350 kt/a水煤漿制氨配套空分工藝設(shè)計(jì)

吳清衛(wèi)，趙 陳

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

某廠新建350 kt/a 煤制氨項(xiàng)目，采用最新一代水煤漿氣化爐，氣化壓力6.5 MPa。為保證充分的爐焰噴流，噴嘴氧壓確定為8.6 MPa，需氧量為38×103m3/h（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），O2的體積分?jǐn)?shù)不小于99.6%；氨塔需氮量配比為36×103m3/h，另給其他裝置供氮9×103m3/h，氮壓力分別為6.5 MPa 和0.5 MPa，N2 的體積分?jǐn)?shù)99.99%以上，因此需配一套空分裝置。

1 工藝流程

1.1 流程分析

這種中大氣量并同時(shí)要求氧氮高純（雙高）的空分裝置，目前只有深冷空分工藝可用。這種工藝是將空氣經(jīng)低溫液化、利用氧氮沸點(diǎn)不同、用精餾分離提純制得。根據(jù)精餾原理和行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，雙高需要2個(gè)塔分級(jí)精餾，才能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。另因空氣所含的氬氣有一個(gè)穩(wěn)健的市場(chǎng)，其定壓沸點(diǎn)剛好落在主組分氧氮之間，可以方便地通過(guò)加設(shè)氬塔并行全精餾無(wú)氫制氬來(lái)增效。早年另一種制氫加氫除氧的制氬工藝因多方面落后現(xiàn)已淘汰不用。全精餾制氬系統(tǒng)可單獨(dú)切出，不影響主裝置運(yùn)行，本文不再討論?？諝饨M分見(jiàn)表1。

另外，CO2（冰點(diǎn)-56.6 ℃）的體積分?jǐn)?shù)約0.366×10-3，氬以外的稀有氣體的體積分?jǐn)?shù)合計(jì)約24×10-3，烴類為主的10多種雜質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)合計(jì)約10×10-3。

表1 空氣組分和物性Tab 1 Air compositions and their physical properties

實(shí)際原料空氣都含有水分（冰點(diǎn)0 ℃），項(xiàng)目地處南方氣候，原料空氣含濕較高，全年平均氣溫18 ℃、相對(duì)濕度79%時(shí)，對(duì)應(yīng)的水分壓約1.64%，夏季持續(xù)約3 個(gè)月的高溫濕熱天氣，其平均氣溫29 ℃、相對(duì)濕度82%，水分壓達(dá)到了3.32%。

要實(shí)現(xiàn)液化精餾，須在臨界溫度以下的深冷環(huán)境進(jìn)行，而原料空氣攜帶的水分和CO2等雜質(zhì)組分的冰點(diǎn)遠(yuǎn)高于主組分的臨界溫度，雖然量不大，但會(huì)局部富集并造成冰堵，迫使精餾中斷，因此入塔前必須先行脫除。目前普遍使用冷凍水預(yù)冷脫水串聯(lián)分子篩吸附純化。

1.2 流程設(shè)置

按分級(jí)精餾設(shè)置上、下塔，套用空分成熟工藝。工藝組織為：

1）經(jīng)純化的原料空氣壓送下塔，精餾提取低沸點(diǎn)的氮，余料壓送上塔提餾取高沸點(diǎn)的氧并行采氬，余氣放空。

2）氧量和氧壓為優(yōu)先保證。因液相氧的質(zhì)量密度遠(yuǎn)大于氣相氧而更易于調(diào)節(jié)，用泵從上塔釜抽取液相氧再?gòu)?fù)熱供爐，來(lái)滿足氣化爐需氧量的穩(wěn)定性和倒?fàn)t波動(dòng)。有富余時(shí)，產(chǎn)液氧出售。

3）高壓氮用泵抽送復(fù)熱供氣，低壓氮用塔壓送供氣。

4）2 個(gè)塔精餾所需的4 股冷熱源設(shè)置：將上塔釜液溫度設(shè)置為比下塔凝液溫度低1～3 ℃作傳熱溫差，用主冷實(shí)現(xiàn)上塔熱源兼作下塔冷源，而上塔冷源由下塔壓一股采出液上去作回流液閃蒸提供冷量，下塔熱源熱量則由原料空氣攜入。

流程如圖1所示。

圖1 空分工藝流程Fig 1 The air separation progress flow

1.3 初步計(jì)算結(jié)果

空分組分多氮少氧，原料空氣總量按氧取凈計(jì)，至少需干空氣181.4×103m3/h，夏季高濕空氣或187.6×103m3/h。氮的提取率31.8%。

取氬后，多余廢氣放空，放空量約96.6×103m3/h，放空量為空氣總量53%。

按產(chǎn)品純度和產(chǎn)量，用流程軟件模擬得，下塔取氮的理論塔板數(shù)約40 塊、高約16 m，上塔取純氧理論塔板數(shù)約55 塊，高約22 m。2 個(gè)塔高度一般，可上下疊加布置，中間擺主冷。

