350 kt/a水煤浆制氨配套空分工艺设计

吴清卫，赵 陈

（1.浙江晋巨化工有限公司；2.浙江巨化股份有限公司：浙江 衢州324004）

某厂新建350 kt/a 煤制氨项目，采用最新一代水煤浆气化炉，气化压力6.5 MPa。为保证充分的炉焰喷流，喷嘴氧压确定为8.6 MPa，需氧量为38×103m3/h（标准状态），O2的体积分数不小于99.6%；氨塔需氮量配比为36×103m3/h，另给其他装置供氮9×103m3/h，氮压力分别为6.5 MPa 和0.5 MPa，N2 的体积分数99.99%以上，因此需配一套空分装置。

1 工艺流程

1.1 流程分析

这种中大气量并同时要求氧氮高纯（双高）的空分装置，目前只有深冷空分工艺可用。这种工艺是将空气经低温液化、利用氧氮沸点不同、用精馏分离提纯制得。根据精馏原理和行业经验，双高需要2个塔分级精馏，才能稳定达标。另因空气所含的氩气有一个稳健的市场，其定压沸点刚好落在主组分氧氮之间，可以方便地通过加设氩塔并行全精馏无氢制氩来增效。早年另一种制氢加氢除氧的制氩工艺因多方面落后现已淘汰不用。全精馏制氩系统可单独切出，不影响主装置运行，本文不再讨论。空气组分见表1。

另外，CO2（冰点-56.6 ℃）的体积分数约0.366×10-3，氩以外的稀有气体的体积分数合计约24×10-3，烃类为主的10多种杂质的体积分数合计约10×10-3。

表1 空气组分和物性Tab 1 Air compositions and their physical properties

实际原料空气都含有水分（冰点0 ℃），项目地处南方气候，原料空气含湿较高，全年平均气温18 ℃、相对湿度79%时，对应的水分压约1.64%，夏季持续约3 个月的高温湿热天气，其平均气温29 ℃、相对湿度82%，水分压达到了3.32%。

要实现液化精馏，须在临界温度以下的深冷环境进行，而原料空气携带的水分和CO2等杂质组分的冰点远高于主组分的临界温度，虽然量不大，但会局部富集并造成冰堵，迫使精馏中断，因此入塔前必须先行脱除。目前普遍使用冷冻水预冷脱水串联分子筛吸附纯化。

1.2 流程设置

按分级精馏设置上、下塔，套用空分成熟工艺。工艺组织为：

1）经纯化的原料空气压送下塔，精馏提取低沸点的氮，余料压送上塔提馏取高沸点的氧并行采氩，余气放空。

2）氧量和氧压为优先保证。因液相氧的质量密度远大于气相氧而更易于调节，用泵从上塔釜抽取液相氧再复热供炉，来满足气化炉需氧量的稳定性和倒炉波动。有富余时，产液氧出售。

3）高压氮用泵抽送复热供气，低压氮用塔压送供气。

4）2 个塔精馏所需的4 股冷热源设置：将上塔釜液温度设置为比下塔凝液温度低1～3 ℃作传热温差，用主冷实现上塔热源兼作下塔冷源，而上塔冷源由下塔压一股采出液上去作回流液闪蒸提供冷量，下塔热源热量则由原料空气携入。

流程如图1所示。

图1 空分工艺流程Fig 1 The air separation progress flow

1.3 初步计算结果

空分组分多氮少氧，原料空气总量按氧取净计，至少需干空气181.4×103m3/h，夏季高湿空气或187.6×103m3/h。氮的提取率31.8%。

取氩后，多余废气放空，放空量约96.6×103m3/h，放空量为空气总量53%。

按产品纯度和产量，用流程软件模拟得，下塔取氮的理论塔板数约40 块、高约16 m，上塔取纯氧理论塔板数约55 块，高约22 m。2 个塔高度一般，可上下叠加布置，中间摆主冷。

按精馏原理，空分精馏是一系列气液相变过程，需要外界提供大额冷热源来推动，这些冷热源的制造费用，就是精馏的主要操作费用[1]。实际工程按热力学原理，通常是将原料空气用压缩机等温压缩后，用热交换器送入深冷区域，再用膨胀机和节流阀制取冷量使空气液化，来推动精馏流程，主要操作费用转移到压缩机能耗上，加上压缩机耗功从环境收集稀薄大气入塔做原料，总体能耗较大。

