空分工藝流程優(yōu)化研究

郭旭斌

（中煤鄂爾多斯能源化工有限公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017317）

中煤鄂爾多斯能源化工有限公司3套空分裝置分兩期建成。如圖1所示，一期化肥項(xiàng)目配套建設(shè)2套制氧能力為40 000Nm3/h的空分裝置，核心設(shè)備空壓機(jī)和增壓機(jī)采用曼恩機(jī)械有限公司成套設(shè)備，汽輪機(jī)采用杭州汽輪機(jī)股份有限公司成套設(shè)備，主體設(shè)備采用四川空分設(shè)備（集團(tuán)）有限責(zé)任公司成套設(shè)備，2011年7月15日項(xiàng)目開始施工，2013年12月6日氧氮產(chǎn)品合格。如圖2所示；二期甲醇項(xiàng)目配套建設(shè)一套制氧能力為75 000m3/h的空分裝置，核心設(shè)備空壓機(jī)組采用西門子工業(yè)透平（葫蘆島）有限公司成套設(shè)備，主體設(shè)備采用杭州杭氧股份有限公司成套設(shè)備，2019年3月5日項(xiàng)目開始施工，2020年11月11日氧氮產(chǎn)品合格。

圖1 一期化肥項(xiàng)目2×40 000m3/h空分裝置工藝流程簡(jiǎn)圖

圖2 二期甲醇項(xiàng)目75 000Nm3/h空分裝置工藝流程簡(jiǎn)圖

1 空分裝置CO2設(shè)計(jì)點(diǎn)選取

我公司3套空分裝置分子篩吸附器均為立式徑向流雙層床結(jié)構(gòu)，兩只吸附器切換工作，由空冷塔來的空氣經(jīng)吸附器除去其中的水分、CO2和部分CnHm后，純化后一部分入增壓機(jī)合作產(chǎn)品氣外，其他進(jìn)入冷箱參與精餾分離，純化后空氣中水含量≤100ppm、CO2≤1μL/L，如表1所示。

表1 2022年1-3月份空分裝置自潔式過濾器入口空氣化驗(yàn)數(shù)據(jù)表

通過對(duì)我公司2022年1—3月空分裝置自潔式過濾器入口空氣化驗(yàn)數(shù)據(jù)表進(jìn)行分析，因自然環(huán)境或化工生產(chǎn)集群效應(yīng)等情況導(dǎo)致自潔式過濾器入口空氣中的CO2含量普遍高于420μL/L，同時(shí)生產(chǎn)中經(jīng)常存在風(fēng)向或后系統(tǒng)生產(chǎn)影響導(dǎo)致自潔式過濾器入口空氣中CO2含量瞬時(shí)劇烈波動(dòng)的情況。一期空分裝置依據(jù)公共基礎(chǔ)設(shè)計(jì)條件空氣中CO2設(shè)計(jì)點(diǎn)為500μL/L，一期2套空分裝置建成正常投產(chǎn)后，自潔式過濾器入口空氣中CO2含量不時(shí)出現(xiàn)遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值的情況，導(dǎo)致分子篩吸附器工作、再生負(fù)荷大，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)主冷凝蒸發(fā)器內(nèi)碳?xì)浠衔锕に囍笜?biāo)升高的情況。

二期空分裝置建設(shè)時(shí)借鑒一期空分裝置運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，技術(shù)人員和行業(yè)專家通過多次考察、研討和分析后，確定二期空分裝置空氣中CO2設(shè)計(jì)指標(biāo)≥800μL/L，通過1年多生產(chǎn)運(yùn)行考驗(yàn)，自潔式過濾器入口空氣中CO2含量劇烈波動(dòng)時(shí)，分子篩吸附器運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)工藝指標(biāo)平穩(wěn)無異常。新建空分裝置CO2設(shè)計(jì)點(diǎn)的選取因地而異，建議前期項(xiàng)目籌備時(shí)多進(jìn)行考察和研討，保證采用合理的CO2設(shè)計(jì)點(diǎn)，防止出現(xiàn)生產(chǎn)安全隱患。