按精餾原理，空分精餾是一系列氣液相變過(guò)程，需要外界提供大額冷熱源來(lái)推動(dòng)，這些冷熱源的制造費(fèi)用，就是精餾的主要操作費(fèi)用[1]。實(shí)際工程按熱力學(xué)原理，通常是將原料空氣用壓縮機(jī)等溫壓縮后，用熱交換器送入深冷區(qū)域，再用膨脹機(jī)和節(jié)流閥制取冷量使空氣液化，來(lái)推動(dòng)精餾流程，主要操作費(fèi)用轉(zhuǎn)移到壓縮機(jī)能耗上，加上壓縮機(jī)耗功從環(huán)境收集稀薄大氣入塔做原料，總體能耗較大。

本項(xiàng)目需配備軸功率約30 MW 的全凝式汽輪機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)組，壓縮熱和汽機(jī)乏汽余熱用循環(huán)水冷移除，汽輪機(jī)熱源從煤制氨流程收集反應(yīng)熱產(chǎn)汽供應(yīng)，不足部分外購(gòu)，其余機(jī)泵購(gòu)市電驅(qū)動(dòng)。

1.4 精餾操作壓力和溫度

按工藝原理，原料空氣取自環(huán)境常壓，精餾之后還有53%的物料（污氮）需放空，則精餾操作壓力與大氣壓力越接近則系統(tǒng)越節(jié)能。但若取為負(fù)壓，龐大的物料流量需要龐大的真空系統(tǒng)來(lái)支撐則不現(xiàn)實(shí)。

因污氮量較大，且很干燥，還可通過(guò)一個(gè)水冷塔吸濕致冷制取一些冷凍水幫助預(yù)冷脫水，這樣放空口壓差、水冷塔阻力、流通管路阻力合計(jì)便確定了上塔頂?shù)牟僮鲏毫?，通常取微正?0～50 kPa，對(duì)應(yīng)氮的飽和溫度就是上塔頂操作溫度在-195～-192 ℃。

考慮塔阻，對(duì)應(yīng)氧的飽和溫度就是上塔底操作溫度約-180 ℃（0.136 MPa）。

主冷傳熱溫差取2 ℃時(shí)，則下塔頂操作溫度約-178 ℃，對(duì)應(yīng)氮的飽和壓力約為0.55 MPa 就是下塔頂操作壓力。

考慮塔阻，按模擬得釜液O2的摩爾分?jǐn)?shù)34%～38%的液化空氣，對(duì)應(yīng)液化溫度約-174 ℃。

其中一個(gè)規(guī)律，上塔操作壓力每變化±1 kPa時(shí)，為保證產(chǎn)品采出量穩(wěn)定，主冷傳熱溫差需保持不變，則下塔壓力需隨之變化約±3 kPa。

1.5 冷凍水預(yù)冷串聯(lián)分子篩純化

現(xiàn)今有眾多吸附劑供選，用在空分純化工序已十分成熟。

常用分子篩等吸附劑有優(yōu)先吸附極性分子尤其水分子的特性，在空氣各種雜質(zhì)組分里面，分子篩對(duì)水分子的吸附能力高于其它雜質(zhì)包括二氧化碳，其余10-6級(jí)雜質(zhì)也隨之吸附達(dá)標(biāo)[2]。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，分子篩主要任務(wù)就是脫除水分和二氧化碳，這其中二氧化碳的量比較固定，但水分的量會(huì)隨氣候呈現(xiàn)較大波動(dòng)，實(shí)際工程利用了低溫冷凍水降低水分飽和分壓的辦法來(lái)預(yù)先脫水到一定程度（預(yù)冷），剩下的水分根據(jù)吸附能力倍數(shù)關(guān)系，跟二氧化碳等雜質(zhì)一起用分子篩脫除，在脫水能力留有一定裕量的情況下，分子篩出口只需監(jiān)測(cè)二氧化碳一種組分含量即可查看整個(gè)吸附是否達(dá)標(biāo)。

通常按出口CO2的體積分?jǐn)?shù)10-6以下、脫水量高出脫碳總量一定倍數(shù)的關(guān)系，來(lái)確定吸附劑裝填量。為保證水量不超，預(yù)冷出口溫度需精確計(jì)算，并常年保持不超。這個(gè)溫度指標(biāo)很苛刻，通常需設(shè)置冷凍水來(lái)保證。這其中須注意直接傳質(zhì)傳熱的吸濕制冷工藝可能出現(xiàn)負(fù)溫差現(xiàn)象，這在冬季干燥季節(jié)可能造成結(jié)冰堵塔，故冷凍水溫下限應(yīng)設(shè)在水的冰點(diǎn)以上，通常留5 ℃或更高安全裕度。

