壳牌气化炉配套大型空分的设计与运行

《气体分离》2008．No．5试验研究1、概述永城煤电（集团）有限责任公司煤化工项目是以煤为原料，采用壳牌煤气化技术，年产50万吨甲醇的大型化工项目。按照煤化工工艺技术及用户的综合要求，需配置一套制氧能力为53000m3/h的空分设备。永煤集团通过招标，开封空分集团以最优的技术方案，最高的性价比中标，于2004年12月8日签订合同，经过设计、制造、安装，于2007年11月28日顺利产出合格的氧气、氮气，2008年5月产出合格的液氩，空分开车进展正常，一次试车取得成功，并顺利通过考核，现装置转入正常的生产运行。壳牌气化炉配套大型空分的设计与运行马源刘景武（开封空分集团有限公司）表1正常工况主要技术指标产品名氧气液氧氮气（1）氮气（2）液氮液氩仪表空气工厂空气事故氮气纯度≥99.6%O2≥99.6%O2≤10×10-6O2≤10×10-6O2≤10×10-6O2≤1×10-6O2≤2×10-6N2常压露点,-40℃常压露点,-40℃≤10×10-6O2压力MPa（G）温度/℃37饱和1937饱和饱和404040备注氧气缓冲罐压力5.1MPaG下塔压力氮液氮泵内压缩增压机中抽吸附器后抽出表2煤气化开车工况主要技术参数产品名氧气液氧氮气（1）氮气（2）氮气（3）液氮液氩仪表空气工厂空气纯度≥99.6%O2≥99.6%O2≤10×10-6O2≤10×10-6O2≤100×10-6O2≤10×10-6O2≤1×10-6O2≤2×10-6N2常压露点,-40℃常压露点,-40℃压力MPa(G温度/℃37饱和193719饱和饱和4040备注氧气缓冲罐压力5.1MPaG下塔压力氮液氮泵内压缩上塔低压氮注：煤气化工况指在煤气化装置开车时，没有用于输送煤的二氧化碳气体，暂时以空分设备上塔抽出的38000m3/h氮气代替。2008．No．5《气体分离》该装置是目前国内自行成套、自行设计、制造并已投入运行的规模最大的空分装置。同时该套空分装置采用了当今世界上最先进的工艺流程，是一套典型的化工型双泵内压缩流程装置。2、53000m3/h（氧）空分装置的主要性能指标根据河南省永城煤电（集团）有限责任公司煤气化装置对产品规格的要求，其年产50万吨甲醇项目配套空分装置两种工况，其主要技术指标见表1、表2。3、53000m3/h(氧空分装置流程组织根据合同指标要求，从运行能耗、投资成本、安全性、可操作性等各方面综合考虑，本装置最终选择空气增压、膨胀空气进下塔、双泵内压缩流程，即采用增压空压机+液氧（氮）泵并通过换热系统的合理组织来取代氧（氮）压机。其中，氧气（52000m3/h，5.1MPa）由液氧泵加压后复热得到，氮气（11000m3/h，8.3MPa）由液氮泵加压后复热得到，氮气（32000m3/h，0.5MPa）由下塔直接抽取压力氮复热得到，为此提高原料空压机排压至0.575MPa，空压机排气量276000m3/h。原料空气经压缩、预冷和净化后，分为两股：一股进入低压板式换热器E1，出换热器底部进入下塔C1，另一股去空气增压机TC2。进入空气增压机的空气经增压机第一段增压到约2.6MPa(G后分为两股：一股直接出增压机，经冷却器冷却后进入膨胀机的增压风机B中增压，然后被冷却器冷却至常温后进入高压板式换热器E2，再从换热器中部抽出进入膨胀机ET去膨胀。膨胀后的空气进入下塔C1。另一股空气在增压机的第二段继续增压到7.0MPa(G并经后冷却器冷却至常温后进入高压板式换热器E2，与高压液氧、高压液氮及返流污氮气换热。这部分高压空气从换热器E2底部抽出经节流后进入下塔C1。空气经下塔C1初步精馏后，获得液空、纯液氮和污液氮，并经过冷器E3过冷节流后进入上塔C2。经上塔进一步精馏后，在上塔底部获得液氧，并经液氧泵OP1（或OP2）压缩后进入高压板式换热器E2，复热后出冷箱，进入高压氧气管网。另抽取液氧进入液氧贮存系统。