煤化工空分设备流程特点及选择

武洪智

摘要：空分设备就是以空气为原料，通过压缩循环深度冷冻的方法把空气变成液态，再经过精馏而从液态空气中逐步分离生产出氧气、氮气及氩气等惰性气体的设备。本文从煤气化技术对氧气、氮气产品规格的要求，氧气、氮气的实现形式等方面，介绍煤气化工空分设备的流程特点及选择。

关键词：空分设备；煤化工；流程特点；流程选择

一‘煤化工行业发展意义及煤气化技术

1.1有序发展煤炭产业是国家能源发展战略的一个重要方面

中国是煤炭主导型化石能源资源相对丰富的国家，按照《BP世界能源统计2009》的数据，我国煤炭储量占世界总储量的13.9%，居世界第二，石油和天然气储量分别占世界总储量的1.2%和1.3%，我国的能源资源呈现“多煤、少油、少气”的局面。在这种形势下，发挥中国煤炭资源优势，采用先进可靠技术，有序发展煤炭和煤炭相关的洁净煤、燃煤发电、煤化工等煤基能源产业，适当缓解中国石油短缺的矛盾，就成为“节约优先、立足国内、多元发展、依靠科技、保护环境、互利合作，构筑稳定、经济、清洁、安全能源供应体系，以能源的可持续发展支持经济社会的可持续发展”国家能源发展战略的一个重要方面。

1.2煤化工产业发展现状

传统煤化工产业以生产基础原料为基本特征。主要有“煤—焦炭、煤—电石—PVC、煤—煤气化—合成氨—尿素”三条产业路线，主要生产焦炭、电石、PVC和合成氨等产品，为钢铁、农业等行业提供原材料。现代煤化工以洁净、高效煤气化替代石油生产附加值较高的石化产品和燃料为基本特征。现代煤化工基本上以低端的烟煤、褐煤为原材料，主要包括煤制气、煤制烯烃、煤制油、煤制醇醚和煤制乙二醇，大幅提升煤炭经济价值，是技术、资金、人才密集型产业。现代煤化工产业发展主要是2大领域的技术突破:①煤气化技术洁净化、大型化、多样化，配套设备大型化;②煤化工初级产品转化为传统石油化工产品的技术突破，主要是甲醇制MTO/MTP/MTG/MTA、合成油、合成气制乙二醇/二甲醚等技术日趋成熟。

1.3煤气化是煤化工核心技术

煤化工行业发展的关键是煤气化技术发展，按气化炉内煤料与气化剂的接触方式区分，气化工艺主要有3种类型:固定床、流化床和气流床。目前煤气化技术发展方向:气流床和流化床代替固定床，气化压力向高压(8.5MPa)发展，气化温度向高温(1600℃)发展，气化剂向多样化发展和排渣方式向液态化发展趋势。而煤气化技术发展的关键因素是配套大规模空分设备以降低制氧成本、过程集成概念和技术经济优化。

二、煤化工空分设备的流程介绍

2.1煤气化技术特点

常压固定床无烟煤(或焦炭)富氧连续气化技术以富氧空气为气化剂，连续气化无烟煤或焦炭，是对常压固定床间歇式气化技术的改进。恩德粉煤气化技术属流化床气化炉，是在温克勒气化炉技术上改进的，气化炉内压力控制在14kPa左右，为常压下操作，适用于气化褐煤、长焰煤、不黏煤和弱黏煤，因此适合于就近有褐煤的中、小型氮肥厂，以替代无烟煤和焦炭等高成本的原料。一般使用氧含量高于50％的富氧空气或氧气。富氧空气一般由空气鼓风机提供的空气与空分设备生产的纯度为99％以上的氧气混合得到。

2.2煤化工空分设备的特点

2.2.1煤气化配套空分容量的特大型化煤在气化炉中的气化反应是煤中碳与氧及水蒸汽反应生产一氧化碳和氢气的过程。吹氧量的高低，将会直接影响其转化率。在煤质量确定的条件下，煤气化技术对氧的需求量，煤气化技术对氧的需求量，取决于氧煤比(氧气与煤量)或比氧耗(氧气量与合成气量比)。