2 空壓機(jī)放空流程優(yōu)化

一期空分裝置空壓機(jī)采用一體式氣動(dòng)蝶閥單路放空流程，放空閥安裝在空壓機(jī)出口工藝管道上，距離空壓機(jī)本體約3m，空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)存在管道和閥體振動(dòng)大的問題，導(dǎo)致放空閥控制部件故障率高，同時(shí)多年運(yùn)行后放空閥存在內(nèi)漏或調(diào)節(jié)不靈敏的問題，影響裝置穩(wěn)定生產(chǎn)。技術(shù)人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢查和分析，判斷為放空閥控制部件因振動(dòng)大損壞影響生產(chǎn)運(yùn)行，隨后改為分體式定位器，振動(dòng)大問題得到消除，生產(chǎn)運(yùn)行中再無此類故障發(fā)生，但是放空閥內(nèi)漏或調(diào)節(jié)不靈敏問題在每次大檢修期間需安排處理，存在不易檢修、維修成本高的情況。

二期空分裝置項(xiàng)目建設(shè)時(shí)，在充分借鑒一期空分裝置空壓機(jī)放空流程中存在的問題，二期空分裝置空壓機(jī)放空工藝流程采用兩路放空的改進(jìn)方式，距離空壓機(jī)本體較遠(yuǎn)的放空管道分別安裝氣動(dòng)球閥和氣動(dòng)蝶閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，優(yōu)化后的工藝流程可消除一期空分裝置存在的問題。二期空分裝置空壓機(jī)放空閥設(shè)計(jì)理念為氣動(dòng)球閥放空管線負(fù)責(zé)日?；蛐￠_度放空調(diào)節(jié)，氣動(dòng)蝶閥放空管線負(fù)責(zé)大開度放空調(diào)節(jié)，新建空分裝置通過試車、試生產(chǎn)和生產(chǎn)運(yùn)行考驗(yàn)，驗(yàn)證了放空控制精確、調(diào)節(jié)靈敏、故障率低、安全可靠的效果，可在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段采用此放空工藝流程優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)。

3 預(yù)冷系統(tǒng)流程優(yōu)化

二期空分裝置正常生產(chǎn)后，對(duì)3套空分裝置多次開停車過程進(jìn)行對(duì)比和總結(jié)，二期空分裝置預(yù)冷系統(tǒng)工藝流程未設(shè)計(jì)空冷塔出口空氣減壓到水冷塔干氣管道的流程，對(duì)比一期空分裝置運(yùn)行情況，在開車過程中未向冷箱導(dǎo)氣時(shí)空冷塔出口溫度長(zhǎng)時(shí)間高于設(shè)計(jì)值，期間分子篩吸附器工作負(fù)荷較大，存在長(zhǎng)時(shí)間工藝流程未打通，影響分子篩吸附器的正常運(yùn)行。對(duì)比一二期空分裝置開停車經(jīng)驗(yàn)，建議增加空冷塔出口空氣減壓到水冷塔干氣管道的流程，具備開車時(shí)建立水冷塔工況、降低空冷塔出口溫度、減少分子篩吸附器工作負(fù)荷、實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間空氣不進(jìn)冷箱的運(yùn)行條件，此項(xiàng)目投資少，實(shí)際運(yùn)行效果好，便于空分裝置各系統(tǒng)的建立和運(yùn)行，此運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可用在新建和改建項(xiàng)目中。

4 純化系統(tǒng)流程優(yōu)化

對(duì)比一期空分裝置開停車或運(yùn)行情況，二期空分裝置純化后空氣到增壓機(jī)入口管道未設(shè)計(jì)切斷閥，裝置開車時(shí)增壓機(jī)入口補(bǔ)氣時(shí)間長(zhǎng)，補(bǔ)氣時(shí)入口壓力調(diào)節(jié)滯后，增壓機(jī)和分子篩吸附器檢修時(shí)不便于單獨(dú)隔離，存在系統(tǒng)檢修時(shí)間長(zhǎng)的問題。在投資和技術(shù)條件允許時(shí)，建議純化后空氣到增壓機(jī)入口管道增加切斷閥，可縮短增壓機(jī)開車時(shí)間和優(yōu)化增壓機(jī)入口壓力精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)增壓機(jī)和分子篩吸附器單獨(dú)隔離檢修工作。

