昊華國泰60000 Nm3/h空分設(shè)備流程和配置的選擇

曹鎮(zhèn)海

(鄂爾多斯市國泰化工有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯獨(dú)貴塔拉工業(yè)園區(qū) 017418)

昊華能源鄂爾多斯市國泰化工有限公司(以下簡稱:昊華國泰)為實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)化，年產(chǎn)40萬t甲醇裝置的項(xiàng)目建設(shè)需配一套60000 Nm3/h空分設(shè)備。筆者參與了該套設(shè)備各參數(shù)及流程的確定以及配套設(shè)備的選型等工作，在這些方面積累了一些經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)只做簡單介紹以供參考。

1 空分廠家確定

空分技術(shù)相對比較成熟，就國內(nèi)技術(shù)來說，能夠生產(chǎn)六萬等級的空分廠家有杭氧股份有限公司、開封空分集團(tuán)有限公司，由于國產(chǎn)技術(shù)在此等級的空分裝置中，生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)很成熟，所以沒有選取外資廠家，本著安全、可靠的原則最終確定與杭氧股份有限公司進(jìn)行合作。杭氧股份有限公司在六萬等級的空分裝置中已經(jīng)簽訂30余套合同，投產(chǎn)的已有10余套，均已順利開車并達(dá)產(chǎn)。

2 空分設(shè)備參數(shù)的確定

2.1 氧氣產(chǎn)量及壓力的確定

1.根據(jù)昊華國泰使用煤質(zhì)和中科煤院作出的成漿性分析報(bào)告，昊華國泰使用的煤質(zhì)按照4∶4∶2的比例，做出煤漿濃度為55%和57%。據(jù)此，昊華國泰根據(jù)煤漿濃度和產(chǎn)能要求，日投煤量在2100 t/d(公稱規(guī)模)，有效氣(CO+H2)116364 Nm3/h(100%負(fù)荷)，設(shè)計(jì)按128000 Nm3/h(110%負(fù)荷)核算，則在制漿濃度降為55%時(shí)，出界區(qū)的干基CO∶43.84%，H2∶32.49%，有效氣含量:76.42% ，總氧量∶52903 Nm3/h。

在此基礎(chǔ)上，我們設(shè)計(jì)在55000 Nm3/h時(shí)，沒用多余氧量作為調(diào)節(jié)，而且系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)有10% 的操作余量。因此，空分裝置必須擴(kuò)大產(chǎn)能至57000 Nm3/h(最佳產(chǎn)能)即60000 Nm3/h(最大產(chǎn)能)。

2.由于氣化爐工作壓力為6.7 MPa(G)，考慮到氣化爐噴嘴處氧氣減壓也可以把煤漿霧化以及管道閥門等設(shè)備的阻力損失，最終將氧氣壓力定為8.7 MPa(A)。

基于上述因素，空分裝置最終將氧量定為57000Nm3/h(最佳產(chǎn)能)即60000 Nm3/h(最大產(chǎn)能)，壓力定為8.7 MPa(A)。

表1 氮產(chǎn)品規(guī)格Table1 Nitrogen product specification

表2 儀表空氣規(guī)格Table2 Instrument air specification

表3 設(shè)計(jì)工況各產(chǎn)品規(guī)格Table3 All product specification under design condition

2.2 氮?dú)猱a(chǎn)量及壓力的確定

根據(jù)昊華國泰年產(chǎn)40萬t甲醇整個(gè)裝置系統(tǒng)的要求，需要配置保安氮?dú)狻馓岬獨(dú)獾?，最終基于以上整個(gè)系統(tǒng)的要求確定為以下規(guī)格，見表1。

2.3 其他產(chǎn)品產(chǎn)量的確定

根據(jù)昊華國泰年產(chǎn)40萬t甲醇整個(gè)裝置系統(tǒng)的要求以及氣化裝置對儀表氣壓力0.7 MPa(G)的特殊要求，最終基于整個(gè)系統(tǒng)的要求確定為以下規(guī)格，見表2。

