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对煤化工配套空分的特点及要求探讨

作者:网络来源: 发布时间:2017-06-22
1、引言

众所周知,地球环境问题很严峻,煤作为能源,以往以直接燃烧为主,如火力发电,不仅转化效率不高,而且会产生大量的CO2,SO2和其它废气,使污染加剧、温室效应严重,同时损失了煤中所含有的大量化工原料。因此煤的综合利用迫在眉睫,我国发展煤化工是大势所趋。

在2000年以后,由于油价一直处于高位,煤化工企业的利润突显,我国各地的煤化工企业蜂拥而上,尤其2006~2009年成为高潮期。但由于有些煤化工项目,工艺技术不成熟,高投入,环保措施不配套等原因,至今尚未投产,有的即便投产了,也处于不稳定生产和亏损状态。加之传统煤化工项目污染大,物耗,水耗较高,由于前期盲目上马,造成煤资源浪费,设备闲置,产能过剩,因此国家于2011年开始,煤化工项目准入从严。目前发展的煤化工是以煤制油,煤制天然气,煤制烯烃,煤制二甲醚,煤制乙二烯为代表的新型煤化工。

为了规范煤化工行业的发展,去年国家发改委下发了《关于规范煤化工产业有序发展的通知》,禁止建设,年产100万吨以下的煤制甲醇项目,年产100万吨以下煤制油项目,年产20万亿m3以下煤制天然气,年产50万吨以下煤制甲醇制烯烃项目,年产100万吨煤制二甲醚项目以及年产20万吨以下煤制乙二醇项目。

2012年3月22日,国家能源局发布的《煤炭发展十二五规划》提出在内蒙、陕西、山西、云南、贵州、新疆等地选择煤种适宜、水资源相对丰富的地区,重点支持大型企业开展煤制油、煤制天然气、煤制烯烃等升级示范工程项目。

由于发展煤化工的战略意义,新型煤化工将呈现跨越式发展的势态,据煤化工产业中长期发展规划获悉,煤制油2010年为年产150万吨,2015年将达到年产1000万吨,2020年年产3000万吨。煤制烯烃目前国内运行的只有4套,年产烯烃176万吨;目前国内甲醇制烯烃项目十个产能为540万吨/年。规划中规定,十二五煤制烯烃将达到1700万吨/年。煤炭产量2015年39亿吨。目前,国家发改委和国家能源局核准的煤化工项目104个,若这些项目在十二五期内全部建成,总投资超过2万亿元,煤化工装备投资占总投资的50%,空分的投资占煤化工装备的5%将为5000亿元,这为空分制造和气体行业又带来了机遇和挑战。

2、新型煤化工技术简介

煤化工是以煤为原料,经过对煤的化学加工, 使之转化为气体、液体、固体等化工产品的工业。煤化工包括煤气化、煤液化及煤干馏三个基本单元。

2.1 煤的气化

煤气化技术是煤化工产品、煤液体燃料、IGCC发电、多联产系统、制氢等工艺过程的共性技术。又是甲醇装置、合成氨装置、煤制油装置的龙头技术,即应用于氨、氢、醇、油、燃气五大产品的领域。

2.2 煤的液化制油

煤的液化制油分为间接液化和直接液化。

(1)煤的间接液化

工艺示意图,见图2煤间接液化制油,是指煤气加氧气,水蒸汽进行气化,制成合成气,在一定的温度、压力和催化剂的作用下,合成油。我国中科院山西煤化所具有煤间接液化技术。

(2)煤直接液化制油

煤直接液化框图见图3煤直接液化制油是通过溶剂抽提或在高温高压催化剂条件下,给煤浆加氢,提高C/H 比,直接转化成油品。神华集团100万吨/年的煤制油是煤直接液化制油的示范工程项目,已投产。

2.3 煤干馏生产焦炭

煤在隔绝空气的条件下在焦炉中加热到1000℃ 干馏产品为焦炭、焦炉煤气、煤焦油、粗苯等。虽然在焦煤中不加氧,在焦炭生产过程中的干洗焦也需要大量的氮气。总之,煤气化是煤化工的核心,通过煤气化得到含CO和H2的合成气,再由合成气生产各种基本的有机化工产品和精细化工产品,据不完全统计可达100多种,被称为“碳一化学”。

