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空分设备在煤化工领域的发展现状和未来

更新时间:2013-03-26 14:04:39 信息编号:84427
空分设备在煤化工领域的发展现状和未来
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富阳凯合空分设备有限公司 商铺
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 虽然受全球金融危机的影响 , 国际原油价格已经大幅回落 , 但是由于国际石油资源日益枯竭 , 采用原油 作为化工原料 , 其成本终究将大幅度增加。因而煤化工的发展可有效缓解国内油品供需矛盾 , 保障国家石油供应安全。


我国石油资源短缺 , 很大程度上依赖进口。虽然几家公司在鄂尔多斯建设的年产甲醇 420 万吨和二甲醚300万吨项目。预计煤制油项目在2015年将形成1000万~2000万吨规模 , 2025年将达 4000万~5000万吨规模。作为煤化工项目配套的关键装备 , 现代煤化工型空分设备将随着现代煤化工的发展而成为空分行业新的业绩增长点 , 形势见好。

1、煤化工型内压缩流程空分设备的特点

在现代煤化工领域中 , 空分设备主要提供氧气和氮气。氧气主要是作为气化剂和反应原料 , 不同压力等级的氮气则作为原料氮气、惰性保护气、气力输送气和吹扫气。过去, 国内煤化工领域煤气化过程基本上采用空气、富氧或低压纯氧作为气化剂 , 气化效率、碳转化率和气化炉能力均很低 。随着煤气化技术的进步 , 现代煤气化向高压化(4~利用 , 降低合成气的压缩能耗或实现等压合成 , 并达到15m pa) 和大型化发展, 从而实现能量高效回收。

配套中石化安庆分公司煤化工项目的48000m3/h空分设备为例, 根据shell粉煤气化工艺、合成 氨工艺以及全厂的用气需要, 空分设备向煤气化装置提供812m pa超高压氮气用于煤粉气输 送, 4152m pa的高压氧气用作气化剂, 017m pa的低压 氮气用于磨粉时的惰性气体保护及煤粉的干燥 , 312m pa 的中压氮气用于合成氨的原料氮气 ; 另 外,提供 212m pa 的中压氮气用于炼油和腈纶装置, 0146m pa的低压氮气用于低温甲醇洗装置的气提过程; 除此之外, 该空分设备还必须向全厂提供仪表空气和工厂用空气。由此可见, 煤化工型空分设备的氧 、氮气产品参数均必须与煤化工主工艺 要求相配套,不同的煤化工项目和气化炉特点决定了配套空分设备的规模和产品结构。总的来说, 现代煤化工型空分设备具有以下显著特点: (1) 产气规模大; (2)气体产品压力等级高;便于实现自动控制和优化操作、降低能耗和生产成本。典型的煤气化炉有德士古炉 (texaco, 气化压力达615~815m pa )和壳牌炉(shell, 气化压力为2~4m pa),我国新建设的煤化工型项目采用的气化炉主要基于这两种技术类型。与一般的冶金型空分设备相比 , 现代煤化工型空分设备所提供的氧、氮气产品的规格比较多。(3)气体产品规格多;(4)氧、氮气产品使用连续性高, 压力波动范围要求小 。

2、煤化工型内压缩流程空分设备的流程形式及选择

煤化工型空分设备的流程组织形式比较多,分类方式有4种。根据循环压缩机压缩介质的不同,流程形式可以分为空气增压循环和氮气增压循环;根据膨胀后空气进塔位置的不同,空气增压内压缩流程又可以分为膨胀空气进上塔流程和膨胀空气进下塔流程;根据产品压缩情况,可以分为单泵内压缩流程和多泵内压缩流程;根据是否生产氩气,还可以分为产氩流程和不产氩流程。选择一种合适的流程组织形式,不仅可以节省一部分的固定投资费用,更主要的是可以降低运行能耗,对于进行气体投资的公司来说,这一点相当重要。如何选择一种合理的流程组织形式?首先,应该全面了解一个煤化工项目的具体用气情况,包括项目所需氧氮气总量、氧氮气比例、液体产品产量、氧氮气的温度、氧氮气的规格以及是否产氩等;其次,对不同的流程组织形式进行优化计算,考察各自的能耗和各自所需的单元设备是否有供货保证和运输保证;再者,考虑流程是否能和原有的空分设备管网系统兼容;最后,需要综合考虑产品气体用于煤化工项目时的整体能耗情。例如,凯合公司在设计某个空分设备项目时,比较了空气增压循环流程和氮气增压循环流程空分设备的能耗,结果发现对于空分设备来说,采用氮气增压循环流程比采用空气增压循环流程能耗高出约300kw。但是煤化工项目主工艺流程要求高况压氮气的温度大于80℃,如果采用空气增压循环流程还需用低压蒸汽对高压氮气进行加热,能耗约500kw。因而从整个项目来看,采用氮气增压循环流程更节能 。

