昊华国泰60000 Nm3/h空分设备流程和配置的选择

曹镇海

(鄂尔多斯市国泰化工有限公司，内蒙古自治区鄂尔多斯独贵塔拉工业园区 017418)

昊华能源鄂尔多斯市国泰化工有限公司(以下简称:昊华国泰)为实现能源转化，年产40万t甲醇装置的项目建设需配一套60000 Nm3/h空分设备。笔者参与了该套设备各参数及流程的确定以及配套设备的选型等工作，在这些方面积累了一些经验，现只做简单介绍以供参考。

1 空分厂家确定

空分技术相对比较成熟，就国内技术来说，能够生产六万等级的空分厂家有杭氧股份有限公司、开封空分集团有限公司，由于国产技术在此等级的空分装置中，生产技术已经很成熟，所以没有选取外资厂家，本着安全、可靠的原则最终确定与杭氧股份有限公司进行合作。杭氧股份有限公司在六万等级的空分装置中已经签订30余套合同，投产的已有10余套，均已顺利开车并达产。

2 空分设备参数的确定

2.1 氧气产量及压力的确定

1.根据昊华国泰使用煤质和中科煤院作出的成浆性分析报告，昊华国泰使用的煤质按照4∶4∶2的比例，做出煤浆浓度为55%和57%。据此，昊华国泰根据煤浆浓度和产能要求，日投煤量在2100 t/d(公称规模)，有效气(CO+H2)116364 Nm3/h(100%负荷)，设计按128000 Nm3/h(110%负荷)核算，则在制浆浓度降为55%时，出界区的干基CO∶43.84%，H2∶32.49%，有效气含量:76.42% ，总氧量∶52903 Nm3/h。

在此基础上，我们设计在55000 Nm3/h时，没用多余氧量作为调节，而且系统整体设计有10% 的操作余量。因此，空分装置必须扩大产能至57000 Nm3/h(最佳产能)即60000 Nm3/h(最大产能)。

2.由于气化炉工作压力为6.7 MPa(G)，考虑到气化炉喷嘴处氧气减压也可以把煤浆雾化以及管道阀门等设备的阻力损失，最终将氧气压力定为8.7 MPa(A)。

基于上述因素，空分装置最终将氧量定为57000Nm3/h(最佳产能)即60000 Nm3/h(最大产能)，压力定为8.7 MPa(A)。

表1 氮产品规格Table1 Nitrogen product specification

表2 仪表空气规格Table2 Instrument air specification

表3 设计工况各产品规格Table3 All product specification under design condition

2.2 氮气产量及压力的确定

根据昊华国泰年产40万t甲醇整个装置系统的要求，需要配置保安氮气、气提氮气等，最终基于以上整个系统的要求确定为以下规格，见表1。

2.3 其他产品产量的确定

根据昊华国泰年产40万t甲醇整个装置系统的要求以及气化装置对仪表气压力0.7 MPa(G)的特殊要求，最终基于整个系统的要求确定为以下规格，见表2。

2.4 装置的设计工况

最终该装置的设计工况(即考核工况)见表3。

3 流程的选择

1.由于氧气压力为8.7 MPa(A)，所需的氧气产量为5700 Nm3/h(最佳产能)即60000 Nm3/h(最大产能)，如果采用外压缩流程，需要配置特殊透平式氧压机(或活塞式氧压机)，设备投资大，占地面积大，易损耗件多，增加了维修工作量和维护费用，还存在一定的安全隐患。

2.相比较而言，外压缩流程空分设备存在的主要安全隐患在于主冷凝蒸发器液氧侧碳氢化合物的积聚和氧压机，而内压缩流程是从主冷凝蒸发器抽出大量液氧经过液氧泵至所需压力后，再与高压板式换热器复热出冷箱经外送阀供后系统使用。从主冷中抽出液氧把氧侧碳氢化合物积聚的可能性降到最低。又由于增加了内压缩液氧泵而取消了氧压机，再无高温氧气，火险隐患小，安全性得以大大增强。

3.根据昊华国泰60000 Nm3/h空分项目所在地的实际情况，气化工段对氧纯度严格要求(99.6%)以及空分装置以后的改造(上精氩系统)，从用氧特点和经济效益考虑上增效氩塔用于提高氧的提取率和氧纯度及以后的改造。

基于上述几点，昊华国泰决定采用氮水预冷、常温分子筛吸附净化、空气增压透平膨胀、双塔精馏带增效氩塔、氧泵内压缩流程的空分设备和液体贮存系统，整套空分设备采用先进的DCS分散控制系统。

图1 流程简图Fig.1 Simple flow diagram

流程组织简述如下:原料空气自吸入口吸入，经自洁式空气过滤器过滤后的空气进入离心式空压机，经压缩机三级压缩两级冷却压缩到约0.62 MPa(A)，然后进入空气冷却塔冷却。经空冷塔冷却后的空气进入切换使用的分子筛纯化器，空气中的二氧化碳、碳氢化合物和水分被吸附。分子筛纯化器为两只切换使用，其中一只工作时，另一只再生。纯化器的切换周期约为480 min，定时自动切换。净化后的空气分成三股。一股供给用户作为压缩空气和仪表空气3。一股空气进入低压板式换热器，被返流污氮气冷却后直接进入下塔。另一股空气去增压空压机，这股空气分成两部分:一部分空气经增压空压机第一级叶轮增压后抽出作为0.7 MPa(G)仪表空气2。一部分空气经增压空压机增压后分成两股，一股进入膨胀机的增压风机中增压，然后被冷却器冷却至常温后进入高压板式换热器，用来与液氧换热，高压空气经节流后进入下塔。一股进入高压板式换热器，在高压板式换热器下部抽出进入膨胀机去膨胀，膨胀后的空气送入下塔。空气经下塔初步精馏后，获得液空、纯液氮和污液氮，并经过冷器过冷后节流进入上塔。经上塔进一步精馏后，在上塔底部获得液氧，并经液氧泵压缩后进入高压板式换热器，复热后出冷箱，进入氧气管网。从下塔顶部引出压力氮进入低压板式换热器，复热后出冷箱。又在下塔顶部抽出液氮经过冷器过冷后作为产品进入贮槽。从上塔上部引出污氮气经过冷器、高压板式换热器和低压板式换热器复热出冷箱后分成两部分:一部分进入分子筛系统的蒸汽加热器，作为分子筛再生气体，其余污氮气去冷水塔。该流程的主要特点是高压空气由膨胀机增压端提供。其流程如图1所示。