在下塔顶部获得纯液氮，并经液氮泵NP1（或NP2）压缩后进入高压板式换热器E2，复热后出冷箱，进入高压氮气管网。另抽取液氮进入液氮贮存系统。在下塔顶部抽取压力氮气，经低压板式换热器E1复热后出冷箱，进入中压氮气管网。从上塔顶部引出氮气经过冷器E3和低压板式换热器E1复热出冷箱后进入低压氮气管网。4、主要配套机组及设备4.1原料空气压缩机和增压空气压缩机原料空气压缩机和增压空气压缩机均采用离心机，由一台汽轮机拖动，节省了投资及运行费用。原料空压机的作用是为装置提供带压原料气，增压空气压缩机的作用是为装置提供膨胀及高压液氧、高压液氮气化的气源。原料空气压缩机和增压空气压缩机采用曼透平产品，汽轮机采用西门子产品。4.2空气预冷系统空气预冷系统采用带水冷塔的新型高效空气预冷系统，其作用是冷却和洗涤原料空气。空冷塔采用特殊设计的散堆填料，水冷塔采用规整填料，具有传热传质效率高、操作弹性大、阻力降小的特点。目前开空集团已具备设计制造450000m3/h空冷系统的能力，本套装置主要着眼于系统的进一步优化设计。另外，考虑用户循环水质较差，空冷塔上段与水冷塔采用内循环，少量补水的形式，设氨蒸发器冷却水冷塔出来的水，使出空冷塔的空气温度较低，装置性能指标更好。4.3空气纯化系统空气纯化系统采用长周期、双层净化技术，切换系统采用了先进的无冲击切换设计，其作用是吸附空气中的水分、二氧化碳、乙炔、碳氢化合物等。分子筛吸附器采用双层床结构，底层活性氧化铝床层可有效地保护分子筛，延长分子筛使《气体分离》2008．No．5用寿命。蒸汽加热器采用双管板结构，运行更加安全可靠。4.4分馏塔系统分馏塔系统是本套空分装置的核心系统，其作用是利用低温精馏来分离原料空气中的氧、氮、氩。分馏塔中精馏系统采用了代表当今空分技术最先进水平的规整填料塔技术，具有氧提取率高、能耗低、工艺先进、运行安全可靠，操作维护方便等优点。上塔采用规整填料塔，下塔采用专用于大型空分设备的四溢流塔技术，同时粗氩塔I、粗氩塔II、精氩塔也均采用规整填料，而膨胀机、高压换热器、低温液体泵则采用进口知名品牌，确保装置的可靠性。5、总体布置该套5.3万空分装置规模较大，各单元设备、阀门、管道等规格比以往大了许多，在满足工艺的前提下，尽可能使分馏塔布置得合理、紧凑。（1）下塔（主冷）、上塔垂直复合布置。这种布置虽然冷箱高度比下塔（主冷）、上塔平行布置高，但省去了液体泵，流程简化可靠性高。以往空分设备下塔和主冷都是复合出厂的，考虑到该套装置为公路或铁路运输，在设计时特别注意这个问题。经过对开封至永城沿途道路状况的考察，在与设计、制造、运输三方协调后，确认采取特殊的运输方法可保证下塔、主冷复合出厂，到现场就位后，再与上塔复合。（2）本套空分装置有低压、高压两组换热器，为便于安装、检修，分别设置单独冷箱，并与主冷箱隔开，为防止与主冷箱连接处型钢在低温下冷缩变形，换热器冷箱与主冷箱采用过桥连接。（3）本套空分装置共有液氧泵、液氮泵、液氩泵三种流程泵，一用一备，共六台（一台运转，另一台在线冷备），为便于检修及从安全角度考虑，六台泵均单独布置，即设置单独小冷箱，置于主冷箱之外。（4）对部分重要的高压、低温液体阀门采用独立隔箱，方便维修。6、运行情况53000m3/h空分一次开车成功，为永煤集团煤化工项甲醇装置的开车奠定了坚实的基础，树立了良好的榜样。同时本套空分开车成功标志着五万等级大型空分设备国产化项目取得了圆满成功。该套空分设备在72小时的测试期间，各工况参数已趋同于设计值，各系统运转稳定，冷箱无结霜、跑冷现象、内部无泄漏情况。具体测试数据如表3所示：表3永煤53000m3/h空分考核数据表产品名称氧气液氧氮气（1）氮气（2）液氮液氩纯度≥99.6%O2≥99.6%O2≤1×10-6O2≤1×10-6O2≤1×10-6O2≤1×10-6O2≤2×10-6N2压力MPa(G7、结束语永煤53000m3/h（氧）空分项目的实施，标志着我国空分行业完全有能力自行设计