空分工艺流程优化研究

周颖，张彩霞

浙江汉特博科技有限公司，浙江省湖州市313000

摘要：随着社会经济的快速发展，21世纪初以来，大型空分逐渐应用于钢铁行业，空分装置制氧量从35000m3/h发展到60000m3/h，甚至有更高的产量。钢铁企业受当时产品结构的影响，工业气体的应用基本处于氮氧平衡的局面，即氮氧的需求基本相当(氮氧比例常为1∶1左右)，因此配置的空分装置以氮氧产量基本一致为基准。近年来，随着冶金行业高炉、转炉的大型化和富氧冶炼技术的推广应用以及钢铁产品结构的持续改进，钢铁企业的产品及用能结构也不断地发生变化，生产高附加值产品的工艺机组不断新增，使得钢铁行业对氧气、氮气的需求比例发生了较大的变化。

关键词：空分工艺；流程优化；措施研究

引言

空分装置是煤化工生产中不可或缺的设备类型，此类设备与技术为有效开展空气分离提供了有力支持。随着煤化工行业发展，空分技术与设备的发展要求日渐提升，进一步推进大型煤化工空分技术与设备改革，成为行业发展的关键。为此，以实现技术与设备创新为导向，做好大型煤化工空分技术与设备发展现状研究十分必要。气化炉和空分设备，是我国煤化工技术进步专项工程中必不可少的关键设备，但现阶段，我国特大型空气分离的主要设备，如空压机、氧透、增压机和高压低温阀门等装置，其风险系数都相对比较高，再加上在实际工作的过程中经常会发生能耗高、效率低的状况，使得该工程在进行时，必须对工作质量进行密切关注，并通过采取有效的措施来提升空气分离设备的安全指标。

1空分装置安全运行的意义

随着当前煤化工企业自身生产规模的不断扩大，煤化工装置中对氧气的需求量也明显提高，并由此实现了煤炭转化率的稳步提高，从而实现了煤化工企业所规定的生产目标。但通过调查研究后指出，由于煤化工过程将会生成巨大的氧消耗量，假如每年产出大约为20亿m3的天然气，就必须通过BGL液态排渣气化法对16万Nm3/h的氧消耗量进行处理。对于我国煤化工技术氧消耗量偏大的这项问题，为了对耗氧量的处理要求予以充分满足，可以将空气分离装置合理应用到煤化工装置中，进而使得制氧量得到大幅度提高，并推动我国煤化工装置进入大型规模化建设时期，确保最高制氧量将达到12万Nm3/h。现阶段，我国煤化工生产对于安全生产予以高度关注，空分装置则是煤化工装置中的关键构成部分，更需要增强设备本身的稳定性能与安全性能，同时，还应选择更稳定的空分流程对煤化工装置的安全防护予以一定程度的强化，进一步达到安全生产的各项要求。

2大型空分技术原理

空分技术是工业生产领域最为常见的分离技术之一，它主要用于分离空气中的各组分气体，可依托于工业设备装置实现空气分离。在煤化工行业中，空分装置设备是十分基础和重要的生产设备，为满足煤化工行业中的工业气体需求提供了有力支持。随着煤化工行业的快速发展，工业气体需求量逐渐增大，空分技术以及设备的应用要求也日渐升高，技术类型不断丰富；不过，万变不离其宗，煤化工空分技术与装置的大型化并未改变其基础原理，只是在原有的技术设备上实现了性能升级。从本质上来看，大型煤化工空分技术就是利用空分装置将空气中的氮气、氧气、氩气一一分离的技术；最常见的分离技术是低温精馏法，其原理是先利用压缩循环深度冷冻技术，将空气转化为液态，然后再利用不同气体的沸点差异开展低温精馏分离。