本项目需配备轴功率约30 MW 的全凝式汽轮机来驱动压缩机组，压缩热和汽机乏汽余热用循环水冷移除，汽轮机热源从煤制氨流程收集反应热产汽供应，不足部分外购，其余机泵购市电驱动。

1.4 精馏操作压力和温度

按工艺原理，原料空气取自环境常压，精馏之后还有53%的物料（污氮）需放空，则精馏操作压力与大气压力越接近则系统越节能。但若取为负压，庞大的物料流量需要庞大的真空系统来支撑则不现实。

因污氮量较大，且很干燥，还可通过一个水冷塔吸湿致冷制取一些冷冻水帮助预冷脱水，这样放空口压差、水冷塔阻力、流通管路阻力合计便确定了上塔顶的操作压力，通常取微正压10～50 kPa，对应氮的饱和温度就是上塔顶操作温度在-195～-192 ℃。

考虑塔阻，对应氧的饱和温度就是上塔底操作温度约-180 ℃（0.136 MPa）。

主冷传热温差取2 ℃时，则下塔顶操作温度约-178 ℃，对应氮的饱和压力约为0.55 MPa 就是下塔顶操作压力。

考虑塔阻，按模拟得釜液O2的摩尔分数34%～38%的液化空气，对应液化温度约-174 ℃。

其中一个规律，上塔操作压力每变化±1 kPa时，为保证产品采出量稳定，主冷传热温差需保持不变，则下塔压力需随之变化约±3 kPa。

1.5 冷冻水预冷串联分子筛纯化

现今有众多吸附剂供选，用在空分纯化工序已十分成熟。

常用分子筛等吸附剂有优先吸附极性分子尤其水分子的特性，在空气各种杂质组分里面，分子筛对水分子的吸附能力高于其它杂质包括二氧化碳，其余10-6级杂质也随之吸附达标[2]。根据这个特点，分子筛主要任务就是脱除水分和二氧化碳，这其中二氧化碳的量比较固定，但水分的量会随气候呈现较大波动，实际工程利用了低温冷冻水降低水分饱和分压的办法来预先脱水到一定程度（预冷），剩下的水分根据吸附能力倍数关系，跟二氧化碳等杂质一起用分子筛脱除，在脱水能力留有一定裕量的情况下，分子筛出口只需监测二氧化碳一种组分含量即可查看整个吸附是否达标。

通常按出口CO2的体积分数10-6以下、脱水量高出脱碳总量一定倍数的关系，来确定吸附剂装填量。为保证水量不超，预冷出口温度需精确计算，并常年保持不超。这个温度指标很苛刻，通常需设置冷冻水来保证。这其中须注意直接传质传热的吸湿制冷工艺可能出现负温差现象，这在冬季干燥季节可能造成结冰堵塔，故冷冻水温下限应设在水的冰点以上，通常留5 ℃或更高安全裕度。

按夏季高温高湿天气，计算本项目脱水脱碳量。原料空气携水、二氧化碳的质量流量分别为5 007、130.4 kg/h。

视压缩级数、循环水温、末级出口压力不同，携水量约一半稍少从空压机中冷器导淋排出，其余进预冷塔进一步脱除，剩余由分子筛脱除。设预冷出口压力为0.59 MPa、温度取12～13 ℃时，查水的压焓图并按分压定律换算，得预冷出口饱和水分压为0.198 4%～0.212 4%，计算得携水量约289.9～310.3 kg/h，这里面出口压力每降5 kPa，携水量增加约2.4 kg/h。结果见表2。

原料空气从分子筛出来后，有害杂质体积分数都降到了10-9级，氧、氮、氩3 大组分通过换热器进入深冷环境进行精馏分离。

1.6 深冷的实现

一次制冷可能达不到所需低温，若在制冷前面增加1 台热交换器，将制得之冷用于预冷（回热），再经制冷，则有机会更冷。这样来回几次，便有机会到达深冷。空分原始开车就是这个过程。

类似简单流程有林德、克劳德、卡皮查等制冷循环，可以得到液化空气。

实际工程是在上述多种制冷循环的基础上综合运用，通过配置不同参数的压缩机、增压机、膨胀机、节流阀、热交换器，以期得到最节能和可靠的制冷方式。

其中1种常用方式是：

1）空压机以升压的方式将能量注入原料空气，分一股出来进增压机注入更多能量[3]。其中等温压缩损失压缩热；

2）注入能量的原料空气全部送热交换器，与低温出塔气热交换，得到低温原料空气。其中热传递损失传热温差。

3）经增压的那股气送气体膨胀机（或节流阀），释放能量制冷以后以气相或气液两相入塔，剩余冷量将剩余原料空气部分或全部液化入塔。这其中膨胀机输出有用功。

4）液化空气经相变制冷，可在上下塔各部位得到更低的物料温度。

5）这里面入塔气液比例控制比较关键。以本项目为例，用流程模拟流程，选用PENG-ROM 物性，得入塔气液摩尔比约3:1。

6）根据气体物性，在空分深冷工作区域，气体膨胀机绝热等熵效率和节流阀膨胀效率都有一定程度提高，并且两者趋近。这区域空气各组分的压力和温度都在转化曲线之内，绝热节流都产生冷效应[4]。

