煤化工51000m3/h內(nèi)壓縮空分設備配置及工藝流程特點

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摘要：簡介了煤化工有限公司三套51000nm3/h內(nèi)壓縮流程空分設備的技術(shù)參數(shù)和流程。詳細介紹了主要設備的配置，分析了三套空分設備具有能耗低、運行安全及可靠性等工藝特點。 

關(guān)鍵詞：大型空分設備；內(nèi)壓縮流程；技術(shù)參數(shù)；配置；工藝特點；  abstract: the coal chemical industry limited company three 51000nm / h asu using internal compression process technical parameters and process. details of the major equipment configuration, analysis of three sets of air separation equipment with low energy consumption, safe operation and reliability of process characteristics.  key words: large scale air separation unit; internal compression process; technical parameters; configuration; process characteristics;  前 言  當今由于化工方面需要大量氧氣和市場對液態(tài)產(chǎn)品需求的增加，世界上制氧機的流程已實現(xiàn)了多樣化，設計的模塊化。除常規(guī)的外壓縮流程外，內(nèi)壓縮流程也呈現(xiàn)多樣化，如膨脹空氣進上塔內(nèi)壓縮流程、膨脹空氣進下塔內(nèi)壓縮流程等型式。  外壓縮流程與內(nèi)壓縮流程的制氧原理基本是一致的，其區(qū)別在于兩種流程的工藝設備不同以及氧氣出冷箱的狀態(tài)不同。外壓縮流程，出冷箱的氧氣為低壓狀態(tài)，通過氧壓機將氧氣加壓至3.0mpa左右，然后送至用戶；而內(nèi)壓縮流程是通過液氧泵將液氧加壓至所需壓力后，在冷箱內(nèi)的主換熱器中與經(jīng)過空氣增壓機增壓后的高壓空氣換熱至常溫后，出冷箱直接供用戶。  近年來，在國內(nèi)大型空分成套設備中，較多的選用了內(nèi)壓縮流程。內(nèi)壓縮流程空分設備取消了氧氣壓縮機，增設了空氣壓縮機、液氧泵及高壓主換熱器等，從安全性和可靠性方面來看，內(nèi)壓縮流程有它的優(yōu)勢，而且從一定程度上減少了投資費用和運行費用。  1 主要設備配置  1.1 空氣過濾器  本裝置采用脈沖反吹自潔式空氣過濾器，過濾氣量10000nm3/min，設計溫度為39℃，設計壓力為 94.71kpa，正常壓降為300～650pa，其效率為≥99.99％，塵埃直徑＞2μm。反吹壓縮空氣壓力為600～800pa，流量小于0.15m3/min。每個濾筒的有效過濾面積為21.4㎡。脈沖式反吹自潔式空氣過濾器的優(yōu)點：濾筒的過濾效率高，阻力低，使用壽命長，且能抗水霧；自動反吹清掃灰塵，達到自潔?？杀ＷC空壓機連續(xù)兩年以上不間斷運行。實驗證明，連續(xù)運行5～10年的離心式壓縮機內(nèi)部無明顯結(jié)垢，葉片毫無粉塵磨損的痕跡；設備檢修維護方便，費用低。濾筒壽命長，更換方便，且可以不停機更換。  