目前,煤化工项目的空分设备有两种投资模式:一部分项目是将空分设备与整体项目一起运作,对空分流程的要求是项目整体节能;另外,有些大型煤化工项目趋向于将空分设备从整体项目中剥离出来,让气体投资公司来接手,而气体投资公 司更希望空分设备本身节能。所以即使是配套于同一个煤化工主工艺,空分流程组织形式也有不同。对煤化工型空分设备来说,尽管选择一种合理的流程形式过程比较复杂,但还是有一定的规律可循。一般情况下,空气增压循环流程是煤化工型空分设备中使用较多的流程组织形式。一些化肥厂要求氮气压力比较高、流量大和压力等级比较多,采用氮气循环流程比较合适。对于液氧和液氮需求量比较大的情况,采用膨胀空气进下塔流程比较好,可以节省加热用的能耗。我国的煤化工项目大部分集中在西北地区和经济不发达地区,这些地区一般对氩产品的需求量很小,而且由于运输不方便,加之产地离最近的氩需求地很远,完全没有竞争优势,因而配套空分设备对氩产品要求不高,甚至不需要产氩,于是在流程选择上,完全可以选择几套空分设备共用一个增效塔的形式 , 以节省投资和能耗。

3、煤化工型空分设备的单元设备

由于流程组织形式、工艺参数的变化,煤化工型空分设备的一些核心单元设备的规模和性能要求也发生了变化,甚至增加或取消了一些单元设备,如增加了高压低温液体泵和液氧工艺泵,取消了氧压机等。

3-1、大流量压缩系统与常规的冶金型外压缩流程空分设备相比,煤化工型内压缩流程空分设备需要配套增压系统,为高压液氧或液氮的复热提供一股高压热气体进行换热。由于煤化工型空分设备规模较大,配套的原料空压机组和增压机组规模也比较大。目前,为大型煤化工型空分设备配套的原料空压机流量动辄超过20万m3/h,增压循环压缩机的流量则更大。目前国际上能为煤化工型空分设备配套空压机和增压机的公司有man、ghh等,国内沈鼓、陕鼓也开始生产大流量空压机。一般55000m3/h等级以下的煤化工型空分设备常采用等温离心压缩机,而这一等级以上往往采用单缸外冷轴流加离心等温压缩机。由于煤化工型项目往往自产蒸汽,因而原料空压机和增压机通常采用蒸汽轮机拖动。

3-2、中压膨胀机煤化工型空分设备的透平膨胀机增压端进口气体往往取自增压机ⅰ段出口,因而经增压后,压力会达到4m pa,有些流程甚至从增压机ⅱ段后取气增压,此时压力会达到7~8m pa,这给透平膨胀机技术提出新的课题。目前,我国煤化工型空分设备配套的中压透平膨胀机主要采用进口产品 , 供货商主 要 有 atlas 、ge、cryostar、acd等。过去,与国际上知名产品相比,国产膨胀机膨胀量小、压力低;膨胀机和增压机的等熵效率及功转换率偏低;止推轴承可靠性差,容易烧轴;膨胀机主轴与叶轮的连接方式落后,反复装卸能力差。凯合公司经过努力后,攻克了很多技术难点,已能完成大流量中压膨胀机的设计、制造,其产品已成功应用于大型煤化工型空分设备。可见,我国已完全具备生产大流量中压透平膨胀机的能力。

煤化工型空分设备涉及到多股高压流体的换热,因而需要高压的多股流换热器。过去,国际上一直以来采用多股流绕管式换热器,如林德公司等。我国在20世纪90年代引进的南化40000m3/h空分设备和渭化28000m3/h空分设备也还是采用高压绕管式换热器。2002年后,国外部分空分设备供货厂家才开始考虑采用高压板翅式换热器。从多个角度来看,采用铝制板翅式换热器要比采用高压绕管式换热器更有优势:

(1)翅片结构高扰动性、铝制金属高导热性以及小的当量直径(板翅式换热器de=115~4mm,绕管式换热器通常de=5~15mm),提高了其换小。炉和翅片冲制线进行升级,2002年添置了1台大型真空钎接炉,重新研究了钎接条件,使得最大焊 接尺寸规格可达1300mm×1500mm×7500mm, 最热效果;

(2)扩展的二次表面(比表面积可达1000~3000m2/m3),缩小了换热器体积;铝材使用减轻了换热器重量,节约了换热器成本;

(3)小温差换热降低了换热损耗和能耗;

