技术篇：大型煤化工空分装置总体设计配备方案涉及哪几个方面？

文/周栓保

众所周知煤化工目前乃至今后的发展方向都是规模化、大型化、一体化、基地化，煤化工共同特点都是占地面积大，设施规模大，全厂优化集成难度大等。因此项目各个工艺装置的规模、配置、总图布置、配管设计、设备管道阀门选择、仪表控制联锁方案及开停车管理等一系列的设计/优化课题值得我们研究和探讨。空分装置作为煤化工项目中配套的核心装置，从装置运行可靠性、稳定性和经济性综合因素考虑，无论是工程设计、工艺流程组织选择及配套机组的选配都面临着诸多关键技术问题。
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% H: K/ f# G( n: v. ?" f/ a空分装置的规模确定

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空分装置总体设计的首要任务是确定装置规模及产品规格，煤化工项目中氧气作为气化剂和反应原料，煤气化对其需求量是巨大的，因此空分装置的规模都是以氧气量来定义的，空分装置的最大（105%工况）产品规模确定要依据汽化炉原料煤热值最低时的工况（比氧耗较高）和汽化炉110%汽化负荷时的最大需氧量而定，避免出现小马拉大车制约生产能力，更不能出现大马拉小车能耗增加。


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3 S  M# |- D! [4 W4 a" {, E* 产品氧气能力及规格的确定
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氧气的主要用户是煤气化装置，全厂其他装置或有微少需求，氧气用量统计是根据煤气化装置和其它用氧装置的最大用量进行叠加，再综合实际运行中原料煤煤质的变化及用气装置的负荷调节考虑一定的设计裕量；氧气的纯度应符合用户要求，通常为氧含量（体积比）≥99.6%；氧气的压力则取决于煤气化的工艺和炉型，一般在4.0～9.0MPa（G）的压力范围。


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* 产品氮气能力及规格的确定
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1 }( Z- F5 J  g7 {一般煤化工合成氨项目中氮气的主要用户是气体精制工段（液氮洗装置分子筛再生气、精制气配氮等）、低甲工段气提氮，再者是氮气作为各装置必不可少的保护气、密封气、吹扫气等其需求装置较多，压力等级也较为多样化，根据各装置氮气的用气特点再按照不同的压力等级来汇总氮气用量；空分装置氮气规模的确定是根据全厂各生产装置及辅助设施的正常连续用量，再依据各装置使用氮气的特点（最大用量的频率等），叠加几个氮气主要用户的最大用量（间断用量）与其正常用量的差值，在此基础上再根据厂区的面积及管线输送距离，还需考虑一定的管网损失。氮气的纯度应达到用户要求，通常为氮含量（体积比）≥99.99%，氮气的压力可根据用户的要求，再综合确定为几个主要的压力等级。

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- f" N" P1 w- S: x一般煤化工合成氨项目中氮气压力有以下几个等级：
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①下塔抽取0.42MPa的氮气用于气体精制工段分子筛再生气和低甲气提氮及全厂密封气、保护气等；
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6 B8 x" P6 o* N$ W②内压缩6.2MPa高压氮气主要用于精制气配氮等；
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③13.2MPa超高压氮气主要用于煤汽化装置的保护和吹扫，超高压氮气系统则必须单独设置为后备供应模式；
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6 N/ M5 L" {6 Y④全厂事故/吹扫0.6MPa氮气则需要单独设置为后备系统供应模式。

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* 液体产品及其它产品能力的确定

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2 t, ?8 M% }# T" ?: e! W1 W: j5 p液氧、液氮的能力应根据用户的需求和空分装置自身液体后备系统的要求来确定，不同的项目可根据全厂的用气特点、空分装置的运行经验对液体产品的能力进行统一考虑，如：从设计角度上就必须考虑好气体工况与液体工况的转换、液氧产品与液氮产品的转换生产调节模式。其它稀有气体如氩气的提取与否，需考虑投资成本及周边的市场需求等因素再确定。


空分装置主工艺流程及配套机组配备特点
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（一）  流程多样化
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1、 空气循环单泵内压缩流程：适用于氮气压力不太高、流量不太大、设备（氮压机）投资不太高的用户。
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# G. s- z' L: g- c7 X' r2、空气循环双泵内压缩流程：适用于氮气压力高、流量大，但氮气压力等级不多的用户（减少高压氮压机投资、占地面积小、操作简单、维护量较小、运行可靠性高、整套空分设备投资少、能耗适中等特点）。
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  Y9 r: d8 p( f9 y; Q3、氮气循环单泵内压缩流程：适用于氮气产品压力高且压力等级较多的用户（中、高压产品氮压机与空分流程的增压机合二为一，既可以减少中、高压氮压机的投资，又可以有效利用下塔富裕的压力氮，占地面积较小，可操作性好，维护量小，可靠性一般、整套空分设备投资适中、能耗适中等特点）。
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4、空气增压中抽膨胀制冷流程：增压机组投资略高、机组（后几级叶轮）工作效率相对略低，但操作灵活、简单、变负荷能力强。

