程不斷被創(chuàng)新，持續(xù)發(fā)展，我們就要在對空氣分離裝置優(yōu)化的探索中有規(guī)律的思考總結(jié)，大膽的汲取國內(nèi)外的前沿技術(shù)和實踐經(jīng)驗，在前輩的研究發(fā)明上不斷探索，進行創(chuàng)新，解決一個個歷史遺留下來的種種難題，為我國大型煤化工這一行業(yè)的不斷發(fā)展做出貢獻。

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