(4)板翅式换热器性能稳定,运行时温差应力。

高压力和大尺寸一直是铝制板翅式换热器的制造难点,两者很难协调。国内生产低压板翅式换热器有一定的技术基础,换热器尺寸规格已可达到1300mm×1300mm×6000mm。

3-3、大型高压板翅式换热器

高压力达8m pa,现正努力使其达到10m pa。与法国、美国等公司生产的大型铝制板翅式换热器的最高设计压力(11m pa)相比,差距已很小。

3-4、大型精馏塔煤化工型空分设备的精馏塔主要特点是体积大,50000m3/h等级煤化工型空分设备的塔径已达到4000mm,60000m3/h等级空分设备则要达到4800mm。塔尺寸的增大给制造和运输都带来困难。此外,常规空分设备下塔的二溢流筛板塔也已满足不了需要。国内以杭氧、凯合为代表的空分设备制造公司已攻克各种技术难关,能够设计、制造直径为 4800mm的精馏塔上塔和直径为4800mm的四溢流筛板塔下塔,所制造的精馏塔不仅已应用到自己成套的大型煤化工型空分设备中,还为国外著名空分设备制造公司设计制造。这表明我国已完全具备设计制造60000m3/h等级煤化工型空分设备精馏塔的能力。为解决大型塔器的运输问题,目前50000m3/h等级以上的煤化工型空分设备基本上采用上塔落地布置、主冷独立布置的方式。

3-5、高压低温离心液体泵煤化工型空分设备最大的特点就是采用高压离心液体泵提高产品的压力。不得不承认的是我国在 高压低温离心液体泵的研发、设计和制造能力上与国际先进水平相比确实落后。目前,煤化工型空分设备上配套的高压液氧泵和高压液氮泵均为进口产品,配套数量较多的是cryomec、cryostar和sefo生产的泵,价格非常高。

4、煤化工型空分设备设计时要重视的问题

现代煤化工装置的规模越来越大,国家对其规模也设立了准入门槛。特别是2006年7月,国家发改委下发了《关于加强煤化工项目建设管理促进产业健康发展的通知》要求各地不再批准年产规,模在300万吨以下的煤制油项目 、100万吨以下的甲醇和二甲醚项目以及60万吨以下的煤制烯烃项目。这样必然需要配套大容量的氧、氮气生产设备。为了降低投资、节约用地、减少维护工作量,降低操作成本,空分设备应该大型化,以减少设备的套数。由于煤化工项目大多集中在西北等内陆,因而大型煤化工型空分设备的运输面临很大的困难。空分设备制造商必须要在设计上下功夫,各项新技术的应用必须要考虑运输问题。现代煤化工项目规模大、资金投入量大,一旦某个环节出现问题,损失不可估量,因而必须要保证项目每个单元的稳定运行。空分设备作为煤化工项目的重要单元,必须要为煤化工主工艺提供符合要求的氧、氮气产品。由于大型的煤化工项目往往由多套空分设备联合供气,部分空分设备的停开车必须减少气化炉氧气工艺参数的波动,设计时应该 考虑煤化工主工艺与空分设备的联动或联锁。煤化工项目所在的区域往往存在着大量由项目本身产生的二氧化碳、烃类物质以及煤炭粉尘;此外,这些项目大多处在我国西北地区,这些地区多沙尘天气,有时甚至是沙尘暴,恶劣的环境因素对 空分设备的安全运行构成了严重的威胁。世界上多起空分设备爆炸事故都是因为设计缺陷加上环境因素造成的。因而在设计时必须对空压机吸入口、分子筛纯化系统和精馏塔系统提出特殊的设计要求,防止因环境因素引发的安全事故。我国煤化工型空分设备的开发起步晚,过去,设计制造时主要考虑向大规格和高压力突破,对能耗方面的考虑略显不足。煤化工型空分设备规模大 、压力高的特点使得总能耗非常大 , 在设计中考虑节能问题对降低用户运行成本显得尤为重要 , 今后将是设计的侧重点。

5、结束语

我国在大型煤化工型空分设备设计、制造和成套上已经取得了一定的成绩,特别是成套能力的进步非常明显。但是必须看到,我国的自主开发能力还非常薄弱。从目前应用的各项技术来看,重大技术的应用和突破都是由国外公司完成的,一些关键设备主要还是依赖进口,90000m3/h等级以上的空分设备还没有成套业绩。目前大型煤化工型空分设备完全国产化存在的主要问题是缺乏关键设备的核心技术;国内用户对国产单元设备缺乏信心。所以,为了中国空分行业的未来,空分设备制造公司应该承担起更大的责任,进一步加大对空分设备的研发投入,开发适应现代煤化工新工艺和新技术的空分设备 , 与国内用户一起 , 共同推动煤化工型空分设备的国产化。

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