1 p' A3 t. T" A4 g! T5、空气增压一压到底膨胀制冷流程：增压机组投资略省、没有中抽所以机组效率相对略高，但操作稍显复杂、气量（膨胀量）调节受约束大、变负荷能力较差。


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; {$ @+ R6 g: r. o# D7 Y% j（二）配套大型机组集成化
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# p; w3 G" ]3 @8 `原料空气压缩机和空气循环增压机由一台双轴输出汽轮机驱动；汽轮机较为常用的有抽凝和全凝两种，抽凝机组效率略高，全凝机组稳定性较好；大流量压缩机多采用轴流加离心式；原料空气压缩机与空气循环增压机及驱动汽轮机共用一套润滑油系统；驱动汽轮机的凝汽方式有空冷和水冷两种，缺水地区多采用空冷式，空冷器占地面积大吸风量大，所以在设备布置时要考虑与原料空气压缩机吸风口的相互干扰问题，水资源丰富地区大都采用水冷式。

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: z9 C0 w' A7 }（三）低温转动设备可靠性
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空分装置作为煤化工项目中配套的核心装置，空分装置一旦故障停车都将会造成下游装置的停车，因此关键设备（低温转动设备如：高压液氧泵、高压液氮泵及膨胀机等）的可靠性是十分重要的，低温转动设备又由于运转时处于低温状态，一旦发生故障，解决故障耗时较长，所以空分装置配备的关键低温转动设备均应有较高的可靠性，目前空分配备的低温液体泵标配进口一用一备，膨胀机一台进口一台国产，国产备用，进口液体泵及膨胀机大多为法国Cryostar产品。

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空分装置总图布置及区域CO2排放影响分析及防控措施
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2 B4 |. [* G+ o) G. J/ {7 m8 t目前在煤化工行业因空分装置的不稳定造成主提生产装置出现问题的事件时有发生，在空分系统运行过程中，常见的问题是区域性污染源排放的CO2等污染物对空分的影响，如：分子筛二氧化碳穿透造成板式换热器通道堵塞、原料空气压缩机吸入的空气质量差使分子筛吸附能力设计不足等，均能造成空分装置运行不稳定或无法达到最大经济负荷，故此，空分装置的总图布置和关键设计理念应从以下几个方面综合考虑。

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—— 空分装置在总图中的位置选择首先应该符合相关标准和规范的要求；
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6 V: v4 X: [6 @$ T—— 空分装置要相对靠近氧气主要用户煤气化装置和高压蒸汽的供给装置动力站；

—— 空分装置布置于厂区全年主导风向的上风口；

9 K0 M( j9 g4 x. M- H0 M& n% _7 e0 V—— 空分装置的布置应避开低甲装置CO2排放扩散的影响；
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—— 空分装置的布置应充分考虑到或避开厂区内及厂区周边各类装置烃类气体的泄露或排放带来的影响；
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—— 空分装置纯化系统分子筛吸附剂的设计装填量要考虑一定的裕度，一般按照CO2含量≥800ppm来设计装填；
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, \8 D: y# y& ?—— 原料空气自洁式空气过滤器应按照加工空气量的2.5倍设计；

—— 建立原料空压机吸入空气组份CO2含量的监控；

—— 设立区域风向标实时掌握风向、建立厂区内外各装置紧急排放联系制度、加强对空分装置液氧的分析检测频次等；
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—— 建立完善科学高效的应急处理措施。


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结束语

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6 Q, T8 P+ a- [- n# |' ~/ T在大型、特大型空分装置的工程设计中，首先要从宏观角度着眼，包括：装置工艺流程选择、配套机组选型、总图布置及基础设计等；只有在总体工程设计中，基础工作做好、做足了才能为后续的工作提供有力依据，才能使设计工作得以有条不紊的进行，才能使在项目施工过程中变更少、工期快！
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在大型、特大型空分装置的工程设计中，一是要结合已建成或在建项目中反馈出来的问题，不断的改进完善，二是要结合自己以往工作经验和业界同仁的建设性建议，进行项目设计初期的安全评估和流程优化，以此来规避设计缺陷乃至安装、操作缺陷，最终使得自己的“作品”促于完美化、智能化！
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这是要提设计要求用的吗