2.4 裝置的設(shè)計(jì)工況

最終該裝置的設(shè)計(jì)工況(即考核工況)見表3。

3 流程的選擇

1.由于氧氣壓力為8.7 MPa(A)，所需的氧氣產(chǎn)量為5700 Nm3/h(最佳產(chǎn)能)即60000 Nm3/h(最大產(chǎn)能)，如果采用外壓縮流程，需要配置特殊透平式氧壓機(jī)(或活塞式氧壓機(jī))，設(shè)備投資大，占地面積大，易損耗件多，增加了維修工作量和維護(hù)費(fèi)用，還存在一定的安全隱患。

2.相比較而言，外壓縮流程空分設(shè)備存在的主要安全隱患在于主冷凝蒸發(fā)器液氧側(cè)碳?xì)浠衔锏姆e聚和氧壓機(jī)，而內(nèi)壓縮流程是從主冷凝蒸發(fā)器抽出大量液氧經(jīng)過液氧泵至所需壓力后，再與高壓板式換熱器復(fù)熱出冷箱經(jīng)外送閥供后系統(tǒng)使用。從主冷中抽出液氧把氧側(cè)碳?xì)浠衔锓e聚的可能性降到最低。又由于增加了內(nèi)壓縮液氧泵而取消了氧壓機(jī)，再無高溫氧氣，火險(xiǎn)隱患小，安全性得以大大增強(qiáng)。

3.根據(jù)昊華國泰60000 Nm3/h空分項(xiàng)目所在地的實(shí)際情況，氣化工段對氧純度嚴(yán)格要求(99.6%)以及空分裝置以后的改造(上精氬系統(tǒng))，從用氧特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)效益考慮上增效氬塔用于提高氧的提取率和氧純度及以后的改造。

基于上述幾點(diǎn)，昊華國泰決定采用氮水預(yù)冷、常溫分子篩吸附凈化、空氣增壓透平膨脹、雙塔精餾帶增效氬塔、氧泵內(nèi)壓縮流程的空分設(shè)備和液體貯存系統(tǒng)，整套空分設(shè)備采用先進(jìn)的DCS分散控制系統(tǒng)。

圖1 流程簡圖Fig.1 Simple flow diagram

流程組織簡述如下:原料空氣自吸入口吸入，經(jīng)自潔式空氣過濾器過濾后的空氣進(jìn)入離心式空壓機(jī)，經(jīng)壓縮機(jī)三級壓縮兩級冷卻壓縮到約0.62 MPa(A)，然后進(jìn)入空氣冷卻塔冷卻。經(jīng)空冷塔冷卻后的空氣進(jìn)入切換使用的分子篩純化器，空氣中的二氧化碳、碳?xì)浠衔锖退直晃?。分子篩純化器為兩只切換使用，其中一只工作時(shí)，另一只再生。純化器的切換周期約為480 min，定時(shí)自動(dòng)切換。凈化后的空氣分成三股。一股供給用戶作為壓縮空氣和儀表空氣3。一股空氣進(jìn)入低壓板式換熱器，被返流污氮?dú)饫鋮s后直接進(jìn)入下塔。另一股空氣去增壓空壓機(jī)，這股空氣分成兩部分:一部分空氣經(jīng)增壓空壓機(jī)第一級葉輪增壓后抽出作為0.7 MPa(G)儀表空氣2。一部分空氣經(jīng)增壓空壓機(jī)增壓后分成兩股，一股進(jìn)入膨脹機(jī)的增壓風(fēng)機(jī)中增壓，然后被冷卻器冷卻至常溫后進(jìn)入高壓板式換熱器，用來與液氧換熱，高壓空氣經(jīng)節(jié)流后進(jìn)入下塔。一股進(jìn)入高壓板式換熱器，在高壓板式換熱器下部抽出進(jìn)入膨脹機(jī)去膨脹，膨脹后的空氣送入下塔?？諝饨?jīng)下塔初步精餾后，獲得液空、純液氮和污液氮，并經(jīng)過冷器過冷后節(jié)流進(jìn)入上塔。經(jīng)上塔進(jìn)一步精餾后，在上塔底部獲得液氧，并經(jīng)液氧泵壓縮后進(jìn)入高壓板式換熱器，復(fù)熱后出冷箱，進(jìn)入氧氣管網(wǎng)。從下塔頂部引出壓力氮進(jìn)入低壓板式換熱器，復(fù)熱后出冷箱。又在下塔頂部抽出液氮經(jīng)過冷器過冷后作為產(chǎn)品進(jìn)入貯槽。從上塔上部引出污氮?dú)饨?jīng)過冷器、高壓板式換熱器和低壓板式換熱器復(fù)熱出冷箱后分成兩部分:一部分進(jìn)入分子篩系統(tǒng)的蒸汽加熱器，作為分子篩再生氣體，其余污氮?dú)馊ダ渌?。該流程的主要特點(diǎn)是高壓空氣由膨脹機(jī)增壓端提供。其流程如圖1所示。

