專題綜述文章編號: 1009-9425(200)03-000704煤氣化配套空分設(shè)備流程的選擇吳楓，閆文艷，閻承信(煙臺化工設(shè)計院，山東煙臺264001)摘要:結(jié)合煤氣化工藝，詳細(xì)分析了化肥工業(yè)、合成甲醇項目、多聯(lián)產(chǎn)及合成油項目和ICCC發(fā)電項目等煤氣化裝置對空分設(shè)備的要求和流程選擇，得出了各個項目適用的大型空分設(shè)備流程。關(guān)鍵詞:大型空分設(shè)備;流程;煤氣化.中圖分類號: TB657.7文獻標(biāo)識碼: AProcess selection of an air separation unitspecially designed for coal gasification projectWu Feng，Yan Wen-yan，Yan Cheng- xin( Yantai Chemical Designing Institue， Yantai 264001 ，Shandong， P. R. China)Abstract: On the basis of coal gasification industry and technological procedures, the requirements for air separationunits set by coal gasification systems in connection with chemical fertilizer industry， synthetic methanol project， multipleco-production and synthetic oil project and IGCC power generation project etc. and process selection are analyzed indetail. Finally the appropriate process of an air separation unit is worked out for each project.Keywords: Large - scale air separation unit; Process; Coal gasification前言裝置和空分設(shè)備。由于國際上石油價格的上漲，潔凈煤的利用受近年來，空分設(shè)備流程不斷發(fā)展，一些卓有成.到了普遍的關(guān)注。為提高煤氣化裝置的生產(chǎn)能力,效的新技術(shù)被采用，如高效空氣冷卻塔、常溫分子- - 般都選擇氧氣氣化法。特別是我國為擺脫對進口篩凈化空氣、增壓透平膨脹機、規(guī)整填料精餾塔、石油的依賴，確保能源安全，將建設(shè)一大批大型的膜式冷凝蒸發(fā)器、雙沸騰主冷凝蒸發(fā)器、全精餾制煤炭液化(間接和直接液化)、煤炭化工和ICCC氬等，使全低壓流程空分設(shè)備的制氧能耗已降至發(fā)電等項目，這些項目都需要建設(shè)煤氣化裝置，一0. 4kW.h/m'以下。裝置投資的下降以及運行可靠些項目每年氣化煤炭的能力要達到幾百萬噸，甚至性的提高，使深冷法空分設(shè)備被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)上千萬噸，都要相應(yīng)配套建設(shè)多套超大型的空分設(shè)域，特別是氧氣消耗量較大的場合。變壓吸附法空備。由于各行業(yè)生產(chǎn)工藝不同，對空分設(shè)備流程的分設(shè)備一般應(yīng)用于氧氣需求量低于3000m'/h 和對要求也不一樣。氧、氮純度要求不高的場合。我國的化肥工業(yè)也面臨著原料改造的局面，將我國目前已能夠獨立設(shè)計和制造60000m/h等有一大批以渣油和輕油為原料的工廠改為煤炭為原級的全低壓大型空分設(shè)備，已投運的有杭氧設(shè)計制料,一些遠離無煙煤產(chǎn)區(qū)的中、小化肥廠，有的擬造的遼寧北臺50000m'/h空分設(shè)備。