3空分装置存在的问题

3.1空分装置物料平衡情况

空分装置的产能受周围环境温度影响较大，当冬季环境温度较低时（环境平均温度为-5℃），空压机打气量较大。但空分装置的增压机及高压板式换热器的生产能力已到极限，膨胀机机前温度偏低，无调节余量，工艺操作难度较大。但当夏季环境温度较高时（平均温度＞20℃），空压机打气量减少，在装置空气、仪表气、高纯氮气用量不变的情况下，两套空分总供氧量平均为103000m3/h（标况），且空压机进口导叶已全开，空压机已无调节余量，并且高压板式换热器负荷较大，膨胀机机前温度偏低，尤其是当分子筛纯化系统切换时，经常用增加中压氮气窜低压高纯氮气的气量，间接减少空分装置低压高纯氮气的外送量，以保持精馏塔下塔压力及膨胀机机前温度，工艺操作难度较大，时常发生粗氩塔氮塞现象，影响空分系统的稳定运行，并且由于中压氮气窜入低压氮气量的增多，使液氮贮槽库存不断下降（中压氮气是用液氮贮槽中的液氮复温后生产的），无法满足长期稳定运行。

3.2备煤车间、气化车间使用高纯氮气、装置空气情况

备煤车间筒仓惰化保护装置间接性使用低压高纯氮气平均为2000m3/h（标况）；加压气化车间单台气化炉煤锁引射器设计使用装置空气量平均为636m3/h（标况），19台炉共计12084m3/h（标况）；单台气化炉煤仓、溜槽设计使用低压高纯氮气量平均为454m3/h，19台炉共计8626m3/h（标况）；但由于受全厂物料平衡原因限制，气化车间目前节约使用高纯氮气及装置空气，目前气化车间使用低压氮气平均约5000m3/h（标况），装置空气用量平均约8000m3/h（标况），煤锁引射器未发挥到最佳工作状态，若煤锁引射器气量减少太多，气化车间现场粗煤气泄露的风险将增高，严重威胁设备及人身安全。

4空分装置的组成情况和发展现状

4.1装置组成

实践中，大型煤化工空分装置由多个系统组成，随着设备规模扩大，结构复杂性也持续提升。本文以基于低温精馏法的大型煤化工空分为例，对大型煤化工空分的组成情况加以分析。结合实践可知，以低温精馏为原理的大型煤化工空分装置，由压缩系统、预冷系统、纯化系统、制冷系统、精馏系统、输出系统以及液体储存后备系统组合而成。其中，压缩系统中最主要的设备是空压机，为保证设备性能还会为安装配套的冷却器、消音器以及空气入口过滤器；冷却塔、分子筛吸附器、膨胀机、精馏塔等也都是该装置的重要组成部分。

4.2发展现状

现阶段，大型煤化工空分装置的国产化之路已经进入了第三阶段，即材料部分进口、国内成套制造阶段，距离真正的国产化只差一步。在这一背景下，大型煤化工空分技术与设备得到了长足发展，煤化工行业的空分设备投资规模占总投资量的5%左右，还有不断加大的趋势。基于资金、技术的大力支持，大型煤化工空分装置的规模和功能性屡创新高。从现实角度来看，大型煤化工空分装置的发展之路并非一帆风顺，随着工业气体使用需求加大，大型煤化工空分装置的设计难度越来越高，设备运行可靠性保障要求也持续提升。煤化工生产之中，氮氧应用不仅存在需求大问题，还具有产品类型要求多的特征，这种多元化产品应用需求让大型煤化工空分的设计复杂性进一步提升，其制造难度也大幅增加。实践中，常常存在大型煤化工空分装置规模过大无法以电机拖动或核心机组配置不力的情况，都严重影响设备的运行可靠性。

5空分工艺流程优化研究

5.1强化员工管理与培训

空分装置的运行过程中，员工作为参与的主体，员工的专业素质与操作能力、安全意识都是直接影响空分装置安全性的重要因素。在社会生产环节中，任何工业活动与社会活动都无法脱离员工的参与和干涉。所以，做好员工的管理，强化安全意识是实现煤化工空分装置安全管理的必要条件。在工业生产中，如果无法实现智能化的控制，就要做好人员的管理。一方面，操作人员的管理需要从完善科学的制度角度上来实现，通过制度化、规范化，能够有效降低误操作出现的问题，同时也可以帮助员工形成一定的管理规范化习惯，更好地完成管理任务。另一方面，强化员工的培训，通过完善培训体系，做好职业培训、安全意识培训等工作可以有效提升员工的专业素质。可以通过对员工进行专业技能训练，或者定期对员工的相关安全知识进行培训，以此来考察员工的知识能力与岗位工作水平。除此之外，还需要建立一定的预警机制，让员工明确在一些特殊紧急情况下如何在确保自身安全的条件下抢救公共财产，这样也能够有效避免安全事故发生时带来的人员生命、财产损失。在企业内部可以通过建立相互沟通交流的平台，让经验丰富的员工体现出榜样的力量，带动工作人员积极参与企业管理，提供更多的方案与技术方法。

