大型煤化工项目空分装置的总体设计

雷霁霞 杨亚芝 中国寰球工程公司 北京 100012

随着煤化工产业的发展，装置规模化、设备大型化，空分装置作为煤化工项目中配套的核心部分，单套空分规模不断加大，总规模也在不断扩大。某4000kt/a 煤炭间接液化项目中配置12 套1.005 ×105Nm3/h 的空分设备为全厂提供氧气和氮气及液体产品。如此特大型的空分装置并不是简单的设备放大，无论是流程选择、设备制造还是工程设计都面临着许多关键的技术问题。

针对煤化工中空分装置的大型化，探讨空分装置工程设计中的总体设计方案，从设计院的角度对空分装置的规模确定、流程及设备特点、空分装置与气化炉的匹配、氧气及高压蒸汽管道的系统连接和配置方案、空分总平面布置、二氧化碳排放影响及污氮排放分布等进行分析研究。

1 装置规模的确定

空分装置总体设计的首要任务是确定装置规模及产品规格。煤化工项目中氧气作为气化剂和反应原料，煤气化对其需求是巨大的，因此空分装置的规模以氧气量来定义。

1.1 氧气能力及规格的确定

煤化工项目中，氧气的主要用户是煤气化装置，其它装置或有不多的需求，在氧气用量统计时，其规模的确定是根据煤气化装置及其它用氧装置的最大用量进行叠加，再综合实际运行中煤质的变化及用气装置的负荷调节，考虑一定的设计裕量。氧气的纯度应符合用户要求，通常为氧含量(体积比)大于或等于99.6%。氧气的压力则取决于煤气化的工艺和炉型，煤化工项目的用氧压力比较高，一般在4.0 ～9.0MPa (G)的压力范围。

1.2 氮气能力及规格的确定

需求氮气的装置较多，压力等级多样。根据氮气的用气特点，应按照不同的压力等级汇总氮气用量。氮气规模的确定是根据全厂各生产装置及辅助设施的正常用量(连续用量)，再由各装置使用氮气的特点，如最大用量的频率等，叠加几个氮气主要用户的最大用量(间断用量)与其正常用量的差值，在此基础上依据厂区的面积及管线输送距离，可考虑一定的管网损失。氮气的纯度应符合用户要求，通常为氮含量(体积比)大于或等于99.99%。氮气的压力可根据用户的要求，再综合确定为几个主要的压力等级。

1.3 液体产品能力的确定

液氧、液氮的能力应根据用户的需求和空分装置自身液体后备系统的要求来确定。大型煤化工项目中，空分装置的套数相对较多，考虑当单套空分装置事故时，液体后备系统应能满足短时间的氧、氮气的供应和安全保护。不同的项目可根据全厂的用气特点、空分装置的运行经验对液体产品的能力进行统一考虑。其它稀有气体如氩气、氪气等的提取与否，需考虑投资成本及周边的市场需求等因素确定。

总体设计阶段，根据产品的能力和规格的确定，列出不同工况下空分装置的预期能力，基本完成空分装置的规模定义，在此基础上才能开展流程及设备选择、总图布置等其它总体设计工作。

2 流程及设备特点

不同的项目空分装置的流程及设备配置都会有所不同，就大型煤化工项目而言，其流程和设备的主要特点:

(1)流程多样化。大型煤化工项目中对氧气的需求量大且压力通常为4.0 ～9.0MPa (G)，因此空分均采用内压缩流程。但由于采用的煤气化技术的不同，氧气、氮气用量及压力等级区别很大，空分的流程形式多样化，是采用空气循环流程还是氮气循环流程等问题，应依据项目针对性设计。

(2)大型机组集成化。原料空气压缩机和增压压缩机由一台双轴输出汽轮机驱动，甚至可以再拖动一台氮气产品压缩机。大流量压缩机采用轴流加离心式。原料空气压缩机与增压机、汽轮机共用一套润滑油系统。

(3)采用空冷式冷却。通常煤化工项目厂区地处缺水地区，为了节约水资源，蒸汽透平的排气冷却宜采用空冷器。空冷器占地面积大，应集中布置。由于换热所需的吸风量大，在布置时要考虑与压缩机吸风口的干扰问题。空冷器的换热能力要根据当地气温考虑一定的裕量。

(4)低温转动设备可靠性。煤化工项目中单套空分能力大，任何一套空分装置的停车将会造成下游装置的停车，因此其设备的可靠性十分重要。低温转动设备由于运转时处于低温态，一旦发生故障，解决故障通常需要较长的时间，所以低温转动设备均应有较高的可靠性。

3 空分装置与气化炉的匹配

总体设计中，空分装置与气化炉的匹配性是一项主要工作。氧气的主要用户是气化炉，空分装置的系列/套数应与气化炉的系列数合理匹配。首先应了解国内外单套空分设备最大制氧量。一般来说系列数较少投资相对低，但如果单套空分制氧量太大，实际无运行业绩或生产能力，对于项目实施是不现实的。掌握目前空分设备的业绩之后，再根据气化炉的系列数进行匹配。从供需关系上讲一套空分对应几台气化炉，从管道配置上空分的氧气母管如何设置，这与氧气管道系统连接和配置方案相互关联。下面举例说明空分装置与气化炉的匹配设计。

某项目煤气化装置共设置32 台气化炉，氧气总需求量为1.6 ×106Nm3/h，目前单套空分设备的制氧量可达10 万等级。考虑两种匹配方案:

