煤氣化配套空分設備流程的選擇

專(zhuān)題綜述文章編號: 1009-9425(200)03-000704煤氣化配套空分設備流程的選擇吳楓，閆文艷，閻承信(煙臺化工設計院，山東煙臺264001)摘要:結合煤氣化工藝，詳細分析了化肥工業(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備的要求和流程選擇，得出了各個(gè)項目適用的大型空分設備流程。關(guān)鍵詞:大型空分設備;流程;煤氣化.中圖分類(lèi)號: TB657.7文獻標識碼: 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前言裝置和空分設備。由于國際上石油價(jià)格的上漲，潔凈煤的利用受近年來(lái)，空分設備流程不斷發(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(jìn)口篩凈化空氣、增壓透平膨脹機、規整填料精餾塔、石油的依賴(lài)，確保能源安全，將建設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備的制氧能耗已降至發(fā)電等項目，這些項目都需要建設煤氣化裝置，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(wàn)噸，甚至性的提高，使深冷法空分設備被廣泛應用于各領(lǐng)上千萬(wàn)噸，都要相應配套建設多套超大型的空分設域，特別是氧氣消耗量較大的場(chǎng)合。變壓吸附法空備。由于各行業(yè)生產(chǎn)工藝不同，對空分設備流程的分設備一般應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(chǎng)合。我國的化肥工業(yè)也面臨著(zhù)原料改造的局面，將我國目前已能夠獨立設計和制造60000m/h等有一大批以渣油和輕油為原料的工廠(chǎng)改為煤炭為原級的全低壓大型空分設備，已投運的有杭氧設計制料,一些遠離無(wú)煙煤產(chǎn)區的中、小化肥廠(chǎng)，有的擬造的遼寧北臺50000m'/h空分設備。同時(shí)，近年來(lái)改為煙煤或粉煤為原料，這些企業(yè)都要建設煤氣化也成中國煤化工備，杭氧已完成設收稿日期: 2004-12-14YHCNMHG作者簡(jiǎn)介:吳楓(1966- ), 女，高級工程師，1985 年畢業(yè)于青島化工學(xué)院，長(cháng)期從事化工設計及管理工作。深冷技術(shù)2005年第3期Cryogenic Technology N3 2005專(zhuān)題綜述吳楓，閆文艷，閻承信:煤氣化配套空分設備流程的選擇計制造了湖北枝江和安徽安慶的兩套48000m'/h內粉煤氣化技術(shù)，氣化壓力0.03MPa以下;③改為無(wú)壓縮流程空分設備。在國外，內壓縮流程空分設備煙煤富氧氣化法，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(chǎng)的合成氨產(chǎn)量在20萬(wàn)t/a以程;在國內，如大型空壓機用進(jìn)口設備，則投資與下，由于工廠(chǎng)的規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，由于內壓縮設備的氧產(chǎn)量一般為3000 ~ 20000m2/h，氧氣純度流程有很多優(yōu)點(diǎn)，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?。分設備，即利用空分設備主冷凝蒸發(fā)器的位差產(chǎn)生1化肥工業(yè)對空分設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(jià)格的飛漲，新建和改擴建的合成氨優(yōu)點(diǎn)是省去了氧壓機(或鼓風(fēng)機)，設備運行的可工廠(chǎng)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。當然，自增壓流程空分設備需設置一臺一體式空壓機，即在空壓機的末端增加料的工廠(chǎng)與以煤為原料的工廠(chǎng)的工藝過(guò)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(jìn)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(wú)幾。品產(chǎn)量及氬等稀有氣體產(chǎn)量依據當地市場(chǎng)和銷(xiāo)售情對于有些工廠(chǎng)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(chǎng)(產(chǎn)量為30萬(wàn)t/a)空分設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(chǎng)一般選用Texaco法或Shell 法,增壓流程空分設備的氧氣壓力可達0.15MPa以上，Texaco法氣化壓力可達4.0MPa (G，下同)以上,當氧壓機的終壓為3.0MPa時(shí)，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(wàn)~氧壓機即可。這樣，總功耗要比常規流程低，如4.0萬(wàn)m'/h, 要求氧氣純度95%以上;工藝氮氣10000m'/h空分設備，能耗可減少260kWl2}。 