5 氣體膨脹流程優(yōu)化

二期空分裝置增壓機(jī)到氣體膨脹機(jī)管道未增加切斷閥，2臺(tái)氣體膨脹機(jī)在裝置吹掃時(shí)無法與增壓機(jī)進(jìn)行隔離，隨后在試車階段臨時(shí)設(shè)計(jì)、采購(gòu)、增加切斷閥，保證了氣體膨脹機(jī)的有效隔離和增壓機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，在工藝流程設(shè)計(jì)階段需注意全面考慮設(shè)備隔離吹掃或運(yùn)行的相關(guān)工作。

一期2套空分裝置采用增壓機(jī)中抽空氣作為膨脹機(jī)加工氣的流程，二期空分裝置采用增壓機(jī)中抽空氣作為膨脹機(jī)膨脹端加工氣和增壓機(jī)末級(jí)空氣作為膨脹機(jī)增壓端加工氣的工藝流程。通過一二期空分裝置膨脹機(jī)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)比氣體膨脹機(jī)采用一股空氣作為加工氣源，單氣源工藝流程操作要求低，生產(chǎn)運(yùn)行應(yīng)急處理時(shí)高壓板式換熱器熱平衡變化小、工藝調(diào)整少、操作簡(jiǎn)單，但膨脹機(jī)采用兩路加工氣源的流程對(duì)增壓機(jī)要求低、投入小等，需建設(shè)單位綜合評(píng)價(jià)后確定工藝路線。

6 液體膨脹流程優(yōu)化

一期2套空分裝置冷箱采用高壓空氣節(jié)流閥工藝流程，因高壓節(jié)流閥工作壓差、溫差變化大，裝置在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后出現(xiàn)閥門波動(dòng)、閥芯脫落等故障，故障出現(xiàn)后需空分裝置停車排液進(jìn)行檢修，對(duì)生產(chǎn)影響大，造成經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。二期空分裝置設(shè)計(jì)時(shí)采用液體膨脹機(jī)和高壓空氣節(jié)流閥的工藝流程，正常生產(chǎn)期間液體膨脹機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定、制冷量大、具有發(fā)電功能，對(duì)穩(wěn)定生產(chǎn)、節(jié)能降耗效果顯著，同時(shí)全量高壓空氣節(jié)流閥作為備用設(shè)備投入使用，裝置生產(chǎn)更加安全可靠。采用液體膨脹機(jī)的工藝流程，設(shè)備正常成本回收期為3年左右，同時(shí)可與高壓空氣節(jié)流閥互為備用流程，可有效提高裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性，此經(jīng)驗(yàn)可在新建裝置時(shí)推廣。

7 精餾系統(tǒng)流程優(yōu)化

二期空分裝置分餾系統(tǒng)設(shè)計(jì)有8臺(tái)低壓板式換熱器，在進(jìn)入的純化空氣總管設(shè)計(jì)1個(gè)總進(jìn)氣控制閥，試車和生產(chǎn)期間低壓氮?dú)?、污氮?dú)?、粗氬氣出換熱器溫度存在負(fù)溫和溫差大的現(xiàn)象，系統(tǒng)存在氣流分布不均勻、偏流的問題，尤其在夏季高溫天氣溫差更加明顯。判斷為大型空分裝置換熱器氣流偏流引起溫差不平衡，總包單位組織在進(jìn)低壓板式換熱器8個(gè)空氣支管上增加手動(dòng)蝶閥，通過生產(chǎn)運(yùn)行檢驗(yàn)低壓板式換熱器溫差得到有效改善，但是在分子篩吸附器每個(gè)再生周期時(shí)低壓板式換熱器的低壓氮?dú)?、污氮?dú)?個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)變化范圍不同，需及時(shí)調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)8個(gè)手動(dòng)蝶閥開度來消除溫差，存在不便于操作的情況。在大型空分裝置建設(shè)時(shí)，因換熱設(shè)備數(shù)量、管道尺寸的增大易出現(xiàn)高低壓板式換熱器氣流分布不均勻的情況，通過生產(chǎn)運(yùn)行后，建議在純化空氣進(jìn)冷箱的每個(gè)進(jìn)氣支管或反流低溫氣體尺寸較大管道上的增加控制閥，便于工藝流程的精準(zhǔn)控制，防止出現(xiàn)高低壓板式換熱器偏流溫差大的運(yùn)行問題。