同時，近年來改為煙煤或粉煤為原料，這些企業(yè)都要建設(shè)煤氣化也成中國煤化工備，杭氧已完成設(shè)收稿日期: 2004-12-14YHCNMHG作者簡介:吳楓(1966- ), 女，高級工程師，1985 年畢業(yè)于青島化工學(xué)院，長期從事化工設(shè)計及管理工作。深冷技術(shù)2005年第3期Cryogenic Technology N3 2005專題綜述吳楓，閆文艷，閻承信:煤氣化配套空分設(shè)備流程的選擇計制造了湖北枝江和安徽安慶的兩套48000m'/h內(nèi)粉煤氣化技術(shù)，氣化壓力0.03MPa以下;③改為無壓縮流程空分設(shè)備。在國外，內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備煙煤富氧氣化法，氣化壓力0.03MPa以下。的能耗要高于外壓縮流程，但投資低于外壓縮流- 般中小型氨廠的合成氨產(chǎn)量在20萬t/a以程;在國內(nèi)，如大型空壓機用進口設(shè)備，則投資與下，由于工廠的規(guī)模及氣化方法的不同，要求空分能耗均高于外壓縮流程”。雖然如此，由于內(nèi)壓縮設(shè)備的氧產(chǎn)量一般為3000 ~ 20000m2/h，氧氣純度流程有很多優(yōu)點，在一定的條件下選用還是具有95%以上;氮氣(純度99.999%)的需要量為0~優(yōu)勢。20000m'/h。由于氣化壓力接近常壓，供氧壓力低本文就如何配合煤氣化工藝，選擇空分設(shè)備流于0.1MPa。在這種情況下，宜選用自增壓流程空程談?wù)効捶?。分設(shè)備，即利用空分設(shè)備主冷凝蒸發(fā)器的位差產(chǎn)生1化肥工業(yè)對空分設(shè)備的要求及流程選擇壓力為0.05-0.2MPa的氧氣，直接供氣化爐使用。由于石油價格的飛漲，新建和改擴建的合成氨優(yōu)點是省去了氧壓機(或鼓風(fēng)機)，設(shè)備運行的可工廠不再采用輕油或渣油為原料。采用石油焦為原靠性提高，供氧安全。當(dāng)然，自增壓流程空分設(shè)備需設(shè)置一臺一體式空壓機，即在空壓機的末端增加料的工廠與以煤為原料的工廠的工藝過程基本一--段氣缸，抽取部分空氣，并將其壓縮至0.7MPa;致，對空分設(shè)備的要求也大致相同。主要要求是:然后用這股空氣去膨脹機制冷及與液氧進行換熱，氧純度≥95%，其中，氬含量越低越好;氮純度≥使其蒸發(fā)以得到具有一定壓力(0.05 ~ 0.2MPa)的99 999%;氮產(chǎn)量為氧產(chǎn)量的1.0~1.5倍;液體產(chǎn)氧氣，其綜合能耗與外壓縮流程相差無幾。品產(chǎn)量及氬等稀有氣體產(chǎn)量依據(jù)當(dāng)?shù)厥袌龊弯N售情對于有些工廠選用的氣化壓力為2.0~ 3.0MPa況而定。的氣化爐(如Shell法，Lurgi 法等)，與其配套的1.1 大型合成氨廠(產(chǎn)量為30萬t/a)空分設(shè)備選用自增壓流程也有一-定的優(yōu)勢。因為自大型合成氨廠一般選用Texaco法或Shell 法,增壓流程空分設(shè)備的氧氣壓力可達0.15MPa以上，Texaco法氣化壓力可達4.0MPa (G，下同)以上,當(dāng)氧壓機的終壓為3.0MPa時，采用單缸高效透平Shell法只能達到3.5MPa，需要氧氣量為3.5萬~氧壓機即可。這樣，總功耗要比常規(guī)流程低，如4.0萬m'/h, 要求氧氣純度95%以上;工藝氮氣10000m'/h空分設(shè)備，能耗可減少260kWl2}。 同時，(氮純度9999%)量約3000m’/h，以及部分安裝置的投資和運行維護費用都較常規(guī)流程有所全和輸送用氮(氮純度99.9%)等。工藝氮氣及降低。氧氣的壓力要求分別在3.5MPa及4.0MPa以上。與杭氧為安陽一飛利浦公司提供的一套之配套的空分設(shè)備應(yīng)選擇內(nèi)壓縮流程，因氧氣壓力.1000m'/h自增壓流程空分設(shè)備，已于2002年10超過4.0MPa，透平氧壓機難以達到，需要用活塞月在鄭州經(jīng)濟開發(fā)區(qū)投人運行，空壓機的末端壓力氧壓機接力，這種組合方式運行不是很安全。