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空分装置技术改造探讨黄晓江(中国石化工程建设公司,100101)摘要针对旧空分装置的技术改造,对新旧空分设备工艺流程进行了对比,提出了几种投资少、效益高的改造方案。同时分析了国内外空分装置的发展趋势,建议对新建空分装置应采用新型工艺流程和技术,可增产节能,创造效益。关键词空分装置改造氧气氮气文章编号:100529598(2003) 0220020204 中图分类号:TQ02 文献标识码:A引言在钢铁、化工、冶金以及化肥等需要大量氧气和氮气的企业中,空分装置都是一个关键的公用工程设施。这些使用氧气和氮气的工艺过程大多要求空分装置能长期、连续、稳定、安全地运行,一旦空分装置发生事故,将直接影响到整个装置的安全运行,严重时还会导致装置全线停车,造成严重的经济损失。而我国现役的空分装置大多是20 世纪7080 年代投入运行的,它们工艺流程落后,配套机组复杂,性能指标较差。为了适应市场经济的发展,降低产品成本,当前很多企业都在进行装置改扩建,扩大装置规模,提高产品产量。而为主生产装置服务的公用工程设施的生产能力也需相应地提高,落后的空分装置的弊端显得更为突出,因此用新技术对现有的空分装置进行挖潜改造,以达到投资少、见效快、收益高的改造目的十分必要。1 旧空分装置存在的主要问题1. 1 生产流程落后,产品的制取率低传统的空分装置由于其自身结构的特点,其氧提取率一般只有70 %80 %左右,有些只有62 %,甚至更低,而氩的提取率一般停留在35 %45 %左右,收稿日期:2002212204作者简介:黄晓江,女,生于1975 年12 月,1998 年毕业于北京化工大学化学工程专业,现从事石油化工项目的工程设计工作。氧氮的产品产量比一般在111 ,这使用氮量较大的化工行业用户受到严重的制约。而先进的分子筛吸附流程的空分装置其氧的提取率可达到99 % ,氩的提取率可达到70 %80 % ,氧氮产品产量比可达1212. 5。1. 2 能耗指标高旧空分设备的单位氧耗一般为0. 7 kWh/ m30. 8 kWh/ m3 ,而新设备的单位氧耗可达0. 42 kWh/ m3 ,相差近一半。1. 3 压缩机排气量不足设备陈旧,空气透平压缩机排气量严重不足,氧产量、氮纯度下降。1. 4 缺少氮水预冷塔空分设备能力没有得到充分的利用,大量氮气放散,没有设置氮水预冷塔,使水温进一步下降。1. 5 低温液体贮存汽化系统能力不足缺少低温液体贮存汽化系统或现有低温液体贮存汽化系统能力不足,不能适应全厂用户用量波动及空分装置停车检修的需要。1. 6 运行周期短,操作复杂,可靠性和稳定性差旧空分设备因其自身工艺流程落后,各单机设备的操作性能差,故障多,经常造成停车检修,运行周期短,一般只有0. 40. 6 年,而新空分设备的运行周期为2 年。2 旧空分装置的改造方案及优化措施目前很多企业在进行主生产装置改造的同时,也对辅助生产设施进行了相应的改造,空分装置就是其中一项很重要的内容。由于空分设备的生产厂第2 期(总第105 期) 煤化工No. 2 (Total No. 105) 2003 年4 月Coal Chemical Industry Apr. 2003 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.家不同,设备的出厂年代不同,每套设备的情况也不尽相同。