方案一，设置16 套100000Nm3/h 的空分装置，一套空分对应2 台气化炉。

方案二，设置32 套50000Nm3/h 的空分装置，一套空分对应1 台气化炉。

对两种方案进行如下综合比较，确定空分的系列数和单套能力见表1。

表1 空分装置与气化炉匹配方案的比较

两种方案与气化炉的匹配性都合理可行，但通过各项指标的比较，方案一设置 16 套100000Nm3/h 的空分装置更为优化。

4 氧气及高压蒸汽管道的系统连接

特大型空分装置的氧气母管设置方案是大型煤化工项目中众多研究内容之一。通过对空分装置与煤气化装置间氧气管线的配置研究，达到装置间、系列间的最佳配置，实现节约投资、优化操作等目的。

在氧气管线的配置方案研究中，首先根据工程设计方法确定几种空分装置与煤气化装置之间氧气管线的系统连接方案，如将空分装置分成组，每组汇入一根氧气总管，煤气化装置的气化炉再分别从总管上取气。列出各种连接方案，通过核算氧气流速，比较方案的可行性。最后根据氧气流速、管道材质、管道壁厚、管线长度、阻力降等进行方案的经济性比较，确定最终的管道连接方案。

同样的道理，动力站与空分装置间的蒸汽运行以及蒸汽管线联接的优化研究，既要满足空分装置空气压缩机透平对蒸汽参数的要求，使透平达到高效运转，又要使蒸汽管线的投资合理，达到装置间的最佳配置。

5 空分总平面布置、二氧化碳排放影响及污氮排放分布分析

空分装置在总图中的位置选择首先应该符合相应标准规范的要求。就大型煤化工项目而言，空分总平面布置还需要特别考虑到空分与煤气化装置、动力站的布置原则，空分要相对靠近氧气主要用户煤气化装置和高压蒸汽的供给装置动力站。空分的布置还要考虑空分装置周围大气环境的影响。空分装置布置于厂区全年主导风向的上风向，同时还要尽量远离周边已建成的项目厂区。因大多煤化工项目处于煤化工基地内，周边会有大型动力站和低温甲醇洗装置，易受到二氧化碳气体扩散影响，周边各类装置烃类气体的泄漏或排放，也会造成空分装置周边环境的烃类本底值偏高。综合诸多因素，进行布置方案比较，列出各种方案的优缺点，形成最为优化的总图布置。

目前在煤化工行业因空分装置的不稳定造成主体生产装置出现问题的事件时有发生。在空分系统运行过程中，常见的问题是区域性污染源排放的二氧化碳等污染物对空分的影响，可能对空分装置产生影响的污染物还包括碳氢化合物、污氮等。如分子筛二氧化碳穿透造成板式热交换器通道堵塞、吸入的空气质量差使分子筛吸附能力达不到要求等，均能造成空分装置运行不稳定。可对空分装置安全生产产生影响的污染物主要有烃类，其中乙炔的危险性相对较大。调查表明，污氮系统造成空分装置运行事件约占空分故障的42%。

在二氧化碳排放影响及污氮排放分布分析中，需要引入专业的研究机构，采用专业的模拟软件来开展此项工作。污染物扩散过程和气象条件有关，不同气象条件造成的浓度分布及最大浓度差异较大，因此需要根据实际情况对不同气象条件下二氧化碳扩散过程进行评估。研究不同气象条件下二氧化碳排放对空分装置进气口大气成分的影响，了解不同二氧化碳浓度分布范围。多个大型空分装置自身污氮放散使得污氮集中在空分装置区，排放高度相对较低，可能出现高浓度区域，对人体健康产生危害，同时对区域环境空气将产生影响，存在降低空分装置的效率的可能性，对项目的安全稳定生产有一定危害。研究不同气象条件下污氮排放对地面高浓度和空分装置进气口大气成分的影响，了解不同高度污氮浓度分布范围，了解危险区域。

根据二氧化碳排放影响及污氮排放分布研究的结果，预测了空分装置生产运行中可能产生的安全隐患。为空分装置总图布置研究工作、空分装置自身的分子纯化器等设备的设计提供研究依据，对低温甲醇洗此类需要排放大量二氧化碳的装置提出多点排放的建议。也为装置运行后给予相应的建议，如应加强空分装置进气口监测，设立风向标随时掌握风向、加强管理建立装置紧急排放联系制度、加强对液氧的分析监测等。

在项目总体设计阶段，针对空分装置特点进行安全性分析研究十分必要，也是项目建成后稳定运行的有力保障。对项目周边大气扩散模拟研究以确定周边项目和在建项目源强排放对空分装置的影响范围和程度，避免周边及本项目排放的气体对空分的安全和稳定运行造成不利影响。

6 结语

为适应煤化工行业的发展，空分装置也向着多套特大型化的趋势迈进。在特大型空分装置的工程设计中首先要从宏观角度着眼，包括总平面布置、周边大气的扩散模拟及工业气体管道的配置方案等。在总体设计中，只有做好基础工作，才能为后续的工作提供有力依据，使设计工作有条不紊的进行。特大型空分装置的工程设计仍要结合已建成或在建项目中反馈出来的问题，不断地改进完善。

1 蒋 旭. 国内外空分装置的应用及发展［J］. 气体分离，2013，84 (6):25 -33.

2 李化治. 对煤化工配套空分的特点及要求的探讨［J］. 通用机械，2013，增刊2:46 -49.