350 kt/a合成氨配套39×103 m3/h空分的優(yōu)化選擇

劉明哲，王欣榮，毛紅峰

（1.浙江晉巨化工有限公司，浙江 衢州 324004；2.東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230088）

空分發(fā)展至今已近120年，其技術(shù)成熟度、安全性、可靠性等都已非常高。根據(jù)工藝流程可分為內(nèi)壓縮空分和外壓縮空分，根據(jù)膨脹工質(zhì)的不同可分為空氣循環(huán)流程和氮氣循環(huán)流程。其中空氣循環(huán)流程又分為空氣循環(huán)單泵流程和空氣循環(huán)雙泵流程，氮氣循環(huán)流程為氮氣循環(huán)單泵流程[1]。國內(nèi)使用氮氣循環(huán)流程用戶較少，氮氣循環(huán)流程一般適用于氮氣用戶壓力等級繁多的情況，目前運行的業(yè)績不多。根據(jù)主冷的結(jié)構(gòu)形式又可分為全浸式和降膜式。

工藝雖然已經(jīng)比較成熟，具體到每套裝置仍然根據(jù)各自的需求特點，有可以優(yōu)化選擇之處。筆者在此探討1 套350 kt/a 合成氨配套的39×103m3/h 空分裝置的優(yōu)化選擇。

1 裝置規(guī)模及要求

根據(jù)運行特點，要求裝置連續(xù)運轉(zhuǎn)穩(wěn)定供氣周期為不小于3 年，擬3 年全系統(tǒng)大加溫1 次，同步進(jìn)行設(shè)備檢維修工作，相應(yīng)動、靜設(shè)備以及儀表、電氣、控制系統(tǒng)均應(yīng)以此為目標(biāo)進(jìn)行流程組織及配置。裝置規(guī)模及要求見表1。

表1 空分裝置規(guī)模及要求Tab 1 Scale and requirements of air separation unit

2 流程與設(shè)備選擇

2.1 主流程

空分裝置的基本工藝流程按照產(chǎn)品氧氣的壓縮方式不同，分為外壓縮流程和內(nèi)壓縮流程。外壓縮流程是通過氧氣壓縮機將冷箱產(chǎn)生的常壓氧氣加壓至所需壓力。內(nèi)壓縮流程則是取消氧壓機，使用液氧泵將主冷中的液氧加壓到一定壓力后，與正流高壓空氣在高壓板翅式換熱器中間壁換熱得到高壓氧氣，供給用戶。

空分流程的選擇，取決于安全和效益2方面。

2.1.1 安 全

外壓縮流程空分裝置是通過氧壓機加壓氧氣來提高壓力的，作為氧化性氣體和助燃劑，溫度越高，壓力越高，風(fēng)險越大。內(nèi)壓縮流程是通過低溫液氧泵加壓液氧再復(fù)熱氣化得到高壓氧氣，39×103m3/h的空分設(shè)備液氧加壓量只有～50 m3/h，同時液氧泵是在低溫（-180 ℃）、低速（3 kr/min）下運轉(zhuǎn)，安全系數(shù)顯著提高?？辗衷O(shè)備運行安全重要風(fēng)險點之一就是主冷，隨著空分設(shè)備運行周期的延長（部分裝置連續(xù)運行超1 000 d），主冷液氧中碳?xì)浠衔锓e聚析出風(fēng)險加大。常規(guī)外壓縮空分，通過從主冷底部連續(xù)排放一定量液氧（一般是質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%液氧產(chǎn)量），避免主冷液氧中碳?xì)浠衔锓e聚析出。內(nèi)壓縮空分，液氧泵持續(xù)不斷的從主冷底部抽取液氧加壓送出，最大程度的避免了碳?xì)浠衔镌谥骼渲蟹e聚析出的可能，安全性進(jìn)一步提高。

化工項目中環(huán)境空氣組成復(fù)雜，為避免空氣中碳?xì)浠衔飳辗诌\行的影響，目前國內(nèi)外空分廠商在化工項目中大型空分的流程選擇上，基本采用內(nèi)壓縮流程配置。

筆者所籌建的項目，空分裝置主要服務(wù)于合成氨項目，以及工廠內(nèi)多個精細(xì)化工裝置，其中氧氣主要是為水煤漿氣化爐配置，氧壓高達(dá)8.5 MPa。從安全角度來說，選擇內(nèi)壓縮流程更合適。