因此首先必须充分了解现有设备的运行状态和性能指标,并根据用户的具体要求,结合设备的实际情况,提出有针对性的改造方案,以做到节省改造投资,技术指标先进可靠,操作维修方便。2. 1 建立低温液体贮存汽化系统2. 1. 1 建立贮存系统的必要性大部分氮气和氧气的用户对用量的需求都不是一个定值,而是根据工况不同而波动的。空分设备在设计条件下运行效果最高,而调节范围有限,不具备对偏离设计工况的快速、大幅度变负荷能力。因此需要由贮罐来调节、吸收这种波动。2. 1. 2 气体贮存和液体贮存的对比目前贮存的方法有两种:气体贮存和液体贮存。它们的性能对比见表1。表1 气体贮存和液体贮存性能比较气体贮存液体贮存占地面积大小设备投资大小启动速度快慢能耗小大由于1 m3 液氮汽化后可得氮气643 m3 ,1 m3 液氧汽化后可得氧气800 m3 ,因此在提供相同体积的气态氮气和氧气时,液体贮罐体积要小得多。这点对可利用土地少的改造项目十分有效,而且气体贮存虽然节能,但受投资、占地、贮存压力的限制,当贮量超过10 万m3 时,气体贮罐的投资过大。因此综合比较以上因素,建立低温液体贮存汽化系统更为经济合理。空分装置液体贮存汽化系统常用流程示于图1。1 低温液化汽化器2 低温液体贮槽3 低温液体注入泵图1 空分装置液体贮存汽化系统常用流程示意图2. 1. 3 低温液体贮存汽化系统可满足全厂间断性最大氮气、氧气用量的需要有些企业在主装置改造完成后、正常生产时,旧的空分装置的氮气和氧气的产量仍能满足各装置用户的需要,仅在各装置间断性最大氮气、氧气用量时不能满足需要。在这种情况下,考虑到旧空分设备改造难度大,改造周期长,因此保持原有设备不动,靠增加液体贮存汽化系统来满足各生产装置间断性最大用气量的需要成为一个切实可行的有效措施。例如我公司已完成的仪征45 万t/ aPTA 改造工程的空分装置改造就属于这种情况。另外低温液体贮存汽化系统还可用于空分装置停车检修。空分装置是一个配套复杂、技术要求高的设备,各种运动机械、阀门、仪表不可能长期不出故障,我国至今为止都习惯使用备用空分机组来解决这个问题,但这样一来装置总投资就会大大增加。国外发达国家都普遍用液体备用的方法,当空分装置短期停车维修时,将贮罐中的液体产品加压并汽化后来满足那些必须连续供气的用户。例如我公司正进行的茂名80 万t/ a 乙烯改扩建工程中空分装置的改造就是利用增加液体贮存汽化系统的能力来满足设备检修期的供气问题。综合比较以上因素,新建或改造原有低温液体贮存汽化系统,在空分装置停车检修或当全厂用气量达到高峰时投入运行,是一项十分经济合理的措施。2. 2 旧空分装置的挖潜改造2. 2. 1 切换可逆换热器流程的改造方案切换可逆换热器流程是我国在20 世纪7080年代普遍使用的一种流程,在现代生产中,它的弊病越来越突出: (1) 装置的切换周期短,切换损失大;(2) 频繁的切换使装置压力交变,精馏系统操作不稳定; (3) 为保证自清除的要求,导致空分装置的纯产品较少。为了弥补工艺流程的缺陷,提高装置性能指标,将切换可逆换热器流程改造成为分子筛吸附净化流程才能从根本上解决问题。改造方案有以下几种。2. 2. 1. 1 增设分子筛纯化系统该部分是流程改变的核心。分子筛吸附器一般分为上下两层,下层为Al2O3 ,用于吸收水分,上层为分子筛,用于吸收CO2 和碳氢化合物,可使碳氢化合物的清除在分馏塔外进行,防止碳氢化合物进入分馏塔系统形成积聚,保证装置的安全运行。2. 2. 1. 2 改造预冷系统由于空气冷却塔空气的2003年4月黄晓江:空分装置技术改造探讨21 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.