煤化工用中空分装置节能与安全运行的研究

煤化工用中空分装置节能与安全运行的研究

空分装置的用量众所周知，大多数新气化炉的生产与氧气有关。无论是鲁奇天然气、德尚古气、还是目前的gsp气化炉，都需要氧气作为空气测试剂。在目前我国还不能实现区域供氧、社会化供气的情况下,生产中只能依靠企业自备空分装置制氧。因此,如何保证空分装置在煤化工生产中的安全运行,对煤化工企业来说尤为重要。本文从运用行业成熟技术和提高装置的安全性能两方面,对煤化工企业中空分装置的节能降耗和安全运行问题进行了分析。1能耗集成系统空分装置是一种高能耗设备。在化工行业中,制氧能耗约占总能耗的10%,甚至更大,所以降低空分设备的能耗是化工行业节能控潜、提高经济效益的有效途径之一。近年来,国内外空分行业新技术发展很快,继20世纪80年代后期分子筛吸附和增压透平膨胀等节能降耗新技术日趋成熟后,国外LINDE、APCI、BOC等空分设备制造商依据其雄厚的资本,在探索制造新工艺和设备技术改造方面取得了惊人的成就。1.1提高压机的效率低压空气分离的主要耗能设备是空压机,空压机的设计计算及制造工艺的改进使空压机的效率大为提高。近年来,制氧行业已开始采用等温型空气压缩机,这种压缩机采用三元流叶轮,冷却效果好,等温效率较高,可以实现在较小的动力消耗下进行高效的压缩,比传统空压机的能耗降低3%,在大容量的压缩机中其优势更为明显。1.2氧压机能耗特性近年来,除了空分等级的提高外,在空气精馏中最重要的一个进展就是用规整填料取代了筛板。规整填料塔具有压降小、塔径小、操作弹性范围大、能耗低的显著优点,采用规整填料可有效地降低上塔阻力,提高分离效率和操作稳定性。它使上塔底部压力和空压机排压降低尤为突出。资料显示,其上塔阻力可降至普通筛板塔的15%～20%。表1为空分装置使用筛板塔和填料塔各段阻力的比较。第68页图1给出了下塔操作压力与相对能耗之间的关系。从图1可以看出,能耗随着操作压力的降低而降低。规整填料的应用,强化了精馏,提高了产品提取率,增大了氧产量,减小了精馏阻力,从而降低了空压机的排压,达到高效节能的目的,可使精馏塔的氧提取率达到96%～99%或更高。计算表明,当上塔底部的压力降低Δp时,可使下塔顶部的压力降低3Δp,因此,上塔采用规整填料后,理论上可节能约8%。在实际运行中采用此项技术,能耗约下降4%～5%。由于上塔阻力明显下降,因此进入下塔原料空气的压力也无需常规那样高。这就意味着,空压机只需较低的出口压力即可满足全流程需求,空压机的能耗随之下降,所配电机功率自然减小。表2为美国Praxair公司生产的15000m3/h(标准状态)制氧机采用填料塔与筛板塔机组有关指标对比。使用填料塔压降减小所反映的另一方面是出塔产品气体压力升高。目前,氧压机多为离心式的,所需功率和压缩比有关,其等温压缩所需电机功率如公式(1):N=Qv/(102×3600)×RT×ln(p2/p1)(1)由公式(1)可以看出,当其他条件不变时,p1增加,N减小。表3为采用筛板塔和填料塔2种流程配套的氧压机有关参数对比。进口氧压机电机容量减小,虽有氧压机本身的效率因素,但主要是氧压机吸入压力提高而造成的。不言而喻,其吸入压力所以能提高的关键是采用了阻力降很小的填料塔。1.3空冷机组的应用在用户所用氧氮体积比为1∶1的情况下,流程中可考虑设置一水冷却塔,它利用富余的污氮和氮气的不饱和性(吸湿性),在氮气通过水冷却塔冷却水时携带大量的水分,而水分的蒸发需要潜热,在短暂的流通过程中,水分的蒸发难以从外界获得热量,只能吸收水的内能而进行气化,使水温降至12℃～13℃供空冷塔上段使用,此时空冷塔出塔空气温度达到14℃,这一温度可完全满足空分工艺要求。因此,取消冷水机组就变得切实可行了。取消冷水机组后,整套空分装置的能耗可下降约2%。目前,这种流程正逐渐成为一种国际趋势,它有效地利用了富余氮气和污氮,使设备能耗进一步下降,工艺进一步简化,用户使用和维护也更趋简便。2碳氢化合物从主冷中回收的原因空分装置发生爆炸的部位一般是主冷凝蒸发器和氧压机。前者主要是由空气中的碳氢化合物在主冷周围积聚及微量碳氢化合物固体颗粒堵塞主冷内翅片引起的;后者主要是因作为强助燃剂的氧气遇明火气体急骤膨胀引起的。如何消除这些隐患一直是业内同仁多年来努力解决的难点问题之一。2.1分子筛吸附器和切换系统的可靠性采用长周期、双层床净化、无冲击切换控制技术、双层床结构(活性氧化铝+分子筛)分子筛吸附器吸附空气中的水、二氧化碳、乙炔、丙稀、丙烷、重烃、N2O等杂质,可将有害气体成分在进入分馏塔之前予以彻底清除,从源头上消除了引起主冷凝蒸发器爆炸的隐患。吸附器底层活性氧化铝床层可有效地保护分子筛,延长分子筛使用寿命。采用双层床则可使吸附器再生阻力下降,再生温度降低,节约再生能耗。切换系统采用DCS自动控制,并设有压力压差自动判断,配合阀位返馈信号,可充分保证切换系统的可靠性。根据空分设备工艺要求,在常温分子筛吸附器出口设置CO2分析仪在线监控,控制该处φ(CO2)≤1×10-6。在这种情况下,水分、乙炔等有害杂质都能被清除干净,空分设备的运行安全可靠。一旦φ(CO2)≥1×10-6,则应分析、查找原因,或缩短分子筛吸附周期。2.2完善为液氧泵的管道除了在空气纯化系统采用高效分子筛有效去除空气中有害杂质外,采用液氧内压缩也不失为一种有效途径。如前所述,由于将液氧内压缩改氧压机为液氧泵,使得压力升高过程在液体阶段就已完成,安全性大大提高。加之,液氧泵是置于冷箱内部的,液氧直接气化去用户,避免了高压氧气管道在厂房内穿来穿去的弊端,也使空压机厂房的安全性能大大改善。另外,上塔主冷周围产生的液氧,要源源不断地经液氧泵抽出,加压后供用户,使其中有害杂质无法聚集,形不成爆炸浓度,从根本上杜绝了空分塔发生爆炸的隐患。所以,液氧内压缩流程是优于普通的氧压机且安全可靠的流程。2.3单元的密封主冷凝蒸发器板翅式单元设计时,翅片翅距要稀疏一些,防止运行时液氧中组分结晶,产生堵塞。主冷凝蒸发器板翅式单元制造时,环境要清洁,防止机械杂质进入通道,造成流道不畅或堵塞,埋下安全隐患。在工程设计中,主冷凝蒸发器要按照规范和制造厂要求,严格接地,防止静电积