4 配套機(jī)組設(shè)備、閥門和儀表選擇

2011年11月，為了更好地了解國內(nèi)大型空分設(shè)備運(yùn)行情況，昊華國泰先后對國內(nèi)外空分設(shè)備運(yùn)行情況及國內(nèi)大型空分設(shè)備生產(chǎn)廠家進(jìn)行了實(shí)地考察及比較。經(jīng)比較后認(rèn)為:精餾系統(tǒng)，由于采用全低壓設(shè)備和上塔采用規(guī)整填料塔精餾分離，膨脹空氣無論是進(jìn)上塔還是下塔，流程設(shè)計(jì)都很成熟，而且國內(nèi)也采用先進(jìn)的應(yīng)力分析軟件進(jìn)行計(jì)算;在設(shè)備制造方面，國內(nèi)外都采用自動(dòng)焊接和收到焊接相結(jié)合，都擁有大型真空釬接爐。因此，對于空分氮水預(yù)冷系統(tǒng)、分子篩純化系統(tǒng)、低壓板式換熱器和精餾塔系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造，國內(nèi)有足夠的技術(shù)來保證。

汽輪機(jī)、壓縮機(jī)、增壓機(jī)、膨脹機(jī)、高壓液氧泵和閥門等關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行情況，是關(guān)系到大型空分長周期、高效低能耗運(yùn)行的關(guān)鍵點(diǎn)。因此對于這些設(shè)備，選用技術(shù)成熟、運(yùn)行可靠和擁有良好業(yè)績的國外知名主流品牌。

基于上述幾點(diǎn)，決定空分設(shè)備由杭氧總包，同時(shí)對一些關(guān)鍵設(shè)備提出特殊要求。

4.1 空壓機(jī)、空氣增壓機(jī)和汽輪機(jī)

空壓機(jī)、空氣增壓機(jī)和汽輪機(jī)如果采用國內(nèi)產(chǎn)品，設(shè)備投資費(fèi)用低，但設(shè)備運(yùn)行能耗和設(shè)備維護(hù)費(fèi)用相對而言比進(jìn)口產(chǎn)品高一點(diǎn)點(diǎn)，同時(shí)國內(nèi)還沒有六萬等級壓縮機(jī)組的運(yùn)行業(yè)績，對國內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量有顧慮。如果全部采用進(jìn)口產(chǎn)品，雖然設(shè)備投資費(fèi)用高，但運(yùn)行能耗和設(shè)備維修費(fèi)用相對低點(diǎn)。進(jìn)行過綜合考察對比后，壓縮機(jī)采用的是西門子成套的增壓機(jī)與空壓機(jī)一體式一拖一機(jī)組，整套機(jī)組全部進(jìn)口，輔助設(shè)備采用國內(nèi)配套的形式。

壓縮機(jī)組的選擇打破了常規(guī)的一拖二形式，也是目前空分行業(yè)的一種趨勢。此機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)在于:

1.選用西門子整套設(shè)備，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，機(jī)組整體效率高，特別是汽輪機(jī)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高等優(yōu)點(diǎn)，相比同行業(yè)要高3%。

2.采用空壓機(jī)與增壓機(jī)一體機(jī)，機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)通過背靠背的壓縮葉輪，能夠有效地消除軸向力。同時(shí)減少了變速齒輪箱，既減少了投資，又減少了一個(gè)動(dòng)設(shè)備的事故點(diǎn)。根據(jù)以前的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，變速齒輪箱是事故高發(fā)點(diǎn)。