1.2 空氣壓縮機  本裝置采用西安陜鼓動力股份有限公司生產(chǎn)的rik-125-4型單軸透平壓縮機，四級壓縮，三級冷卻，內(nèi)置冷卻器，處理氣量265000nm3，進氣口壓力0.0875mpa（a)，出口壓力為0.637mpa(a)，工作轉(zhuǎn)速為4390 r/min ， 軸功率為23060kw，入口溫度為23.2℃，出口溫度為～100℃。氣體從吸氣室進入葉輪進行壓縮使氣體能量升高；離開葉輪的高速氣流進入擴壓室，動能降低，壓力提高；離開擴壓室的氣體經(jīng)彎道和回流器再引到下一級繼續(xù)壓縮。這樣氣體經(jīng)分段多級壓縮后，氣體壓力逐漸提高到實際需要值。壓縮機設旁通防喘振及放空閥，放空閥滿足空壓機全量放空能力?？刂菩盘栟D(zhuǎn)換為4～20ma電流信號輸入dcs系統(tǒng)，由系統(tǒng)自動控制。  1.3 空氣預冷系統(tǒng)  空氣預冷系統(tǒng)采用杭州杭氧股份有限公司生產(chǎn)的預冷系統(tǒng)設備，處理空氣量為～265000nm3/h，空氣進出口溫度為100/12℃，空氣進口壓力為0.625mpa(a)，冷卻水進口溫度為28℃，冷卻水回水溫度為38℃，冷卻水耗量為720m3/h，冷凍水耗量為135m3/h。每套裝置配備兩臺常溫水泵、兩臺低溫水泵及空冷塔和水冷塔。水冷塔利用來自冷箱內(nèi)污氮、氮氣含水的不飽和性，吸收蒸發(fā)潛熱，使循環(huán)水降溫，再通過低溫水泵加壓送入空冷塔上部對空氣進行冷卻，空冷塔和水冷塔為堆散填料塔，水泵為多級臥式離心泵。  1.4 分子篩純化系統(tǒng)  分子篩純化系統(tǒng)是由杭氧生產(chǎn)制造，處理空氣量為～265000nm3/h，空氣出  口co2含量為＜1ppm，再生溫度為175℃，再生氣量為50000nm3/h。分子篩吸附器  采用雙層床結(jié)構(gòu)，底層活性氧化鋁床層，上層分子篩。臥式圓筒體，內(nèi)設支承柵  架，上層一次性填充分子篩66t，下層一次性填充15t鋁膠。吸附空氣中水分、乙  炔、co等碳氫化合物。由于一般分子篩再生溫度為 200～320℃，脫除 h2o 需 300  ℃，脫除co2 需150℃，再生溫度愈高再生越完善，吸附器工作性能愈好，但分  子篩壽命會縮短，而活性氧化鋁在大于100℃時對水分吸附容量就近似為零。所  以就采用了這種底層活性氧化鋁層，上層分子篩的雙層床結(jié)構(gòu)，從而延長分子篩  純化系統(tǒng)的使用壽命。  1.5 增壓機空氣壓縮機  本裝置采用西安陜鼓動力股份有限公司生產(chǎn)的rbz45-2+2+3型單軸透平壓縮機，空氣透平增壓機水平剖分式，七級壓縮三段冷卻，外設三級冷卻器。進氣量為135000nm3，進氣壓力為0.585mpa（a），進氣溫度為24℃,所需驅(qū)動功率為12240kw（國產(chǎn)）/11300kw（進口），工作轉(zhuǎn)速為11450r/min，中抽一：儀表空氣流量為3000nm3，壓力1.4mpa（a）中抽二：去膨脹機空氣流量為43500nm3，壓力2.8mpa（a），三段排氣量為78500mpa（a），壓力（止回閥后）為6.84mpa（a），并且在每段設置了防喘振回流閥，回流閥滿足各自的100%回流能力。  1.6 增壓透平膨脹機  本裝置膨脹機組采用一開一備，三臺采用杭氧生產(chǎn)，三臺采用國外進口設備。增壓透平膨脹機為反動式噴嘴調(diào)節(jié)增壓風機制動，增壓量為43500±20%nm3/h，進/出口壓力為2.78/4.04mpa(a)，進口溫度為40℃，膨脹量為43500±20%nm3/h，進/出口壓力為4.0/0.59mpa(a)，進口溫度為-114℃。透平膨脹機的調(diào)節(jié)通過增壓端的旁通回流閥來控制，膨脹后的氣體直接進入下塔。  1.7 精餾塔系統(tǒng)  精餾塔下塔為篩板塔，上塔為規(guī)整填料塔。