3、煤化工配套空分的特点

3.1 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CO和H2的过程。吹氧量的多少,直接影响煤的转化率。在煤品种确定的前提下,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)。目前成熟的煤气化技术以水煤浆德士古(Texaco)工艺、鲁奇工艺、干粉谢尔(Shell)法为代表。德士古工艺是水煤浆气化技术,由上世纪八十年代引进中国, 它的转化率较高,煤气的有效成分CO+H2可达到78-80%,谢尔技术于上世纪九十年代引进中国,其转化率更高,煤气有效成分达90-92%。近年来,我国中科院山西煤化所开发了先进的灰熔聚流化床粉煤气化技术。

目前,煤气化向着大型化发展,德士古炉最大处理煤量达1000吨/天,谢尔炉最大处理煤量达2500吨/天。经计算年产100万吨/年甲醇采用GE水煤浆气化技术每小时耗氧量120000m3/h ;100万吨/年煤制油,采用Shell粉煤气化,小时耗氧量250000m3/h ;60万吨/年甲醇制烯烃,采用谢尔气化技术,小时耗氧量230000m3/h。年产20亿m3/年的天然气,采用BGL粉煤气化,耗氧量160000m3/h。显然所配套空分装置,都是大于30000m3/h的特大型空分,甚至需要十万等级的空分。

特大型空分不是简单的配套设备和机组的放大,而要解决许多关键技术问题。在塔器等静设备首先是要解决运输问题,(1)限制直径,并且塔高度不能太高,这就必须加强单元截面上的传热和传质,例如上下塔采用新型的规整填料,筛板塔加大开孔率等;(2)气、液分配方面的换热器问题,急需新型的塔内件开发应用;(3) 配管问题等。在换热器方面需要研制高效换热器,在12万等级空分的研制方面,杭氧已做了很多工作,解决了关键的技术问题。开空在8万等级空分的研制方面,也做了攻关。

在动设备核心问题大型高效率的机组的研制,例如:高效率中压膨胀机、液体膨胀机、大型空气压缩机、增压机、大型离心式液体泵的研制及选择。目前基本上都选择国外进口,若想减少投资,唯一途径尽量国产化。

3.2 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。

(1)流程的多样化。

由于煤化工要求氧气的压力通常为4.0~8.0MPa,所以煤化工型空分均采用内压缩流程。但是由于采用煤气化技术的不同,氧气压力等级不同,氮气产品需求量和规格不同,而形成空分流程多样化,必须进行针对性的设计。

(2)产品的多样化

煤化工的空分通常要求提供高压氧气、高压氮气、中压氮气、低压氮气、仪表空气、全化工厂用空气、液氧、液氮、液氩。尤其是对氮气产品的需求,规格有的达六种之多。而且用氧量也在大范围内变化,甚至当后续工艺停机时,短时间内用氮量增加几倍,这样的要求对设计及运行方面都是挑战。

3.3 大型机组的集成化

特大型空分配套的空压机,80000m3/h以上空分所配套的空压机已不是单一的离心式,应为轴流加离心。并无法采用电机拖动,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,通常采用一台汽轮拖动,即一拖二。甚至还需要拖动氮压机即一拖三。有的在增压机中间抽出膨胀空气,这将使这些机组高度集成在一起,这对空分制造、自动控制及运行操作提出了 更高的要求。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。这样可减少投资并利于国产化。

4、对煤化工型空分的要求

4.1 可靠性

煤气化是煤化工生产的龙头,空分又是煤气化的“首”。它所提供的氧气、氮气、仪表空气及工厂用气是煤化工产业链稳定运行的前提。若保证煤化工全流程的“安、稳、长、满、优”的运行,首先要确保空分的可靠性。据报道,2009年国内某厂四套煤气化装置的故障中,空分的故障率占25~ 42.8%。甚至有一套煤气化装置停车17次,其中因空分故障停车8次,空分故障率占了47.1%。据西班牙的ELCOGAS装置的故障统计,空分的故障率只占总故障率的5.8%。国外统计最好的数据,空分故障率只占0.8%。因此提高国产空分的可靠性值得特别的关注。据统计空分故障多数产生在净化方面, 为了保证空分的可靠性,提出以下几点建议:

(1)空气过滤器

由于煤化工厂区的空气质量差,多数建在煤矿附近,风沙大甚至经常有沙尘暴,所以空气过滤器处理量增大外,应增加无纺布过滤层且可拆卸为宜。

(2)二氧化碳的净化

煤化工装置的低温甲醇洗需要排放大量的CO2,所以空分分子筛纯化器设计参数CO2含量为500×10-6,应为CO2 800×10-6。而且二氧化碳的排放口应远离空分,并根据风向多点排放。

(3)酸性气体

煤化工企业周围的空气中含H2S、SO2等酸性气体。这将毒害分子筛,是分子筛寿命缩短,一般分子筛使用寿命5 ~ 8年,所以分子筛纯化器应采用双层分子筛纯化器以氧化铝层,保护分子筛被酸性气体侵害。最好采用三层床(活性氧化铝、13X分子筛、吸附N2O的专用Ca基分子筛),且分子筛装填的富余量应增加。

4.2 节能

在煤化工产业链中,空分是耗能大户,占煤气化成本的35%,制氧单耗一般为0.42GkW.h/m3O2, 一般汽轮机的能耗占90%,制冷机能耗约占3%。利用㶲分析软件进行计算,空分装置的㶲效率只有30~ 45%,㶲损主要表现在精馏、压缩机、换热损失,因此提高机器效率,缩小换热温差是节能降耗的有效途径。

4.3 降低投资

空分的设备的投资在煤化工项目中所占的比例很大,占煤气化装置的40~ 55%,降低空分的投资从简化流程开始,各个单元设备合理配套,另外加速国产化进程是最有效的办法。

5、对煤化工型空分设计的几点建议

5.1 快速启动

在煤气化中,稳定的氮气供应才能保证粉煤循环,稳定的入炉煤量,所以要求空分快速启动,空分的启动时间一般为36小时。为了启动时间应采用液体回灌的办法借冷。实践证明,这可以使特大型空分启动时间缩短到24小时以内。这就需要设计时应设置液体回灌系统。

5.2.负荷的调节

空分装置无法与气化炉一一对应,一般几套空分的氧气汇流在氧气总管。为使空分处于稳定运行,调负荷建议集中一套上,其余装置微量调节。并建议设置大容量的贮液罐,以便采用液氧、液氮互换的变负荷的方法,经㶲分析这是保证优化运行的最佳的变负荷方式。大容量的液体贮槽,既可以备用和储存液态产品,又可以承担变负荷的功能。

5.3 空冷岛

煤化工厂区,多处于缺水地区,节约水资源,空冷岛作为汽轮机排气的冷却和回收设备而设置。空冷岛的占地面积很大且空冷岛的位置对于空压机的吸风干扰很大,空冷岛如果和空压机过滤器同侧布置时,建议空冷岛的平台高度应大于25m。

5.4 保冷箱的设计:

保冷箱的设计及保冷箱充填,直接关系到跑冷损失的大小,且反映了空分检修的方便性及费用。近年来保冷箱的“砂爆”事故时有发生,所以保冷箱的设计也值得关注。保冷箱的受力情况,需要认真计算,如采用双层保冷箱会大大减少保冷材料的用量,并便于检修。

5.5 总承包(EPC)

空分装置的质量不仅需要空分制造技术给予保证,而且与安装水平密不可分,所以能够“EPC”,达到交钥匙工程,才是缩短工期,保证工程质量的最有效的办法。

6、结束语

“十二五规划”新型煤化工的发展,推动了空分向特大型发展。给予我国空分制造业的再一次发展机遇。愿国内空分制造业以创新的精神,制造出“精品”国产空分满足内需。当然也是国外特大型空分制造先进技术进入我国机会。愿世界上节能特大型空分装备更好地为我国的国民经济发展服务。本文在空分精细化设计上提出几点建议,仅供参考。

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