該內(nèi)為0.7MPa,氧氣產(chǎn)量大于10000m2/h, 壓力達到壓縮流程以采用高壓氮(≥8.0MPa)循環(huán)為好，0. I6MPa,同時提供液氧500m'/h,液氬320m'/h。這樣工藝氮氣和循環(huán)氮氣可以合用一臺壓縮機，雖實踐證明自增壓流程空分設(shè)備是可靠的，也是能耗較高壓空氣循環(huán)流程略高，但流程簡單，操作現(xiàn)實可行的。方便。2合成甲醇項目對空分 設(shè)備的要求及流程另外，對于生產(chǎn)壓力為3.0~4.0MPa的氧氣，選擇采用內(nèi)壓縮流程，空分設(shè)備的能耗和投資都較高，合成甲醇工廠對空分設(shè)備的要求與化肥工業(yè)有但主冷凝蒸發(fā)器和氧氣輸送系統(tǒng)比較安全，占地面所不同，氧氣的純度要求高(99.6%)， 而對氮氣積小，且在需要較多液體產(chǎn)品和稀有氣體銷售量純度要求不高，氮氣主要用于安全、置換及吹掃時，占有一定優(yōu)勢。等，純度99.9%即可，氣量一般不超過氧產(chǎn)量。1.2 中小型氨廠改造置對空分設(shè)備流程有中國煤化工國內(nèi)以無煙塊煤常壓氣化的氨廠，改為用氧氣如下氣化的主要途徑有:①改為灰熔聚法，以8mm以2.1PYHCNMHG下的粉煤為原料，氣化壓力0.03MPa;②改為恩德Texaco法氣化爐的氣化壓力可達8.0MPa，對Cryogenic Technology No 32005深冷技術(shù)2005 年第3期吳楓，閆文艷，閻承信:煤氣化配套空分設(shè)備流程的選擇專題綜述合成甲醇很有利。一般低壓合成甲醇的壓力為量為700m')。由于是聯(lián)產(chǎn)工藝，氨和甲醇合成的5.0MPa左右，故選用6.5MPa氣化壓力的Texaco法尾氣可以用于提H2和Co等，剩余的氣體可以用氣化爐。年產(chǎn)30萬噸的甲醇廠需配置一套于ICCC發(fā)電。對供氧壓力及空分設(shè)備流程的選擇40000m'/h的空分設(shè)備，氧純度99.6%，氮純度應(yīng)根據(jù)氣化爐氣化壓力而定，請參見前面內(nèi)容。99.9%，氮氣量20000m’/h左右。3.2 煤間接液化合成石油配套空分設(shè)備應(yīng)選用內(nèi)壓縮流程，在主換熱器用煤氣化生產(chǎn)合成氣(CO+ H2)合成石油的中用高壓空氣與液氧換熱。氮氣由下塔抽取或進一氣化壓力為2.0~4.0MPa，合成油的尾氣中含有步壓縮供用戶使用。H、Co、CH,等可燃組分，可以用于ICCC發(fā)電。2.2 用Shell法氣化爐因此現(xiàn)代化的合成油工廠對氧氣的純度要求不高Shell 法氣化爐的氣化壓力不宜太高，一般在(>95%)，氮氣用于吹掃、置換及輸送粉煤等，純3.5MPa以下。30萬t/a甲醇廠需配置一套度>99.9%即可。間接液化項目的氧氣用量很大，35000m2/h的空分設(shè)備，氧純度及氮氣純度要求同南非Sasol公司擁有15套空分設(shè)備，總制氧能力達2.1節(jié)。由于甲醇合成氣中氮含量越少越有利，故120萬m'/h,是世界上最大的氧氣用戶。Shell 法氣化爐的粉煤輸送不能用氮氣，而需要改煤間接液化合成石油項目一般應(yīng)選用全低壓外為CO2等氣體，所以對空分設(shè)備的氮氣沒有嚴(yán)格.壓縮流程的空分設(shè)備。的要求。該項目在搞IGCC發(fā)電聯(lián)產(chǎn)時，如果發(fā)電規(guī)模配套空分設(shè)備宜選用全低壓外壓縮流程。在這較大(200MW), 空分設(shè)備可考慮由IGCC的燃?xì)馔?種條件下，外壓縮流程的運行費用和投資都較內(nèi)壓平壓縮機抽取部分空氣，搞整體化空分設(shè)備。詳細(xì)縮流程低。但需要較多的液體產(chǎn)品銷售量時，可考內(nèi)容請參見第4節(jié)ICCC發(fā)電項目。慮選用內(nèi)壓縮流程。