煤制甲醇工艺流程及离心压缩机应用.pdf

煤制甲醇工艺流程及离心压缩机应用 沈阳鼓风机集团股份有限公司 辽宁 1 10 8 6 9 葛丽玲 摘要 简述了以煤为原料生产甲醇的工艺流 程以及在此工艺流程中所用到的主要离心压缩机组 甲 醇合成气压缩机组 制冷压缩机组和空分装置压缩机 组 的结构特点 技术创新及重要辅助设备的选型等 关键词 煤制甲醇 空分 离心压缩机合成 气丙烯氨气 一 前言 甲醇既是一种重要的有机化工原料 也是一种重 要的有机溶剂 由甲醇生产的化工产品达数百种 广泛 用于塑料 合成纤维 合成橡胶 染料 涂料 香料 医药和农药等行业 在发达国家其产量仅次于乙烯 丙 烯和苯 居第四位 如今 基于国际形势以及石油资源 的紧缺 由煤炭为原料生产甲醇 得到了大力的发展 二 煤制甲醇工艺流程 甲醇是最简单的饱和醇 其工艺流程大致如下 1 气化 将原料煤加水连同空分送来的高压 氧 在气化炉中发生反应生成C O H C O H 0 和少 量C H H S 等气体 本工艺流程一般配置空分装置 在煤气化过程中 有时要用高压C O 载体输送煤粉进气 化炉 在气化炉中煤浆与氧发生如下主要化学反应 C H S n d 2 0 2 m C O n 2 一r H 2 H 2 S C O H 2 0 一H 2 C 0 2 气化反应在气化炉反应段瞬间完成 生成C O H C O H O 和少量c H 4 H s 等气体 离开气化炉反 应段的热气体和熔渣进入激冷室水浴 被水淬冷后温度 降低并被水蒸气饱和后出气化炉 气体经文丘里洗涤 器 碳洗塔洗涤除尘冷却后送至变换工段 6 2 然黑熙 年靴期 2 变换 由于气化工段H 含量不足 所以在本 工段将气体中的C O 部分变换成H 主要化学反应为 C O H 2 0 一H 2 C 0 2 3 低温甲醇洗本工段采用低温甲醇洗工艺脱 除变换气中c 0 全部硫化物 其他杂质和H 0 主要 包括吸收系统 溶液再生系统和压缩制冷系统 4 甲醇合成及精馏经甲醇洗脱硫脱碳净化 后的合成气 经过甲醇合成气压缩机压缩后进入反应 器进行甲醇合成 C O 币N H 在C u Z n 催化剂作用下 合 成粗甲醇 粗甲醇从甲醇分离器底部排出 经甲醇膨 胀槽减压释放出溶解气后送往甲醇精馏工段制得精甲 醇 5 空分装置煤气化需要空分装置的氧气 空分装置主要包括分子筛净化空气 空气增压 氧气 和氮气内 外压缩流程等 原料空气白吸入口吸入 经 自洁式空气过滤器除去灰尘及其他机械杂质 过滤后 的空气进入离心式空压机经压缩机压缩到约0 5 7 M P a A 然后进入空气冷却塔冷却 经空冷塔冷却后 的空气进入切换使用的分子筛纯化器 空气中的二氧 化碳 碳氢化合物和水分被吸附 净化后的空气抽出 一小部分 作为仪表空气和工厂空气 其余空气借助 空气增压机及膨胀机等设备 在换热器和精馏塔内冷 却液化馏分 制得液氧 液氮 然后根据具体工艺需 要送至各种场合 以上所述为煤制甲醇的工艺流程的简介 其中 用到的主要压缩机情况如下 空分装置中用了空压 机 增压机 氧压机及氮压机 低温甲醇洗工艺中需 要丙烯或氨制冷压缩机 甲醇合成工段的合成气压缩 机 气化工段需要二氧化碳压缩机 耱腑祝m历 通 洲工 纪 弛如 石 M MG 叫 三 甲醇装置压缩机应用 1 空分装置压缩机 1 空压机组空分装置用空压机根据制氧量的 不同 可以分为以下几种情况 制氧量在1 5 万m 3 h 以 下 主要采用D H V K 或S V K 系列压缩机 这三种类型 的压缩机结构类型相似 都是齿轮增速整体组装式等温 压缩机 压缩机带有两个或三个级间冷却器 首级为半 开式高效三元混流叶轮 其他各级为半开式高效三元径 向叶轮 多轴结构使得叶轮的转速都不相同 这样各级 叶轮都能达到很高的效率 一段入口安装有导叶调节装 置 通过调节导叶叶片的不同开度 调节压缩机性能 制氧量在1 5 万 6 万m 3 h 空压机主要采用M C O 和 D M