8 后備系統(tǒng)流程優(yōu)化

一期空分裝置配套建設(shè)2個(gè)50m3液氧儲(chǔ)罐和2個(gè)100m3液氮儲(chǔ)罐，二期空分裝置配套建設(shè)1個(gè)1 000m3液氮儲(chǔ)槽，我公司低溫液氮洗工藝生產(chǎn)中需要大量使用液氮，因使用裝置距離遠(yuǎn)，外送液氮壓力、流量在生產(chǎn)中頻繁進(jìn)行調(diào)整，導(dǎo)致產(chǎn)品液氮壓力、流量波動(dòng)大。作為公用工程生產(chǎn)裝置，空分裝置全部處于生產(chǎn)狀態(tài)，如果出現(xiàn)局部故障檢修會(huì)引起后系統(tǒng)減產(chǎn)或停車，停產(chǎn)后系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)、生產(chǎn)影響廣、經(jīng)濟(jì)損失大。通過調(diào)研生產(chǎn)裝置建有液氧、液氮后備系統(tǒng)可有效解決短時(shí)間空分裝置局部故障停車的應(yīng)急檢修，對(duì)后系統(tǒng)影響可以降到最低或消除，造成的經(jīng)濟(jì)損失可降至最低。建議新建裝置設(shè)計(jì)配套的后備系統(tǒng)，在空分裝置故障狀態(tài)時(shí)可全量維持后系統(tǒng)正常生產(chǎn)，同時(shí)后備系統(tǒng)有低溫液體貯存?zhèn)溆谩⒌惯\(yùn)調(diào)峰、充裝槽車的功能，兼具穩(wěn)定生產(chǎn)、創(chuàng)收增效的作用。

9 地下管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化

我公司主生產(chǎn)裝置位于鄂爾多斯市烏審旗圖克鎮(zhèn)，場(chǎng)地屬于毛烏素沙地區(qū)域，一期空分裝置地下管網(wǎng)采用埋地管方式進(jìn)行敷設(shè)，裝置運(yùn)行多年后出現(xiàn)循環(huán)水、生產(chǎn)水管道多次泄漏的問題，埋地管道消除漏點(diǎn)時(shí)土方開挖困難、施工周期長(zhǎng)、檢修成本高、存在被動(dòng)檢修等問題。依據(jù)我公司地管檢修存在的困難和特殊地貌，建議在條件允許的情況下，建廠時(shí)統(tǒng)一規(guī)劃先進(jìn)的地管敷設(shè)方式，如混凝土管溝內(nèi)集中敷設(shè)地下管道等方式，可解決地管不便于操作，日常巡檢、檢修困難和檢修成本高等問題。

10 結(jié)束語

通過對(duì)我公司3套空分裝置生產(chǎn)運(yùn)行后工藝流程進(jìn)行梳理、分析和總結(jié)，優(yōu)化后的工藝流程經(jīng)驗(yàn)更加有利于空分系統(tǒng)的生產(chǎn)操作。此工藝流程優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)可在同類型裝置項(xiàng)目建設(shè)、技改優(yōu)化時(shí)評(píng)估后采納應(yīng)用，對(duì)裝置節(jié)能降耗、優(yōu)化操作和穩(wěn)定生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。