分子篩純化后一股低壓空氣經(jīng)過低壓主換熱器換熱后的空氣、膨脹機膨脹后的空氣、增壓機末端氣體經(jīng)過高壓主換熱器換熱之后再經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流后都進入下塔參與精餾。  1.8 高壓液氧泵  高壓液氧泵采用進口立式離心式液體泵，安裝于保冷箱內(nèi)，每套設備配備兩臺，一用一備；驅(qū)動電機帶變頻裝置，可調(diào)節(jié)液體泵的工作裝況。設計溫度為-196 ℃，進口壓力為0.15mpa(g)，出口壓力為5.3mpa(g)，流量為51000nm3/h，液氧泵電機額定功率為250kw。    1.9 液氮壓縮機  液氮泵采用進口立式離心泵，自帶保冷箱，設計溫度為-196℃，進口壓力為0.02～0.8mpa(g)，出口壓力為2.5mpa(g)，氮氣流量為12000nm3/h，液氮泵電機額定功率為5.5kw，電機轉(zhuǎn)速為5550rpm/min，電機額定電壓為380v。液氮貯罐里液氮通過液氮泵加壓到壓力為2.5mpa(g)后，通過水浴式氣化器氣化后進入氮氣貯罐，為后線用戶供給氮氣。  1.10 貯運系統(tǒng)  本裝置設置貯運系統(tǒng)主要是為后線供給產(chǎn)品氣體及在設備發(fā)生故障時能在較短時間里維持系統(tǒng)正常運行。三套空分設備設置一套貯運系統(tǒng)，系統(tǒng)設置641m3的氮氣貯罐，結(jié)構(gòu)為球罐，操作壓力為2.5mpa(g)，球殼δ=50，球罐設外保溫。設置了200m3德爾液氮貯罐，結(jié)構(gòu)為球罐，內(nèi)容器介質(zhì)為液氮，設計溫度為-196℃，最高工作壓力為0.2mpa(g)，外容器介質(zhì)為珠光砂，設計溫度為20℃，設計壓力為-0.1mpa（g)。裝置空氣貯罐容積為408m3，結(jié)構(gòu)為球罐，操作壓力為0.45mpa,操作溫度為40℃.儀表空氣貯罐容積為408m3，結(jié)構(gòu)為球罐，操作壓力為1.23mpa（g）,操作溫度為40℃.  2 空分設備的工藝特點  （1）空分裝置  本裝置以實現(xiàn)確保其生產(chǎn)過程能長期穩(wěn)定可靠運行、節(jié)能、操作維修方便為設計原則，采用當今國際上先進的空分技術(shù)，低壓分子篩吸附、增壓透平膨脹機制冷、產(chǎn)品氧氣和產(chǎn)品氮氣內(nèi)壓縮、空氣增壓循環(huán)的工藝流程方案。流程工藝技術(shù)先進、技術(shù)成熟、整套裝置運行安全可靠，操作方便、能耗低、控制容易、連續(xù)供氣周期不少于二年。  1）采用內(nèi)壓縮流程  本裝置采用空氣循環(huán)、產(chǎn)品氧氣和產(chǎn)品氮氣內(nèi)壓縮、下塔抽取壓力氮的流程，即采用增壓空壓機+液氧泵并通過換熱器系統(tǒng)的合理組織來取代氧壓機，增壓空壓機+液氮泵并通過換熱器系統(tǒng)的合理組織來取代氮壓機。針對用戶用氧壓力高、裝置規(guī)模大的特點，選擇這一流程是最安全可靠的，同時也是最經(jīng)濟合理的。  2）安全性好  a. 內(nèi)壓縮流程取消了氧壓機，因而無高溫氣氧，火險隱患小。  b. 主冷大量抽取液氧，保證碳氫化合物的積聚可能性降到最低程度。  c. 產(chǎn)品液氧在高壓下蒸發(fā)，使烴類物質(zhì)積累的可能性大大降低。  d. 特殊設計的液氧泵自動啟動與運行程序可有效地保證裝置的安全運行與連續(xù)  供氧。  e. 高壓氧系統(tǒng)的高壓閥門采用進口閥門，而這些閥門的材質(zhì)是特殊的。  f. 主冷凝器采用浴式結(jié)構(gòu)，全浸式操作，增加主冷的循環(huán)倍率，防止碳氫化合  物、n2o在主冷的換熱表面析出。  3）可靠性高  a. 