3.3 煤直接液化生產(chǎn)石油此外，用合成氣直接合成二甲醚的工廠對空分煤直接液化生產(chǎn)石油的工廠，氧氣主要用于煤設(shè)備流程的選擇，可以參照上述甲醇工廠。氣化制氫氣，供液化煤加氫和精煉油品氫使用，一3多聯(lián)產(chǎn)及合成油項目對空分設(shè)備的要求般加氫壓力為15.0~ 30.0MPao及流程選擇氫氣從煤氣化的合成氣制取，可以用PSA法、多聯(lián)產(chǎn)及合成油項目是以煤氣化生產(chǎn)的合成氣深冷法及甲烷化法制氫氣。用前兩種方法提氫對氧為原料搞多產(chǎn)品聯(lián)產(chǎn)，包括電力的生產(chǎn)。這種項目純度要求不嚴(yán)，而甲烷化法則要求氧氣純度為對空分設(shè)備的要求是:氧氣純度為95%以上;氮99.6%。氮氣主要用于安全保護。氣除合成氨生產(chǎn)需要外，主要作為輸送、安全、吹煤氣化方法以選用Texaco法和Shell法為宜,掃等使用，因此對純度的要求不甚高，一般空分設(shè)備的流程及供氧壓力根據(jù)煤氣化爐壓力確99.9%已足夠，且用量低于氧氣。這種工廠的規(guī)模.定，如果選Texaco法氣化，壓力在4.0MPa以上,都比較大，-般石油和化工產(chǎn)品的規(guī)模均在年產(chǎn)百.應(yīng)選用內(nèi)壓縮流程。用Shell法應(yīng)選用外壓縮流程。萬噸以上，否則形成不了規(guī)模經(jīng)濟。耗煤量都在直接液化法的氧氣需要量少于間接液化法。250萬/a以上，需要氧氣量在幾十萬m'/h以上,4IGCC發(fā)電項目對空分設(shè)備的要求及流程要建設(shè)多套大型空分設(shè)備才能滿足需要?？辗衷O(shè)備選擇流程的選擇需根據(jù)氣化爐的壓力及有關(guān)工藝的要用煤氣化和燃?xì)廨啓C聯(lián)合發(fā)電是當(dāng)前較現(xiàn)實、求，進行多方案的比較及可行性研究，才能得出最效率最高的潔凈煤利用技術(shù)。由于燃?xì)廨啓C需要的佳方案。燃?xì)鈮毫υ?.0MPa左右，所以煤氣化爐的壓力一3.1 煤氣化聯(lián)產(chǎn)合成氨、甲醇及發(fā)電等般在3.0MPa以下。現(xiàn)在一般認(rèn)為Shell法用于這樣的工廠對空分設(shè)備的要求基本與合成氨廠ICCC發(fā)電具有較大的優(yōu)勢。一個300 ~ 400MW的相同，對氧氣純度無嚴(yán)格的要求(95%以上)，要IGC中國煤化工~ 7000 /h的空分求提供部分純度較高的氮氣(99.999%), 數(shù)量根設(shè)|fYHCN MH G壓力一般在3.5MPa .據(jù)合成氨的生產(chǎn)規(guī)模而定(每噸合成氨氮氣的消耗以下。氮氣用于輸送煤粉，純度>99.9%，氣量約深冷技術(shù)2005 年第3期Cryogenic Technology No 32005專題綜述吳楓，閆文艷，閻承信:煤氣化配套空分設(shè)備流程的選擇為2000m’/h,輸送壓力為5.0MPa;還需要少量氣氣透平膨脹機發(fā)電，可節(jié)省電耗約25%”。封和安全用純氮，壓力0.4~ 0.7MPa;純度約98%表1獨立空分設(shè)備與升壓空分設(shè)備能耗的比較的污氮被用于回注燃燒室及燃?xì)廨啓C，壓力為獨立空分設(shè)備升 壓空分設(shè)備2.0MPao制氧電耗/kW36904690IGCC發(fā)電項目配套的空分設(shè)備有三種形式:電能回收/kW1860①獨立空分設(shè)備:空分設(shè)備用的空氣全由自配的空凈需電量/kW2830壓機供給;②部分整體空分設(shè)備:空分設(shè)備用的空氣部分自供，部分由燃?xì)馔钙綁嚎s機供給;③完全由此可看出升壓空分設(shè)備節(jié)能的潛力，因而升整體化空分設(shè)備:空分設(shè)備用的空氣全部由燃?xì)馔笁嚎辗衷O(shè)備可能是今后空分設(shè)備發(fā)展的重要方向。平壓縮機供給。為提高IGCC的整體效率，空分設(shè)備中多余的5展望氮氣，應(yīng)回流到燃?xì)馔钙脚蛎洐C發(fā)電，故要求氮氣.