2.2.2空分装置的多样化空分装置的多样化体现在流程的多样化和产品的多样化两个方面。（1）流程多样化；煤化工要求氧气的压力大约为4.0到8.0MPa，因此煤化工空分设备均采用内压缩流程。但因煤气化技术的不同，氧气压力等级的不同，氮气需求量的不同，形成空分流程多样化，不同要求需要不同的设计。（2）产品多样化；煤化工要求空分设备具有高压氧气、高压氮气等。特别是对氮气产品的需求，有的甚至达到6种以上。氧气的用量在大范围内变更时，甚至当后续工艺暂停时，一段时间内用氮量增加几倍，这对设计及运行都是挑战。

2.2.3大型机组的集成化特大型空分设备配套的空压机已不是单一的离心式，应为轴流加离心式。而且无法采用电机拖动，应采用汽轮机拖动，加之内压缩流程还需要增压机，为了节能及简化流程，减少投资，通常采用一台汽轮机拖动，即“一艳二”，有时甚至还需要拖动氮压机，即“一拖三”。机组的集成化也可以采用两台小容量的离心空压机并联供气，利于减少投资和国产化。

2.3煤化工空分设备的主要装置

（1）压缩机、增压机：利用外部输入的功将气体的压力能提高的机器，应用于化工工艺流程，气体输送及动力工程。利用空分车间采用离心式压缩机，适用于大流量低压比的场合，具有结构紧凑，运转平稳等特点。

（2）汽轮机：是用蒸汽来做功的旋转式热能动力机械，具有效率高、功率大、转速容易控制，寿命长、运转安全可靠等优点，因此得到了广泛的推广和应用。

（3）汽轮机、空压机、增压机及附属设备是煤化工空分设备的主要部件。

（4）空冷塔、水冷塔：对空气体预冷、洗涤。

（5）吸附器：吸附空气中可燃气体成分和易冻结成分。

（6）分离塔：实现空气分离，包括换热系统、制冷系统和产品输送、储存系统。

2.4煤化工空分设备的流程形式及选择

大型煤化工空分设备有多种流程的组织形式，正确合理的地选择流程形式，不仅有效的降低投资成本，而且还能够节约能源，减少有害气体排放，这对企业和公司的发展尤为重要。选择合适的流程形式我们应该遵循以下几点:第一，要对具体项目具体分析，对用气情况进行全方面的评估检查，包括氧气和氮气之和、参数标准和温度变化等；第二，不同流程形式要做到精准计算，确保万无一失，确保所需单元设备的货源充足温度；第三，所用流程形式与空分设备控制系统兼容性要好；第四，要对气体产品在生产过程中的整体能耗进行客观预估。

三、煤化工空分设备的未来发展趋势

为了降低投资成本，减少设备维护的工作量，空分设备必须向着大型化发展。尽快大型煤化工空分技术与设备的发展在我国还存在一定的困难，但是我国的空分设备应该尽自己最大的努力优化设计方案，尽量在满足要求的条件下，减小设备尺寸，或者分开运输，现场组装等方式解决这些难题。另外降低能耗也是空分技术与设备未来的重要发展方向，需要在设计过程中增强核心部件的运行效率，并且预先对系统的总能耗进行精密的设计。同时，需要扩大对煤化工空分设备的自动化控制系统的开发，从而在自动控制方面，有效的提高生产效率，降低事故发生的风险，提高装置安全稳定性。

结束语

煤化工行业自身的背景特点决定了它对空分设备的要求不同于其他行业，如煤化工行业的稳定运行要求空分设备的氧产品和氮产品的压力波动范围小，连续供应的可靠性高；不同的煤气化工艺和煤化工产品对空分设备的氧产品和氮产品的压力、纯度、产品比例和实现形式的要求也不同。在具体的项目应用中，只有先熟悉煤化工的应用背景和空分设备在其中的作用，并在此基础上对各种流程进行比较优化，才能组织出安全、稳定、长周期、满负荷、优化的流程方案。

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