出口温度约为25 ,不能满足分子筛吸附的最佳条件,因此必须增加冷冻机组来降低空气冷却塔空气的出口温度,为满足流程改造后的需要,可配置水冷塔、冷水机组和水泵等设备。2. 2. 1. 3 增设增压透平膨胀机旧空分装置膨胀机的效率多数低于80 % ,且不能回收膨胀机所做功,采用分子筛吸附流程后,膨胀机效率可提高到86 % ,增压比可达到1. 41. 6 以上,从而减少了进上塔的空气量,改善了精馏条件,提高了产品的性能指标。2. 2. 1. 4 改造主冷凝蒸发器在使用了增压膨胀机后,膨胀量减少,导致主冷凝蒸发器负荷增加,根据具体情况可将原有列管式主冷凝蒸发器改为板翅式主冷凝蒸发器,也可以增加辅助冷凝器。2. 2. 1. 5 改造精馏塔由于采用分子筛吸附净化流程,吸附器再生要求上塔压力增高,加上吸附器本身阻力,整个空气压力都要增高,为使塔内阻力降低,可根据不同装置的具体情况采用新型塔板或新型规整填料上塔,或只对所需的塔段进行改造,在适当的部位采用规整填料,经过改造,主要优点如下:(1) 阻力降下降,能耗降低上塔采用规整填料后,上塔阻力一般只有相应筛板塔的1/ 41/ 6。阻力降低约0. 02 MPa ,空压机排压可降低0. 05 MPa0. 06 MPa ,轴功率可降低5 %7 % ,能耗降低。(2) 分离效率的提高上塔采用规整填料后,不仅上塔的操作压力下降了15 %20 % ,下塔压力也有所下降,这样非常有利于组分的分离。相同条件下,可使氧的提取率提高1 %3 % ,氩的提取率提高5 %10 %。(3) 操作弹性大筛板塔的负荷受到塔板漏液及液泛的限制,而规整填料塔只在填料表面形成一层膜,持液量少,因此操作弹性比筛板塔大,当工况发生变化时操作迅速,反应快。(4) 塔径小对于新建空分设备,使用规整填料塔比筛板塔塔径小,截面积只有筛板塔的60 %左右,这样既可以减少占地面积,又有利于运输。(5) 使得全精馏制氩成为可能传统工艺制氩是先通过低温精馏获取粗氩,再加氢除去粗氩中的氧,最后用低温精馏除去残余的氢和氮,这样才能获得产品氩。这种工艺消耗了大量的氢气,费用高、工艺复杂、不易控制、产品含量低、潜在的危险性大。使用了规整填料后,使得阻力下降,理论板数大大减少,因此不需要引入氢气介质,只需要增加粗氩塔的填料高度就可以实现氧氩的分离,不但工艺简化了很多,而且提高了产品氩含量,节省了费用,使得操作更加简便。这种改造投资回收期短,产品性能指标、运行周期都有很大的提高,利用新的技术有针对性地对旧设备的有关部分进行改造,是一种投入相对少、产出快的方案,具有很大的应用潜力。2. 2. 2 提高空气压缩机吸入压力,增加压缩机排气量由于旧空分装置运行时间长,设备陈旧,常由于空气过滤器堵塞、空分设备管路阻塞、中间冷却器阻塞、压缩机内漏、压缩机级间窜气等原因引起压缩机排量不足。除了及时清除这些污垢、维修压缩机内部故障以外还可采用以下方法来提高空气压缩机吸入压力,增加压缩机排气量。(1) 更换转子、叶轮,把空压机隔板作相应修改,来提高压缩机排气量;(2) 更换空压机增速机齿轮,提高转速;(3) 空压机入口串联鼓风机,提高其吸入压力。2. 2. 3 增加氮水预冷塔,减少冷冻机的制冷量在用户所用氧气、氮气的比例为11 的情况下,流程中可考虑增加氮水预冷塔。温度较高的冷却水从顶部自上而下与温度较低的污氮或纯氮逆流接触,利用污氮或纯氮的未饱和度和与冷却水的温差,既传质又传热。