C L 2 M C L 两个系列 M C O 系列压缩机 见图1 是 一种单缸单轴多级结构 一般分为3 段或者4 段压缩 带 有级间冷却器 一段为轴向进气并带有入1 3 导叶装置调 节流量 M C O 系列压缩机首级叶轮均采用的是半开式 高效三元混流叶轮 其他各级为闭式高效三元径向叶 轮 各级效率较高 D M C L 2 M C L 系列 见图2 为 双吸结构多级离心式压缩机 采用双缸三段压缩 低压 缸采用双吸结构 可以减小叶轮尺寸 并带有入1 3 导叶 用于流量的调节 图1M C O 系列压缩机剖面效果 图2D M C L 系列压缩机剖面效果 制氧量6 万 1 0 万m 3 h 空压机一般采用轴流压缩 机加离心压缩机的方式 此外 空分压缩机组一般设置有喷水系统 间歇 性喷水 用于定期清洗叶轮流道内的灰尘 在叶轮直径 较大时 为减少盘车力矩 机组常设置有顶轴油系统 2 空气增压机组增压机组出口压力最高可达 7 5 8 0 M P a 沈阳鼓风机集团股份有限公司研制的空 气增压机组分为单轴系列以及多轴系列 单轴系列为3 段压缩 见图3 壳体采用垂直剖分式锻钢机壳 密 封性好 强度高 内机壳采用铸钢机壳 便于加工和装 配 工艺性能比较好 轴端密封采用碳环密封 平衡盘 密封采用蜂窝密封 减小泄漏量 避免气体激振 组装式增压机 见图4 一般为6 段6 级压缩 采 图33 B C L 系列压缩机剖面 用逐级冷却的方式 6 个叶轮分布在3 个不同的齿轮轴 上 3 个齿轮轴设计为不同的转速 确保较高的压缩效 率与可靠的性能 首级叶轮采用高效的半开式三元混流叶轮 其他 图4S V K 3 2 6 H 组装式压缩机三维效果 级叶轮采用闭式三元流叶轮 可以实现较高的效率 在 转子设计上 对叶轮进行强度分析 固有频率分析 有 效避开了转速引起的激振频率 进1 3 导叶和扩压器叶片 引起的激振频率 压缩机轴端密封采用可磨密封 确保压缩机长期 2 0 1 3 年9 1 2 剪l熊 t y 用j x 熙6 3 w r o lllV U M 们 d M税川艨通 E 圳纪讥越胛万 低泄漏高效运行 在第一级及第四级前设置可调进口导 叶调节性能 确保较宽的稳定运转范围 变工况条件下 易于保证压缩机的气动性能 3 氧气压缩机组氧压机需要比其他气体压缩 机具有更高的可靠性 氧压机转子的零件强度和振动控 制应予以重视 在高纯度氧气的环境中 一些物质会急 剧燃烧 此时其燃点比在大气中低 在高压时尤其如 此 这就需要在设计时对其气动性能计算 转 定子 材料和结构设计上予以充分考虑 氧气压缩机一般为入口压力0 1 M P a 出I Z l压力 3 M P a 左右 采用双缸结构 在低压缸入 Z l安装有导叶 机构 用来调节压缩机性能 减少起动阻力矩及控制流 量 采用先进可靠的轴封装置 用来防止氧气外漏以 及空气和润滑油通过间隙漏入机壳内 由于氧气的强氧化作用 尤其在高纯度 高压力 和高流速的压缩机中 这种强氧化作用会给压缩机带来 安全隐患 因此 在氧压机的内壁流道 以及与氧气接 触的一些碳钢零件表面还需要进行镀铜防锈处理 以 防止机壳生锈产生的粉末与高温高压氧气接触而引起燃 烧 进一步增加了氧压机的安全性和可靠性 4 氮气压缩机组根据工艺的不同 氮气压缩 机的结构也不尽相同 但总的来说与空气增压机类似 虽然氮气介质无风险 但在压力高时 泄漏量会很大 所以为减少轴端密封的泄漏量 轴端经常会采用安全可 靠的碳环密封 2 甲醇合成气压缩机组 合成气压缩机的机型选择主要取决于工艺流程的 设置以及装置的规模大小 例如规模为1 8 0 万t a 甲醇 装置 合成段流量大约5 2 00 0 0 m 3 h 压力从5 2 M P a 压缩到8 7 M P a 循环段流量约为8 4 00 0 0 m 3 h 压力 从7 4 M P a 压缩到8 7 M P a 其合成气压缩机的机型为 2 B C L 6 0 6 此时合成段采用5 