按夏季高溫高濕天氣，計(jì)算本項(xiàng)目脫水脫碳量。原料空氣攜水、二氧化碳的質(zhì)量流量分別為5 007、130.4 kg/h。

視壓縮級(jí)數(shù)、循環(huán)水溫、末級(jí)出口壓力不同，攜水量約一半稍少?gòu)目諌簷C(jī)中冷器導(dǎo)淋排出，其余進(jìn)預(yù)冷塔進(jìn)一步脫除，剩余由分子篩脫除。設(shè)預(yù)冷出口壓力為0.59 MPa、溫度取12～13 ℃時(shí)，查水的壓焓圖并按分壓定律換算，得預(yù)冷出口飽和水分壓為0.198 4%～0.212 4%，計(jì)算得攜水量約289.9～310.3 kg/h，這里面出口壓力每降5 kPa，攜水量增加約2.4 kg/h。結(jié)果見(jiàn)表2。

原料空氣從分子篩出來(lái)后，有害雜質(zhì)體積分?jǐn)?shù)都降到了10-9級(jí)，氧、氮、氬3 大組分通過(guò)換熱器進(jìn)入深冷環(huán)境進(jìn)行精餾分離。

1.6 深冷的實(shí)現(xiàn)

一次制冷可能達(dá)不到所需低溫，若在制冷前面增加1 臺(tái)熱交換器，將制得之冷用于預(yù)冷（回?zé)幔?，再?jīng)制冷，則有機(jī)會(huì)更冷。這樣來(lái)回幾次，便有機(jī)會(huì)到達(dá)深冷?？辗衷奸_車就是這個(gè)過(guò)程。

類似簡(jiǎn)單流程有林德、克勞德、卡皮查等制冷循環(huán)，可以得到液化空氣。

實(shí)際工程是在上述多種制冷循環(huán)的基礎(chǔ)上綜合運(yùn)用，通過(guò)配置不同參數(shù)的壓縮機(jī)、增壓機(jī)、膨脹機(jī)、節(jié)流閥、熱交換器，以期得到最節(jié)能和可靠的制冷方式。

其中1種常用方式是：

1）空壓機(jī)以升壓的方式將能量注入原料空氣，分一股出來(lái)進(jìn)增壓機(jī)注入更多能量[3]。其中等溫壓縮損失壓縮熱；

2）注入能量的原料空氣全部送熱交換器，與低溫出塔氣熱交換，得到低溫原料空氣。其中熱傳遞損失傳熱溫差。

3）經(jīng)增壓的那股氣送氣體膨脹機(jī)（或節(jié)流閥），釋放能量制冷以后以氣相或氣液兩相入塔，剩余冷量將剩余原料空氣部分或全部液化入塔。這其中膨脹機(jī)輸出有用功。

4）液化空氣經(jīng)相變制冷，可在上下塔各部位得到更低的物料溫度。

5）這里面入塔氣液比例控制比較關(guān)鍵。以本項(xiàng)目為例，用流程模擬流程，選用PENG-ROM 物性，得入塔氣液摩爾比約3:1。

6）根據(jù)氣體物性，在空分深冷工作區(qū)域，氣體膨脹機(jī)絕熱等熵效率和節(jié)流閥膨脹效率都有一定程度提高，并且兩者趨近。這區(qū)域空氣各組分的壓力和溫度都在轉(zhuǎn)化曲線之內(nèi)，絕熱節(jié)流都產(chǎn)生冷效應(yīng)[4]。

7）氣體膨脹機(jī)處于核心位置，是整個(gè)深冷的動(dòng)力之源。通常使用一級(jí)透平膨脹機(jī)，回收的軸功率可直接回用給膨脹前的氣體再加一級(jí)壓縮。因有功輸出，膨脹機(jī)可獲得更大溫降和制冷量，帶增壓透平膨脹機(jī)的流程是當(dāng)前大型空分首選。

8）內(nèi)壓縮流程的氧氮產(chǎn)品以液相出塔，其精餾冷源消耗比外壓縮多，但綜合投資、維護(hù)、安全等多方面因素，內(nèi)壓縮有一定優(yōu)勢(shì)，特別是避免了傳統(tǒng)氧活塞、氧透平運(yùn)維過(guò)程中更容易與油脂發(fā)生燃爆的事故隱患。