2.1.2 投資與效益

1）投資。內(nèi)壓縮流程動設(shè)備（空氣壓縮機組、膨脹機、液體泵）、儀表調(diào)節(jié)閥等均為進(jìn)口，靜設(shè)備中高壓板翅換熱器一般選擇CHART、諾頓和FIVES 等進(jìn)口設(shè)備；外壓縮流程動設(shè)備（空氣壓縮機組、膨脹機）、儀表調(diào)節(jié)閥等均為進(jìn)口，氧壓機一般選擇國產(chǎn)設(shè)備，靜設(shè)備中低壓板翅換熱器一般選擇杭氧、中泰等國產(chǎn)設(shè)備。相比較來說，內(nèi)壓縮流程進(jìn)口設(shè)備略多，外壓縮進(jìn)口設(shè)備略少。常規(guī)來說內(nèi)壓縮流程投資略高，但如果氧壓過高，國產(chǎn)氧壓機尚無成熟產(chǎn)品，選擇進(jìn)口氧壓機將十分的昂貴，設(shè)備投資方面相對來說內(nèi)壓縮比外壓縮便宜。

所籌建的項目，氧壓高達(dá)8.5 MPa，從投資角度來說，選擇內(nèi)壓縮流程更合適。

2）效益。液體產(chǎn)品（對空分來說，通常是液氧、液氮和液氬，以及氪、氙、氖等稀有氣體）產(chǎn)出量和氧氣產(chǎn)品產(chǎn)出量的比例，對空分裝置能耗影響很大，產(chǎn)出氣體產(chǎn)品的同時產(chǎn)出大量的液體產(chǎn)品，或者氧氣產(chǎn)品壓力高（4.0 MPa 或更高），都是內(nèi)壓縮適合的場景[2]。業(yè)內(nèi)有一種說法，液體產(chǎn)品質(zhì)量比8%～10%是一個臨界點，低于這個比例以選用外壓縮空分為宜。如果籌建的空分項目液體產(chǎn)品質(zhì)量比在8%～10%的話，需要做細(xì)致的對比評估。

所籌建的項目，液體產(chǎn)品質(zhì)量比9%左右，考慮到實際供氣的過程中，用戶的使用量是有波動的，液體產(chǎn)品質(zhì)量比最多會達(dá)到15%以上，當(dāng)液體產(chǎn)量在一定范圍內(nèi)時，由內(nèi)壓縮空分直接增加液體產(chǎn)品的產(chǎn)出，比另外配置液化裝置產(chǎn)出液體產(chǎn)品更合算[3]。

綜合以上考慮，主流程選擇內(nèi)壓縮流程。

2.2 氮氣流程

項目氮氣的規(guī)格較多，而且用量的波動也較大。針對氮氣流程，有4種方案可供選擇：

方案一。0.4 MPa 氮氣、2.2 MPa 氮氣、6.5 MPa 氮氣均由上塔取氮氣加壓，設(shè)備配置為液氧泵×2+氮壓機。優(yōu)點是氧氣等提取率高，空壓機組小，工況調(diào)節(jié)靈活；缺點是能耗高，選擇離心機氮氣放散量大難匹配，占地面積較大。

方案二。0.4 MPa 氮氣直接從下塔抽取，2.2 MPa氮氣、6.5 MPa氮氣均由下塔取壓力氮氣進(jìn)一步加壓，設(shè)備配置分4種。優(yōu)點是氧氣提取率較高，工況調(diào)節(jié)靈活，總能耗低；缺點是選擇活塞機檢修頻繁穩(wěn)定性差，選擇離心機氮氣放散量大難匹配，占地面積增加。

主要設(shè)備配置：1）液氧泵×2+氮壓機×4（6.5 MPa 氮壓機3 臺，2.2 MPa 氮壓機1 臺，均為12×103m3/h）?；?）液氧泵×2+活塞氮壓機×4（6.5 MPa 氮壓機2 臺，2.2 MPa 氮壓機2 臺，均為12×103m3/h）；或3）液氧泵×2+離心機1 臺（2.2 MPa排壓、流量35×103m3/h）+活塞氮壓機×2（6.5 MPa排壓、流量12×103m3/h）；或4）液氧泵×2+離心機1 臺（2.2 MPa 氮氣中抽10×103m3/h、末端排壓6.5 MPa氮氣24×103m3/h）。

方案三。0.4 MPa 氮氣直接從下塔抽取，2.2 MPa 氮氣由下塔取壓力氮氣進(jìn)一步加壓，6.5 MPa氮氣由下塔抽取液氮加壓氣化復(fù)熱。主要設(shè)備配置：液氧泵×2+液氮泵×2（6.5 MPa 排壓）+氮壓機×2（2.2 MPa 排壓，體積流量10×103m3/h）。優(yōu)點是氧氣提取率較高，液氬產(chǎn)量增加，空壓機組較小，工況調(diào)節(jié)較為靈活，總能耗較低；缺點是選擇活塞機檢修頻繁穩(wěn)定性差，選擇離心機氮氣放散量大難匹配，占地面積增加。

方案四。0.4 MPa 氮氣直接從下塔抽取，2.2 MPa氮氣、6.5 MPa氮氣由下塔抽取液氮加壓氣化復(fù)熱。主要設(shè)備配置：液氧泵×2+液氮泵×4（其中6.5 MPa 排壓2 臺，2.2 MPa 排壓2 臺）。優(yōu)點是占地面積小，流程簡單，設(shè)備故障點少，運行穩(wěn)定，操作人員少，檢修維護(hù)工作少，液氬產(chǎn)量增加；缺點是氧氣提取率低，空壓機組較大，運行消耗較高，變工況時放散損失大。