煤氣化項目可能是今后氧氣用量最大的潛在用出空分設(shè)備的壓力越高越好，為此空分設(shè)備的流程戶，以合成油(間接液化)項目用量為最多，一個應(yīng)有所改動。為IGCC配套的空分設(shè)備流程有:①500萬t/a的合成油工廠，大約需要120萬~ 130萬全低壓空分設(shè)備流程;②利用燃?xì)馔钙綁嚎s機抽氣m'/h的氧氣，按目前國外能制造最大的規(guī)?？辗謮毫?1.1~ 1.5MPa) 的升壓空分設(shè)備流程')];③設(shè)備計算，需10~11套。直接液化需要的氧氣量帶液氧泵的內(nèi)壓縮流程和帶高壓空氣膨脹機及剩余小于間接液化項目，一個500萬l/a的直接液化項氮氣膨脹機的多種流程。目大約需30萬~40萬m'/h 的氧氣量; 100萬/a通過幾個示范裝置的多年試運行，綜合各方面甲醇的煤化工項目大約需12萬m'/h; 400MW ICCC的利弊，現(xiàn)普遍認(rèn)為采用部分整體化的升壓空分設(shè)發(fā)電項目需7萬m'/h。備較為有利。這樣，既利用了燃?xì)馔钙綁嚎s機的余我國如在今后的15~ 20年間建設(shè)5~6個煤液力(現(xiàn)燃?xì)馔钙綁嚎s機都是按燃料油或天然氣設(shè)計化項目、8~ 10個煤化工項目、15~20個ICCC發(fā)的，在改用燃燒低熱值的煤氣時，透平壓縮機的空.電項目，需要的空分設(shè)備數(shù)量是相當(dāng)大的。有關(guān)部氣量有多余)，又不影響空分設(shè)備獨立起動的靈活門及行業(yè)應(yīng)抓住這個機遇，盡早準(zhǔn)備。要立足于國性，并使空分設(shè)備出口的氧、氮壓力提高，使內(nèi)，開發(fā)自己的技術(shù)，向大型化、高效率、高可靠ICCC的整體效率得到了提高。性方向發(fā)展，并應(yīng)與項目的整體相結(jié)合，開發(fā)適用升壓空分設(shè)備的優(yōu)勢是空分設(shè)備的體積大大縮于不同行業(yè)的機組。目前空分設(shè)備通用機組的純度小，有利于運輸和建設(shè)，節(jié)省材料和投資，特別是為99.6%的氧氣產(chǎn)品是適應(yīng)冶金工廠的要求，對氮、氧透平壓縮機。由于出空分設(shè)備的壓力在于煤氣和其他行業(yè)，未必是最經(jīng)濟的純度。特別是0.3MPa以上，用單缸高效的透平壓縮機即可將氮超大型的裝置和設(shè)備，產(chǎn)品的純度對設(shè)備的造價及氣、氧氣壓力升至2.0-3.5MPa，運行安全可靠,運行費用影響極大，應(yīng)通過模擬優(yōu)化確定各行業(yè)適操作維護簡單。宜的產(chǎn)品濃度，設(shè)計和制造適用于不同行業(yè)的空分但升壓空分設(shè)備也有不利之處，加工空氣壓力設(shè)備，以滿足煤氣化等用戶的需要，提高國際競爭升高后對氧、氮的分離不利，這意味要增加塔板。.力。目前空分設(shè)備多采用規(guī)整填料塔，在ICCC對氧、參考文獻:氮純度要求不高的條件下，這個問題不難解決。- - [1] 倪劍剛.內(nèi)壓縮還是外壓縮一關(guān) 于如何選擇大型空:般升壓空分設(shè)備的壓力在1.5MPa較為適宜。.分設(shè)備流程的一些看法[J].深冷技術(shù)，2003，(5):應(yīng)該看到，升壓空分設(shè)備在與整體系統(tǒng)很好結(jié)11~ 14.合的情況下，具有很大的優(yōu)勢。如一套氧產(chǎn)量[2] 蔣毅.自增壓流程空分設(shè)備的研究與應(yīng)用[J].深冷8750m'/h (300t/d)、 產(chǎn)品氧純度95%的空分設(shè)備,中國煤化工循環(huán)發(fā)電的結(jié)合方式在采用0.6MPa的低壓流程(獨立空分設(shè)備)和采用1.1MPa的升壓空分設(shè)備流程相比，后者如果利:fYHC NMH G, (2): 1~5.用廢熱將0.3MPa的氮氣加熱到250，然后去燃，10●Cryogenic Technology No 32005深冷技術(shù)2005 年第3期