4 配套机组设备、阀门和仪表选择

2011年11月，为了更好地了解国内大型空分设备运行情况，昊华国泰先后对国内外空分设备运行情况及国内大型空分设备生产厂家进行了实地考察及比较。经比较后认为:精馏系统，由于采用全低压设备和上塔采用规整填料塔精馏分离，膨胀空气无论是进上塔还是下塔，流程设计都很成熟，而且国内也采用先进的应力分析软件进行计算;在设备制造方面，国内外都采用自动焊接和收到焊接相结合，都拥有大型真空钎接炉。因此，对于空分氮水预冷系统、分子筛纯化系统、低压板式换热器和精馏塔系统的设计、制造，国内有足够的技术来保证。

汽轮机、压缩机、增压机、膨胀机、高压液氧泵和阀门等关键设备的运行情况，是关系到大型空分长周期、高效低能耗运行的关键点。因此对于这些设备，选用技术成熟、运行可靠和拥有良好业绩的国外知名主流品牌。

基于上述几点，决定空分设备由杭氧总包，同时对一些关键设备提出特殊要求。

4.1 空压机、空气增压机和汽轮机

空压机、空气增压机和汽轮机如果采用国内产品，设备投资费用低，但设备运行能耗和设备维护费用相对而言比进口产品高一点点，同时国内还没有六万等级压缩机组的运行业绩，对国内产品质量有顾虑。如果全部采用进口产品，虽然设备投资费用高，但运行能耗和设备维修费用相对低点。进行过综合考察对比后，压缩机采用的是西门子成套的增压机与空压机一体式一拖一机组，整套机组全部进口，辅助设备采用国内配套的形式。

压缩机组的选择打破了常规的一拖二形式，也是目前空分行业的一种趋势。此机组的优点在于:

1.选用西门子整套设备，运行稳定可靠，机组整体效率高，特别是汽轮机，具有结构紧凑、效率高等优点，相比同行业要高3%。

2.采用空压机与增压机一体机，机组结构紧凑，同时通过背靠背的压缩叶轮，能够有效地消除轴向力。同时减少了变速齿轮箱，既减少了投资，又减少了一个动设备的事故点。根据以前的运行经验，变速齿轮箱是事故高发点。

3.采用轴头泵形式为正常运行机组供油。这样可以大大节省电能，降低运行成本。

4.采用一拖一的形式，降低了增压机的出口压力，对于机组的稳定运行有很大好处。同时由于采用一个机壳，相应地减少了成本。

5.采用单台润滑油泵两路供电，一路是事故电源，一路为正常运行电源。这样既节省了一台事故油泵，还减少了高位油箱，相应地减少了投资。

4.2 高压液氧泵和增压透平膨胀机

高压液氧泵采用进口多级离心泵，配置进口变频调节器，低温高压氧泵采用一用一备的方式，在线冷备用，工作泵满负荷运行，备用泵低速怠转。若工作泵出现故障，备用泵在短时间(约10 s)内自动达到工作负荷。增压透平膨胀机是空分设备的核心之一，根据现在运行的空分项目来看，一般一备一用的模式为一台进口一台国产，而国产膨胀机就是一个摆设，在紧急情况下根本满足不了瞬间启动的要求。采用单台进口膨胀机+备膨胀机总成的模式越来越受到行业内的接受，就是在膨胀机出现问题的情况下，换膨胀机总成的时间也就小于4 h。由于一备一用的膨胀机没有备总成，出现问题需现订货，这个周期比较长，所以根据实际情况综合考虑后，选用了进口膨胀机+备膨胀机总成的模式。

4.3 高压板翅式换热器和关键阀门

高压板翅式换热器由于需要承受高压，对设备的制造和焊接都提出了很高的要求，出于安全和长周期稳定运行考虑采用进口产品。高压空气节流阀、高压氧气出口阀、高压氧气放空阀、高压液氧泵进出口阀、回流阀等一些关键阀门都必须采用进口产品。

4.4 仪表

为了能有效地监控成套空分设备的生产过程，确保运行可靠，操作、维护方便，采用中央控制室DCS分散控制系统集中监测控制为主，机旁盘和就地仪表监测控制相结合的原则。中央控制室DCS分散控制系统采用国外进口品牌，UPS采用两个15KVA并级使用，延时30 min。

5 结束语

昊华国泰化工空分项目，工艺流程合理，压缩机选配可靠，膨胀机、液氧泵选配了成熟可靠、运行业绩多的主流设备。目前该空分项目土建基本结束，设备已部分安装完毕，预计2014年试车。空分设备流程和配置的选择是一个非常复杂的过程，要根据建设单位的实际情况进行实地考察、调研，综合考虑投资、安全、操作、场地、效益、设备能耗及维护等多方面的因素。进行综合比较，选择最优设备流程和配置，以便空分设备稳定、长周期、低能耗运行，为日后工厂降低运行成本，提高企业利润。