1.7 多股流熱交換器

水煤漿制氨項(xiàng)目對(duì)所需氧氮產(chǎn)品狀態(tài)無(wú)特殊要求，以總能耗最低為原則，通過(guò)管道輸送，除了壓力需匹配，氣相常溫即可。

水煤漿制氨配套的空分，通常采用多股流熱交換器，按壓力等級(jí)設(shè)1組高壓和1組低壓，再設(shè)1組銜接上下塔用于改善精餾工況的過(guò)冷器。每組可以單只也可以多只串、并聯(lián)。因復(fù)熱溫差是一項(xiàng)比較大的損耗，需要很大的換熱面積來(lái)?yè)Q取理想的復(fù)熱溫差。

上述換熱器僅內(nèi)部精餾物料之間熱量互換，無(wú)第3介質(zhì)引入。這些換熱器型式通常采用多通道翅片式板換，材質(zhì)選用高強(qiáng)度、高換熱系數(shù)且耐深冷低溫的鋁鎂合金或類似材料，材料和工程量以及采購(gòu)費(fèi)用都比較高。其中水煤漿氣化爐需要匹配較高的壓力等級(jí)，加上換熱管內(nèi)存在較劇烈的物料氣液相變，高壓組熱交換器的可靠性被突出，產(chǎn)品市場(chǎng)選擇余地不大。

1.8 冷 箱

因深冷工況與外部環(huán)境存在巨大溫差，需要將深冷區(qū)域工作的設(shè)備和傳輸管道絕熱保溫（保冷）以降低溫?fù)p。本項(xiàng)目擬將精餾塔組和換熱器組各建1個(gè)冷箱，并通入干燥空氣或氮?dú)夥乐瓜鋬?nèi)結(jié)冰出險(xiǎn)。

1.9 主冷安全

傳統(tǒng)的兩塔精餾空分裝置，主冷部位有一個(gè)容易發(fā)生燃爆的安全隱患，這隱患主要是原料空氣中或多或少含有易引發(fā)燃爆的烴類物質(zhì)特別是乙炔，經(jīng)分子篩純化后，仍有極少量進(jìn)入并溶解在主冷部位的上塔氧釜液中，若釜液流動(dòng)性差，會(huì)有機(jī)會(huì)在釜液局部富集增濃與氧發(fā)生燃爆事故。

本項(xiàng)目綜合比較內(nèi)、外壓縮流程利弊，考慮低溫液體泵市場(chǎng)上已有成熟產(chǎn)品，選取用泵從上塔釜液直接抽取液氧升壓、再?gòu)?fù)熱供爐的內(nèi)壓縮流程，使氧釜液因大流量采出得以較快地流動(dòng)更新，最大程度消除了烴類物質(zhì)富集燃爆的安全隱患。

1.10 自動(dòng)化

深冷空分經(jīng)多年發(fā)展，操作流程已相對(duì)固化，當(dāng)今編程技術(shù)和算法已十分流行，PLC、DCS、CCS、SIS 等專業(yè)系統(tǒng)已十分成熟，理論上可將各調(diào)閥和傳感器組合起來(lái)，做成類似“一鍵啟?！钡南冗M(jìn)智能操作模式，并運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使管理者通過(guò)終端通信設(shè)備即可隨時(shí)隨地掌握空分生產(chǎn)動(dòng)態(tài)。

2 設(shè)備和廠商選擇

水煤漿制氨項(xiàng)目，約70%的二次能源消耗集中到了空分裝置上，能量密度大，對(duì)空分設(shè)備的可靠性和性能效率要求十分突出。

綜合考察國(guó)內(nèi)外各大空分廠商，招標(biāo)擇取，配套空分冷箱。

主要設(shè)備汽輪機(jī)、空壓機(jī)、增壓機(jī)、膨脹機(jī)、低溫液體泵、調(diào)閥等，綜合國(guó)內(nèi)國(guó)際各大品牌，對(duì)比配置和業(yè)績(jī)，對(duì)能耗、壽命等關(guān)鍵指標(biāo)作出具體要求，招標(biāo)擇取。

3 結(jié)束語(yǔ)

大型深冷空分本身是一個(gè)高能耗裝置，需與配套項(xiàng)目主體裝置一起運(yùn)行才能實(shí)現(xiàn)盈利，不同項(xiàng)目對(duì)空分產(chǎn)品狀態(tài)參數(shù)有不同需求，若設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)備選取不當(dāng)，直接影響裝置的投資、能耗、安全和穩(wěn)定性。本例空分的二次能源消耗占總體項(xiàng)目一半以上，從本質(zhì)安全角度選取了內(nèi)壓縮流程，原料空氣純化到二氧化碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)10-6以下，上塔頂出塔壓力取微正壓30 kPa，壓縮機(jī)、膨脹機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備選取了進(jìn)口機(jī)型。