煤化工空分装置安全运行的研究

煤化工空分装置安全运行的研究

于明明

陕西省榆林市府谷县皇甫镇奥维乾元化工有限公司  719400

摘要：空分流程从源头上决定了空分装置的投资、能耗、运行的安全性、运行的稳 定性和可操作性等。随着煤化工产业的发展，装置规模化、设备大型化，空分装置作为煤化工项目中配套的核心部分，单套空分规模不断加大，总规模也 在不断扩大。本文重点探讨了确保煤化工中空分装置能够实现安全运行的措施，

关键词:煤化工；空分装置；安全运行

1引言

空分设备和气化炉是煤化工项目的两大核心设备， 但是当前的大型、特大型空分配套空压机、增压机、氧透、泵等机器动设备和高压低温阀门、 控制系统等， 均存在安全可靠性问题，且运行效率低、能耗高，因此项目业主担忧其质量不可靠，必须进行相应的研究措施，以提高技术水平。

工业气体是现代工业重要的基础原料，被喻为现代工业的“血液”。根据行业经验数据，工业气体行业增速是全球 GDP 增速的 2.0~2.5 倍。2018 年全球工业气体市场规模预计为 1,220 亿美元，中国工业气体市场规模预计为 1350 亿元。随着经济的增长，全球对工业气体将保持持续增长趋势。

2空分装置的发展趋势

空分流程的选型与计算从源头决定了装置的投资、运行能耗以及运营过程中的安全和稳定性（图 1）。流程选型是否合适、流程计算是否精确、参数选择是否合适直接影响到各单元部机设计参数、运行效率和运行稳定性（如空压机是否有较宽的稳定运行区间、膨胀机的带液量是否在允许的范围内、机组效率是否处于最佳、换热器截面温差的选择影响其长期稳定运行），影响到各单元部机的尺寸（如精馏塔的直径和高度、主换热器的换热面积和台数）以及相关机组设备的选型（如增压机是否增加一级叶轮），进而影响装置的投资；自动化程度的提高需要流程计算为各仪表设备选型提供相关参数（如介质浓度），自动变负荷技术的实现需要流程计算提供不同工况下的控制指标（如物流流量、温度、压力）等；精馏塔各物料流路的组织一方面涉及到操作方便与否和精馏系统的安全性，另一方面可以通过流路组织的合理设计提高塔的精馏效率（从而提高装置提取率）、降低塔的操作高度等；对于相同的产品规格，不同的流程组织能耗不同，如氮气产品的抽取方式（上塔还是下塔）；通过流程优化可减少整套装置中的转动设备的数量，降低装置的操作维护成本，提高装置的运行稳定性等。

图1空分流程设计是空分系统的灵魂

3 空气分离行业流程的发展变革

我国的空分流程主要经历了6次大的变革。以下简述了各个流程的特点：

3.1  第1代空分：铝带蓄冷器冻结高低压空分流程 流程组织较为复杂，主要由空气过滤压缩、高压空气 压缩、C02碱洗、氨预冷、膨胀制冷、换热、精馏等系统 组成。 这个流程复杂，膨胀机效率低，而且氧气的提取率 低，能耗高。

3.2  第2代空分：石头蓄冷器冻结全低压空分流程 相对于第一代空分流程大为简化，主要由空气过滤压 缩、空气预冷、膨胀制冷、换热、精馏等系统组成。 此流程相比较于第一代空分能耗有明显的下降，但使 冷箱内的设备和管道 变得复杂，工程费用高。

3.3  第3代空分：切换式换热器冻结全低压空分流程 空分流程水平在这个阶段有了很大的提高，这个流程 主要是由空气过滤压缩、空气预冷、膨胀制冷、换热、精 馏（含提氩设备）等系统组成。 此流程采用了传热效率高、结构紧凑轻巧板翅式换 热器 ，提高了空分设备的技术经济性 ，温度分布较为稳 定，膨胀机的效率提高了，所以能耗大大降低而且氧气的 提取率提高了。

 3.4  第4代空分：常温分子筛净化全低压空分流程 随着分子筛净化技术在空分领域的广泛应用，我国的 空风也衍变到第四代，加紧了分子筛净化空气冷箱外“前 端净化”技术。 第四代空分的流程采用常温分子筛，虽然操作维护方 便，但是为了保证在再生时污氮气有足够的压力，空压机 的排压要提高，导致能耗增加。

3.5  第5代空分：常温分子筛净化增压膨胀空分流程 为了体现节能这个主题，第五代空分主要在降低能耗 上下功夫，所以在运用常温分子筛的流程中引入了增加膨 胀机，使氧提取率进一步提高，能耗进一步下降。

3.6  第6代空分：常温分子筛净化填料型上塔全精馏 制氩流程 空分流程不断细化，精化，包括填料 技术的应用， 诞生了第六代空分，它主要由空气过滤压缩、高效空气预 冷、分子筛双层床净化、增压膨胀制冷、换热、精馏及全 精馏制氩等系统组成。

4低温空气分离流程选型原则

低温空气分离法需将空气在低温下液化。气体液化的理想循环由三个过程组 成——压缩、膨胀（制冷过程）和复热过程。简单的林德循环包含压缩、复热 以及节流过程；克劳特循环包含压缩、复热以及膨胀（等熵膨胀和等焓膨胀）过 程，克劳特循环也是现代低温空气分离法制冷循环的基础。除了液化循环，空 气的分离是在精馏塔中进行的。因此，低温空气分离法有四个必不可缺的过程， 即：压缩、制冷、复热以及精馏过程。与此相呼应，各类型的低温法空气分离流 程均有如下四个模块组成：空气压缩及预处理模块、制冷模块、换热模块和精馏 模块。四个模块中又以制冷模块、换热模块和精馏模块组织形式最为多变，这三 个模块也基本决定了不同的空分流程。空分装置产品通常情况下有压力需求，达 到所需压力可以通过压缩机压缩气体产品，或者通过液体泵将液体加压并在换热 器中汽化复热后送出等方式得到，本文不详细描述。 简单的低温空气分离过程见图 2。

图2低温空气分离过程

结束语

中国的工业气体市场的发展与其下游行业如钢铁及煤 化工行业的快速发展息息相关，中国的煤化工行业在近年 来将持续长足发展，并且得益于政府利好环境的支持，所 以工业气体的需求必将持续增长。 现今的工业生产中， 大型空分设备是冶金、石油化工、煤化工等行业发展不可 或缺的关键设备。随着我国国民经济持续发展，国内空分 设备产业也将步入“繁荣时期”。未来的几年，我国大型 空分设备的需求量正在持续看涨，市场需求也会随之逐步 增大。 同时，庞大的市场需求，必将推进以深冷工艺占据主 导工艺的国内空分设备技术向大型化、高自动化、节能高 效、安全可靠的方向飞速发展。空分设备产业的快速发展 也必将对提升我国装备制造业水平、开拓国际市场产生非常重要的影响。

参考文献:

[1]王丽丽，刘勃安 . 空分技术读本 [M]. 北京 ：化工工 业出版社，2009。

[2]黄进旗 王凤喜等 . 空分设备维修问答 [M]. 北京 ：机 械工业出版社，2008。

[3]牛延军。煤化工项目配套空分设备的选择[J]。深冷技术，2015。