3.采用軸頭泵形式為正常運(yùn)行機(jī)組供油。這樣可以大大節(jié)省電能，降低運(yùn)行成本。

4.采用一拖一的形式，降低了增壓機(jī)的出口壓力，對于機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行有很大好處。同時(shí)由于采用一個(gè)機(jī)殼，相應(yīng)地減少了成本。

5.采用單臺潤滑油泵兩路供電，一路是事故電源，一路為正常運(yùn)行電源。這樣既節(jié)省了一臺事故油泵，還減少了高位油箱，相應(yīng)地減少了投資。

4.2 高壓液氧泵和增壓透平膨脹機(jī)

高壓液氧泵采用進(jìn)口多級離心泵，配置進(jìn)口變頻調(diào)節(jié)器，低溫高壓氧泵采用一用一備的方式，在線冷備用，工作泵滿負(fù)荷運(yùn)行，備用泵低速怠轉(zhuǎn)。若工作泵出現(xiàn)故障，備用泵在短時(shí)間(約10 s)內(nèi)自動(dòng)達(dá)到工作負(fù)荷。增壓透平膨脹機(jī)是空分設(shè)備的核心之一，根據(jù)現(xiàn)在運(yùn)行的空分項(xiàng)目來看，一般一備一用的模式為一臺進(jìn)口一臺國產(chǎn)，而國產(chǎn)膨脹機(jī)就是一個(gè)擺設(shè)，在緊急情況下根本滿足不了瞬間啟動(dòng)的要求。采用單臺進(jìn)口膨脹機(jī)+備膨脹機(jī)總成的模式越來越受到行業(yè)內(nèi)的接受，就是在膨脹機(jī)出現(xiàn)問題的情況下，換膨脹機(jī)總成的時(shí)間也就小于4 h。由于一備一用的膨脹機(jī)沒有備總成，出現(xiàn)問題需現(xiàn)訂貨，這個(gè)周期比較長，所以根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮后，選用了進(jìn)口膨脹機(jī)+備膨脹機(jī)總成的模式。

4.3 高壓板翅式換熱器和關(guān)鍵閥門

高壓板翅式換熱器由于需要承受高壓，對設(shè)備的制造和焊接都提出了很高的要求，出于安全和長周期穩(wěn)定運(yùn)行考慮采用進(jìn)口產(chǎn)品。高壓空氣節(jié)流閥、高壓氧氣出口閥、高壓氧氣放空閥、高壓液氧泵進(jìn)出口閥、回流閥等一些關(guān)鍵閥門都必須采用進(jìn)口產(chǎn)品。

4.4 儀表

為了能有效地監(jiān)控成套空分設(shè)備的生產(chǎn)過程，確保運(yùn)行可靠，操作、維護(hù)方便，采用中央控制室DCS分散控制系統(tǒng)集中監(jiān)測控制為主，機(jī)旁盤和就地儀表監(jiān)測控制相結(jié)合的原則。中央控制室DCS分散控制系統(tǒng)采用國外進(jìn)口品牌，UPS采用兩個(gè)15KVA并級使用，延時(shí)30 min。

5 結(jié)束語

昊華國泰化工空分項(xiàng)目，工藝流程合理，壓縮機(jī)選配可靠，膨脹機(jī)、液氧泵選配了成熟可靠、運(yùn)行業(yè)績多的主流設(shè)備。目前該空分項(xiàng)目土建基本結(jié)束，設(shè)備已部分安裝完畢，預(yù)計(jì)2014年試車?？辗衷O(shè)備流程和配置的選擇是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，要根據(jù)建設(shè)單位的實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)地考察、調(diào)研，綜合考慮投資、安全、操作、場地、效益、設(shè)備能耗及維護(hù)等多方面的因素。進(jìn)行綜合比較，選擇最優(yōu)設(shè)備流程和配置，以便空分設(shè)備穩(wěn)定、長周期、低能耗運(yùn)行，為日后工廠降低運(yùn)行成本，提高企業(yè)利潤。