同時(shí)，(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(yáng)一飛利浦公司提供的一套之配套的空分設備應選擇內壓縮流程，因氧氣壓力.1000m'/h自增壓流程空分設備，已于2002年10超過(guò)4.0MPa，透平氧壓機難以達到，需要用活塞月在鄭州經(jīng)濟開(kāi)發(fā)區投人運行，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(shí)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(shí)踐證明自增壓流程空分設備是可靠的，也是能耗較高壓空氣循環(huán)流程略高，但流程簡(jiǎn)單，操作現實(shí)可行的。方便。2合成甲醇項目對空分 設備的要求及流程另外，對于生產(chǎn)壓力為3.0~4.0MPa的氧氣，選擇采用內壓縮流程，空分設備的能耗和投資都較高，合成甲醇工廠(chǎng)對空分設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(xiāo)售量純度要求不高，氮氣主要用于安全、置換及吹掃時(shí)，占有一定優(yōu)勢。等，純度99.9%即可，氣量一般不超過(guò)氧產(chǎn)量。1.2 中小型氨廠(chǎng)改造置對空分設備流程有中國煤化工國內以無(wú)煙塊煤常壓氣化的氨廠(chǎng)，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:煤氣化配套空分設備流程的選擇專(zhuān)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(wàn)噸的甲醇廠(chǎng)需配置一套于ICCC發(fā)電。對供氧壓力及空分設備流程的選擇40000m'/h的空分設備，氧純度99.6%，氮純度應根據氣化爐氣化壓力而定，請參見(jiàn)前面內容。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備應選用內壓縮流程，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(jìn)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(hù)使用。H、Co、CH,等可燃組分，可以用于ICCC發(fā)電。2.2 用Shell法氣化爐因此現代化的合成油工廠(chǎng)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(wàn)t/a甲醇廠(chǎng)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的空分設備，氧純度及氮氣純度要求同南非Sasol公司擁有15套空分設備，總制氧能力達2.1節。由于甲醇合成氣中氮含量越少越有利，故120萬(wàn)m'/h,是世界上最大的氧氣用戶(hù)。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選用全低壓外為CO2等氣體，所以對空分設備的氮氣沒(méi)有嚴格.壓縮流程的空分設備。的要求。該項目在搞IGCC發(fā)電聯(lián)產(chǎn)時(shí)，如果發(fā)電規模配套空分設備宜選用全低壓外壓縮流程。在這較大(200MW), 空分設備可考慮由IGCC的燃氣透.種條件下，外壓縮流程的運行費用和投資都較內壓平壓縮機抽取部分空氣，搞整體化空分設備。詳細縮流程低。但需要較多的液體產(chǎn)品銷(xiāo)售量時(shí)，可考內容請參見(jiàn)第4節ICCC發(fā)電項目。慮選用內壓縮流程。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(chǎng)對空分煤直接液化生產(chǎn)石油的工廠(chǎng)，氧氣主要用于煤設備流程的選擇，可以參照上述甲醇工廠(chǎng)。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，而甲烷化法則要求氧氣純度為對空分設備的要求是: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，一般空分設備的流程及供氧壓力根據煤氣化爐壓力確99.9%已足夠，且用量低于氧氣。這種工廠(chǎng)的規模.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)品的規模均在年產(chǎn)百.應選用內壓縮流程。用Shell法應選用外壓縮流程。萬(wàn)噸以上，否則形成不了規模經(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(wàn)/a以上，需要氧氣量在幾十萬(wàn)m'/h以上,4IGCC發(fā)電項目對空分設備的要求及流程要建設多套大型空分設備才能滿(mǎn)足需要?？辗衷O備選擇流程的選擇需根據氣化爐的壓力及有關(guān)工藝的要用煤氣化和燃氣輪機聯(lián)合發(fā)電是當前較現實(shí)、求，進(jìn)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)。由于燃氣輪機需要的佳方案。