比較這4個方案：

1）工廠布置以優(yōu)化簡潔為趨勢，由此首推方案四。

2）從效益來說，方案二有明顯優(yōu)勢，尤其是短期氮氣需求沒有跟上的時候。但是對比的時候沒有考慮需要增加人員的問題，如果考慮到管理成本以及每班增加1 人（2 臺活塞氮壓機的開停，班組增加人員符合生產(chǎn)實際，預(yù)計每年增加人工支出成本60 萬元。離心機因為負(fù)荷變動大，用在此方案內(nèi)效率打折嚴(yán)重），則在未來氮氣需求逐步實現(xiàn)符合預(yù)期的增長之后，該方案的效益方面就沒有任何優(yōu)勢，甚至于考慮到液體產(chǎn)品產(chǎn)量需要根據(jù)市場調(diào)節(jié)的話，方案四的總體評價會持平甚至好于方案二。

3）從方案配置來說，方案四和方案二，一個趨向于簡潔，一個趨向于降耗；方案一、三介于兩者之間，屬于每樣都沒做到極致。

4）土地的重要性不能簡單地以內(nèi)部土地價格來衡量，方案二多了上百平方米的土地，但產(chǎn)出不顯。

綜合以上因素，筆者籌建的項目選擇了方案四，氮氣流程為6.5 MPa 氮氣雙泵、2.2 MPa 氮氣雙泵、0.4 MPa氮氣下塔直接抽取氣氮，在推進(jìn)項目的同時，同步推進(jìn)其他用戶的開拓和其他氣體供應(yīng)單位的整合。

2.3 液體膨脹機

液體膨脹機工作原理類似于水輪機發(fā)電，是將流體能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能量的動力設(shè)備，它帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能。液體膨脹機和發(fā)電機連在一起稱為液體膨脹發(fā)電機組。他的主要作用是替代高壓液空進(jìn)下塔高壓節(jié)流閥。

采用液體膨脹機替代高壓液空節(jié)流閥的主要原因是，高壓液空需要送入下塔參與精餾，高壓液空和下塔存在較大壓差，需要經(jīng)過高壓節(jié)流閥節(jié)流降壓后才能進(jìn)入下塔，在這個過程中，節(jié)流是典型的不可逆過程，節(jié)流的高壓液體能量不僅被白白浪費，而且使得高壓液空含濕量降低，進(jìn)而造成空分設(shè)備產(chǎn)品提取率降低，總能耗增加，同時高壓液空節(jié)流閥伴有氣蝕現(xiàn)象，大大縮短了使用壽命，進(jìn)而影響到整套空分裝置的運行周期和經(jīng)濟性問題。采用液體膨脹機可有效回收流體的能量，同時減少以上負(fù)效應(yīng)。高壓液空節(jié)流閥與液體膨脹機的對比（39×103m3/h 空分模擬數(shù)據(jù)）見表2。

由表2可以看出，采用液體膨脹機每小時可減少功率消耗1.04 MW，使空分流程的能耗降低約3.3%；某43×103m3/h 空分裝置采用液體膨脹機每小時可減少功率消耗1.19 MW，使空分流程的能耗降低約3.5%[4]。液體膨脹機因為價格高昂，所以一般的更適合大空分選用，其降耗效果明顯，40×103m3/h 的空分裝置是否選擇液體膨脹機要根據(jù)自身的情況來定。

表2 高壓液空節(jié)流閥與液體膨脹機對比Tab 2 Comparison between high-pressure liquid-air throttle valve and liquid expander

項目所處區(qū)域電價較高，達(dá)到0.7元/(kW·h)，所以雖然籌建的空分規(guī)模不大，但是整體降耗產(chǎn)生的效益依然十分可觀，配置液體膨脹機更加合適。

3 結(jié)束語

所籌建的空分，結(jié)合自身的情況，從安全和效益2方面進(jìn)行了對比分析，選擇了安全和效益兼顧的內(nèi)壓縮八泵流程并配置液體膨脹機，滿足后系統(tǒng)合成氨39×103m3/h 氧氣、45×103m3/h 氮氣的需求，液體產(chǎn)量可以根據(jù)市場需求及后系統(tǒng)用氣情況調(diào)整，同時主要能源消耗3.4 MPa蒸汽消耗量在120 t/h 以內(nèi)，實現(xiàn)裝置的本質(zhì)安全、占地省、流程簡潔、人員精簡、運行成本低。

空分的流程配置仍有大量細(xì)節(jié)需要每個籌建者、供貨商去考慮，根據(jù)每個項目的特點和需求，進(jìn)行針對性的分析和選擇，兼顧安全和效益，流程優(yōu)化選擇大有文章可為。