5.2促进空分装置与气化炉的相互匹配

在空分装置的设计和要求中，对空气分离装置与气化炉等二者之间存在着较清晰的规定，要保证二者的配合度。氧气主要使用的装置和用户为气化炉，所以对于空气分离设备与气化炉间匹配程度的确定，不管是空气分离设备的系列和套数，还是为了保证它对气化炉之间的协调程度，都具有着不容小觑的现实意义。如果对单套空分装置的最大制氧量进行分析，则将会出现比较小的系列数问题，所与之对应的投入资金也较小，而如果对单套的最大总氧量出现相当大的数量问题时，再加上在操作时并没有操作的业绩或者技能欠缺，那么，就需要在完成空分设备作出的业绩后，与气化炉的系列数予以充分结合以促进二者之间的相互配合，其程序将相当复杂，同时，还会在一定程度上减少产品和企业收益，同时作业的错误率也大大增加。因此，唯有保证气化炉和空分装置的匹配性，方能确保煤化工发展中空气分离装置的安全平稳工作。

5.3仪控、电气改造

整个改造涉及到新增的输入、输出控制点数非常有限，需要复核原有控制系统卡件的备用通道。在工艺控制方面，需要考虑新增主换热器的低压氮气产品在不需要送至下游客户时，可以送至水冷塔;另外新增主换热器的空气流股需要增加流量控制和调节阀门，用来控制空气流量，以匹配新增低压氮气，避免由于这股氮气复热不足而产生的管道冷脆现象。在电气方面，更换的冷冻水泵所需低压开关柜可以利旧，新增冷水机组需要复核上游变压器容量、备用低压开关柜电路容量，选择合适的备用回路。

5.4对空分装置设计的要求

要想提高空气分离装置在实际工作过程中的安全稳定性，就应确保空气分离设备的产品规格和实际规格两个方面。（1）必须确保实际规格和氧气的要求。在煤化工项目运作的过程中，空气作为最主要反应的原料，同时又是一种天然气化剂，那么必然会提高对氧的需求，也就可能把氧浓度作为对空气分离装置规格的一项要求。当在统计氢气规模和用量时，最重要的就是根据煤气化设备和用氧装置得最多用量，进行相应的统计，并和企业实际的生产工作流程充分整合，再利用用氧装置的实际负荷量以及对煤质本身的情况，进行系统性分析设计。值得注意的是，制氧应当满足有关规定，也即在通常情况下氧气浓度不应当小于99.6%。（2）确定规格和氮气数量。可以针对氮气的本身特点，按照具体压力级别详细计算氮气数量，以便于决定氮气的规格，可利用辅助装置在以往应用中的正常用量和生产装置等依据，对不同装置的氮气使用特点和最大正常用量频率进行了详细分析，从而得出了氮气的最大正常用量和核心用户的最大氮气用量二者之间的比值，并以此作为基准，根据管道输送距离和面积测算出了管网的实际损失。

结语

通过对空分装置污氮气的回收利用来有效解决高纯氮气物料平衡难的问题，可以用污氮气替代部分用于做保护气或引射气的气源，例如煤筒仓、煤溜槽等设备的保护气、气化炉煤锁引射器动力气源等。此方法在解决化工系统安全生产问题的前提下，同时也优化了空分装置的产能，提升了工厂的综合运行效益。同时，积极应用先进的工艺流程与科技方法，持续升级改进设备，这样才能促进在项目执行过程中安全使用设备，以便于确定煤化工在实际生产中使用最合适的压缩方法，从而实现空分装置运行的安全性与稳定性，并提高我国煤化工企业的生产效益。

参考文献

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