低溫液氧泵采用進口名牌產(chǎn)品，且在線冷備用，若運行泵出故障，則備用泵  在短時間內(nèi)自動達到工作負荷。  b. 低溫液體管路采用特殊設計。  c. 高壓板式換熱器采用國外著名公司制造的進口產(chǎn)品。  d. 增壓膨脹機采用由國外著名公司制造的進口產(chǎn)品。  e. 操作維護方便  f. 低溫液氧泵操作方便，維修工作量極少。  4）投資成本低，配置更合理  a. 主空壓機與增壓空壓機用一臺汽輪機拖動，配置合理。  b. 低壓氣氮（0.45mpag）從下塔抽取壓力氮氣，投資及運行成本低。  c. 中壓氮氣采用液氮泵方式獲得，取消氮壓機。  5）采用先進可靠的dcs控制系統(tǒng)  儀控系統(tǒng)能有效地監(jiān)控成套空分設備的生產(chǎn)過程，確保運行可靠，操作、維護方便，采用中央集中檢測控制為主，機旁盤和就地儀表檢測控制相結(jié)合的原則。  本裝置各機組設備流程參數(shù)的顯示與主要操作調(diào)節(jié)功能均可在中控室完成。實現(xiàn)了中控、機旁、就地一體化的控制，可有效的監(jiān)控整套空分設備的生產(chǎn)過程。成套控制系統(tǒng)具有設計先進可靠、性能價格比高等特點。  6）優(yōu)化設計的流程  空分流程計算的準確及數(shù)據(jù)的可靠性?？辗衷O備流程設計計算技術(shù)是成套空分設備成敗的關(guān)鍵，采用國際先進的aspen和hysys軟件模擬計算，及自行開發(fā)的空分流程設計計算的軟件包。計算效率與精度已達到國外先進水平?，F(xiàn)在用這些軟件設計的空分設備具有100％的成功率。  流程的優(yōu)化設計決定空分的先進性。針對用戶所需產(chǎn)品用氣及液體特點，單位產(chǎn)品能耗與投資情況進行多方案比較，確定最佳的流程型式。在流程確定后，對流程中各點參數(shù)進行優(yōu)化，保證空分設備的先進性。  本裝置的流程設計吸收了近 10 年來國內(nèi)引進的幾套大型高壓內(nèi)壓縮流程空分設備的設計特色及實際安裝運行經(jīng)驗，并最大限度地克服了國外同類產(chǎn)品的缺陷，因而在流程組織上是可行的，也是可靠的；在充分保證本裝置可靠性的前提下，也兼顧到其合理性、安全性、先進性。  7）裝置具有先進的技術(shù)性能指標。  衡量空分裝置性能優(yōu)勢的最重要的指標就是制氧能耗和氧的提取率。本空分裝置在下塔抽取較多壓力氮氣的情況下，能保證較高的精餾塔氧提取率，同時各配套機組具有優(yōu)異的單機性能指標，從而保證了成套裝置具有優(yōu)良的綜合性能指標，而這些指標已經(jīng)達到了國際先進水平，具體體現(xiàn)在以下幾個方面。  本裝置高壓液氧泵采用進口的產(chǎn)品，因而具有很高的運行效率。  靜設備部分最重要的上塔采用規(guī)整填料塔，大大減少了上塔的塔板阻力，使整套空分裝置能耗降低，并增加了提取率。  精餾系統(tǒng)采用特殊的組織方式，使系統(tǒng)的氧提取率更高。  采用帶水冷塔的新型高效空氣預冷系統(tǒng)，充分利用干燥污氮氣的吸濕性，降低冷卻水溫度，從而可以取消冷水機組。  分子篩純化器采用雙層床、長周期設計，使用壽命長，再生能耗低，工況穩(wěn)定。  （2）空壓站  空壓站選擇可靠螺桿式壓縮機和成套的控制系統(tǒng)確保整個裝置能安全穩(wěn)定運行，選擇微熱再生干燥器配套使用，在出口露點的穩(wěn)定、干燥劑的壽命、整機壓降及控制技術(shù)方面都比其它方法的空氣干燥有較大的優(yōu)勢。  空氣壓縮、微熱再生干燥有著獨立的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的自動操作、監(jiān)控和報警。