水蒸发吸收汽化潜热,在短暂的流通过程中,水分的蒸发难以从外界获得热量,只能吸收水的内能进行汽化,使得水温降低,一般可降至12 13 。供空冷塔上段使用,使空冷塔出塔空气温度为14 ,完全可满足空分工艺要求。在这种情况下,就使得冷水机组停运或取消成为可能。不仅节省投资、降低能耗,而且减少了一种转动机械的日常维护和管理工作。因此这种流程有效地利用了富余氮气和污氮,使设备能耗进一步下降,工艺也进一步简化。2. 2. 4 采用液氧内压缩流程降低装置成本,提高装置安全性空分流程按照把从空分塔出来的低压氧氮加压到用户所需压力而采用的不同方式分类为外压缩流程和内压缩流程。2. 2. 4. 1 内压缩流程与外压缩流程相比有以下几个优点:22 煤化工2003年第2期 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.(1) 占地面积小内压缩流程为了使加压后的液氧冷量能够转换为同一质量等级的冷量,使装置实现冷量平衡,通常由一股压缩空气或压缩氮气与其换热。在液氧汽化的同时,这股压缩空气或压缩氮气被冷却和液化,送入塔内参与精馏。但不论采用压缩空气还是压缩氮气换热,空气或氮气增压机都可以和主空压机或提供高压氮气产品的氮气压缩机合为一体,这比使用氧气压缩机的外压缩流程节省占地面积。(2) 压缩机效率高内压缩流程使用的空气增压机和氮气增压机效率比外压缩流程使用的氧气压缩机效率高。(3) 一次性投资小(4) 维修费用低(5) 由压力氧引起的危险性小氧压机需要配备很多的安全措施。而内压缩流程是在极度低温下进行的,温度又是引燃氧气的一个重要原因。因此,内压缩流程中,由压力氧引起的危险性比外压缩流程小得多。(6) 由烃类积聚引起的危险性小烃的累积是许多空分装置燃烧爆炸的起因,内压缩流程中,在较高的液氧压力下,随着液氧沸腾温度的升高,烃的挥发度及溶解度也随之提高,因此烃累积的可能性是降低的。而且加热超临界氧可以避免所有烃的浓缩,所以内压缩流程由烃类积聚引起的危险性也比外压缩流程小得多。(7) 液体产品的产量高内压缩流程和外压缩流程的性能比较见表2。通过以上比较,内压缩流程的优点是显而易见的,它的使用成为国内外低温法大型空分装置的主要发展趋势。2. 2. 4. 2 内压缩流程的适用范围内压缩流程适用于以下情况: (1) 需要同时生产大量液体产品;(2) 产品气需有不同压力等级; (3) 产品氧压力超过氧的临界压力5. 13 MPa 。表2 内压缩流程和外压缩流程的性能比较内压缩流程外压缩流程占地面积小大压缩机效率高低一次性投资小大维修费用少多由压力氧引起的危险性小大由烃类积聚引起的危险性小大液体产品的产量多少在氧临界压力以下的情况下,还需要考虑到经济因素。由于内压缩流程的能耗大于外压缩流程,因此内压缩比较适用于电费较便宜的地区。3 结论对现有的旧装置,应有针对性地用最新技术和工艺对空分装置的主机、单元设备甚至整套设备进行改造,挖掘设备潜力;对新建的空分装置,应摒弃老的生产技术和流程,采用新工艺、新流程。这样,可达到增产节能的目的,给企业创造更好的经济效益。参考文献:1 金丽群. 气体总网第十二次全网大会技术交流会论文集C ,2001.2 陈明敏. 在役空分设备的挖潜改造J . 深冷技术,2000 ,(4) :2832.3 严寿鹏. 气体总网第十二次全网大会技术交流会论文集C . 2001.4 江楚标,陈明敏. 大型空分设备新技术讨论会论文集C . 1999.5 毛绍融. 99 空分技术交流会论文集C . 1999.The Discuss