7）气体膨胀机处于核心位置，是整个深冷的动力之源。通常使用一级透平膨胀机，回收的轴功率可直接回用给膨胀前的气体再加一级压缩。因有功输出，膨胀机可获得更大温降和制冷量，带增压透平膨胀机的流程是当前大型空分首选。

8）内压缩流程的氧氮产品以液相出塔，其精馏冷源消耗比外压缩多，但综合投资、维护、安全等多方面因素，内压缩有一定优势，特别是避免了传统氧活塞、氧透平运维过程中更容易与油脂发生燃爆的事故隐患。

1.7 多股流热交换器

水煤浆制氨项目对所需氧氮产品状态无特殊要求，以总能耗最低为原则，通过管道输送，除了压力需匹配，气相常温即可。

水煤浆制氨配套的空分，通常采用多股流热交换器，按压力等级设1组高压和1组低压，再设1组衔接上下塔用于改善精馏工况的过冷器。每组可以单只也可以多只串、并联。因复热温差是一项比较大的损耗，需要很大的换热面积来换取理想的复热温差。

上述换热器仅内部精馏物料之间热量互换，无第3介质引入。这些换热器型式通常采用多通道翅片式板换，材质选用高强度、高换热系数且耐深冷低温的铝镁合金或类似材料，材料和工程量以及采购费用都比较高。其中水煤浆气化炉需要匹配较高的压力等级，加上换热管内存在较剧烈的物料气液相变，高压组热交换器的可靠性被突出，产品市场选择余地不大。

1.8 冷 箱

因深冷工况与外部环境存在巨大温差，需要将深冷区域工作的设备和传输管道绝热保温（保冷）以降低温损。本项目拟将精馏塔组和换热器组各建1个冷箱，并通入干燥空气或氮气防止箱内结冰出险。

1.9 主冷安全

传统的两塔精馏空分装置，主冷部位有一个容易发生燃爆的安全隐患，这隐患主要是原料空气中或多或少含有易引发燃爆的烃类物质特别是乙炔，经分子筛纯化后，仍有极少量进入并溶解在主冷部位的上塔氧釜液中，若釜液流动性差，会有机会在釜液局部富集增浓与氧发生燃爆事故。

本项目综合比较内、外压缩流程利弊，考虑低温液体泵市场上已有成熟产品，选取用泵从上塔釜液直接抽取液氧升压、再复热供炉的内压缩流程，使氧釜液因大流量采出得以较快地流动更新，最大程度消除了烃类物质富集燃爆的安全隐患。

1.10 自动化

深冷空分经多年发展，操作流程已相对固化，当今编程技术和算法已十分流行，PLC、DCS、CCS、SIS 等专业系统已十分成熟，理论上可将各调阀和传感器组合起来，做成类似“一键启停”的先进智能操作模式，并运用互联网和物联网技术，使管理者通过终端通信设备即可随时随地掌握空分生产动态。

2 设备和厂商选择

水煤浆制氨项目，约70%的二次能源消耗集中到了空分装置上，能量密度大，对空分设备的可靠性和性能效率要求十分突出。

综合考察国内外各大空分厂商，招标择取，配套空分冷箱。

主要设备汽轮机、空压机、增压机、膨胀机、低温液体泵、调阀等，综合国内国际各大品牌，对比配置和业绩，对能耗、寿命等关键指标作出具体要求，招标择取。

3 结束语

大型深冷空分本身是一个高能耗装置，需与配套项目主体装置一起运行才能实现盈利，不同项目对空分产品状态参数有不同需求，若设计参数和设备选取不当，直接影响装置的投资、能耗、安全和稳定性。本例空分的二次能源消耗占总体项目一半以上，从本质安全角度选取了内压缩流程，原料空气纯化到二氧化碳的质量分数10-6以下，上塔顶出塔压力取微正压30 kPa，压缩机、膨胀机等关键设备选取了进口机型。