燃氣壓力在2.0MPa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?，F在一般認為Shell法用于這樣的工廠(chǎng)對空分設備的要求基本與合成氨廠(chǎng)ICCC發(fā)電具有較大的優(yōu)勢。一個(gè)300 ~ 400MW的相同，對氧氣純度無(wú)嚴格的要求(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%), 數量根設|fYHCN MH G壓力一般在3.5MPa .據合成氨的生產(chǎn)規模而定(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(zhuān)題綜述吳楓，閆文艷，閻承信:煤氣化配套空分設備流程的選擇為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獨立空分設備與升壓空分設備能耗的比較的污氮被用于回注燃燒室及燃氣輪機，壓力為獨立空分設備升 壓空分設備2.0MPao制氧電耗/kW36904690IGCC發(fā)電項目配套的空分設備有三種形式:電能回收/kW1860①獨立空分設備:空分設備用的空氣全由自配的空凈需電量/kW2830壓機供給;②部分整體空分設備:空分設備用的空氣部分自供，部分由燃氣透平壓縮機供給;③完全由此可看出升壓空分設備節能的潛力，因而升整體化空分設備:空分設備用的空氣全部由燃氣透壓空分設備可能是今后空分設備發(fā)展的重要方向。平壓縮機供給。為提高IGCC的整體效率，空分設備中多余的5展望氮氣，應回流到燃氣透平膨脹機發(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備的壓力越高越好，為此空分設備的流程戶(hù)，以合成油(間接液化)項目用量為最多，一個(gè)應有所改動(dòng)。為IGCC配套的空分設備流程有:①500萬(wàn)t/a的合成油工廠(chǎng)，大約需要120萬(wàn)~ 130萬(wàn)全低壓空分設備流程;②利用燃氣透平壓縮機抽氣m'/h的氧氣，按目前國外能制造最大的規?？辗謮毫?1.1~ 1.5MPa) 的升壓空分設備流程')];③設備計算，需10~11套。直接液化需要的氧氣量帶液氧泵的內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(gè)500萬(wàn)l/a的直接液化項氮氣膨脹機的多種流程。目大約需30萬(wàn)~40萬(wàn)m'/h 的氧氣量; 100萬(wàn)/a通過(guò)幾個(gè)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(wàn)m'/h; 400MW ICCC的利弊，現普遍認為采用部分整體化的升壓空分設發(fā)電項目需7萬(wàn)m'/h。備較為有利。這樣，既利用了燃氣透平壓縮機的余我國如在今后的15~ 20年間建設5~6個(gè)煤液力(現燃氣透平壓縮機都是按燃料油或天然氣設計化項目、8~ 10個(gè)煤化工項目、15~20個(gè)ICCC發(fā)的，在改用燃燒低熱值的煤氣時(shí)，透平壓縮機的空.電項目，需要的空分設備數量是相當大的。有關(guān)部氣量有多余)，又不影響空分設備獨立起動(dòng)的靈活門(mén)及行業(yè)應抓住這個(gè)機遇，盡早準備。要立足于國性，并使空分設備出口的氧、氮壓力提高，使內，開(kāi)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，并應與項目的整體相結合，開(kāi)發(fā)適用升壓空分設備的優(yōu)勢是空分設備的體積大大縮于不同行業(yè)的機組。目前空分設備通用機組的純度小，有利于運輸和建設，節省材料和投資，特別是為99.6%的氧氣產(chǎn)品是適應冶金工廠(chǎng)的要求，對氮、氧透平壓縮機。由于出空分設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備，產(chǎn)品的純度對設備的造價(jià)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，應通過(guò)模擬優(yōu)化確定各行業(yè)適操作維護簡(jiǎn)單。宜的產(chǎn)品濃度，設計和制造適用于不同行業(yè)的空分但升壓空分設備也有不利之處，加工空氣壓力設備，以滿(mǎn)足煤氣化等用戶(hù)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。目前空分設備多采用規整填料塔，在ICCC對氧、參考文獻:氮純度要求不高的條件下，這個(gè)問(wèn)題不難解決。- - [1] 倪劍剛.內壓縮還是外壓縮一關(guān) 于如何選擇大型空:般升壓空分設備的壓力在1.5MPa較為適宜。.分設備流程的一些看法[J].深冷技術(shù)，2003，(5):應該看到，升壓空分設備在與整體系統很好結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.自增壓流程空分設備的研究與應用[J].深冷8750m'/h (300t/d)、 產(chǎn)品氧純度95%的空分設備,中國煤化工循環(huán)發(fā)電的結合方式在采用0.6MPa的低壓流程(獨立空分設備)和采用1.1MPa的升壓空分設備流程相比，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