级叶轮压缩 循环段采用 1 级叶轮压缩 另外由于大的工艺流程设计方不同 压 缩机的入口压力有时为2 5 M P a 不等 这时压缩机的机 型就会发生改变 同样的装置规模压缩机不一定完全一 样 1 8 0 万t a l尹醇装置也曾经用过2 B C L 8 0 8 压缩机 合 成段气体与循环段气体根据流程需要可以在压缩机缸 外混合后送入工艺流程 也可以是在压缩机缸体内混 合 一起压缩到出I Z l状态再送入工艺流程 总之两种工 6 4 然鬈册 呲年靴期 艺需要压缩机都可以实现 合成气压缩机的特点是流量大 相对分子质量 小 压比高 其技术难点也主要体现在这几个方面 甲醇合成气介质的相对分子质量比较小 通常在1 0 5 1 1 5 而且 合成气压缩机压力一般都比较大 这样导 致叶轮入I Z l容积流量逐渐较小 流量系数越来越小 叶 轮出口宽度越来越窄 压缩机各通流部分的损失会增加 很多 叶轮的多变效率就会很低 因此 只有采用高效 的轻介质专用模型级 才可以大大提高压缩机的效率 达到国际同行业的先进水平 而且 新模型级能量头的 提高使得在相同压比的条件下可以减少叶轮数量 提高 转子的稳定性 降低加工制造成本 另外 密封结构也很重要 轴端密封采用拉别令 密封 干气密封的结构 以防止气体外漏 有时根据结 构需要平衡盘密封需采用蜂窝密封 以减少气体的泄漏 量 也从根本上解决了高压差产生的气体激振对转子稳 定性的影响 3 制冷压缩机组 在甲醇洗单元 甲醇的低温环境由制冷装置来 完成 通常制冷剂为N H 或丙烯 蒸发温度一般约 一4 0 C 从制冷点蒸发后的约一4 0 C 气体进入分离器 将气体中的液粒分离出来后进入离心式制冷压缩机压缩 至冷凝温度对应的冷凝压力 然后进入冷凝器 制冷剂 气体通过对冷却水放热冷凝成液体后 通过分配器送往 各制冷设备 通过一套完整的制冷系统 给甲醇创造低 温环境 根据装置规模的不同 冷量也会有所不同 丙 烯压缩机进出口压力为O 1 4 1 8 M P a A 氨压缩机 进出I S l压力为0 0 7 1 8 M P a A 中间可能根据工艺 的需要还有别的蒸发温度 一般会有中f 3 n 气情况 对 于丙烯压缩机一般为单缸6 7 级 氨压缩机一般为双缸 1 2 1 4 级 机壳采用水平剖分式焊接结构 当冷量加大 时 压缩机的机型也会增大 目前对于低温制冷压缩 机沈阳鼓风机集团有限公司已研制过最大叶轮直径达 到l5 0 0 m m 左右的机型 另外为保证安全 防止气体泄 漏 压缩机轴端采用性能可靠的串联式带中间迷宫密封 的干气密封 对于制冷压缩机进1 3 温度都比较低 一般为 一4 0 C 左右 转子材料选用低温材料2 5 C r 2 N i3 M o 钢 该钢经热处理后具有高强度性能的同时 又具有很高的 下转第6 7 页 糖而扰椭厨耐遁 洲工一m纪i鼬砌石伽熟 数值模拟 分析研究了水泵内部流场的分布特点 着重 研究了叶轮表面 轴向截面和径向截面的速度场及压力 场的分布特点 为进一步优化该水泵的性能提供了理论 依据和参考 研究发现 叶轮进口区域是流道内压力最低的位 置 相对容易发生汽蚀作用 叶轮出口区域的压力为最 大区域 沿径向靠近轮轴方向逐渐降低 叶轮进口容易 形成负压区 可能存在脱流 二次流 从而在流道内形 成明显漩涡 不利于水泵效率的提高 参考文献 1 冯汉民 水泵学 M 北京 水利电力出版社 1 9 9 1 2 吴玉林 曹树良 戴江 等 离心泵叶轮中紊流的计 算 J 水泵技术 1 9 9 7 1 9 1 5 3 J G W is s in k D N So fs e p a r a t in glo wR e y n o ld sn u m b e r f lo winat u r b in ec a s c a d ew it hin c o m in gw a k e s J I n t e r n a t io n a lJ o u r n a lo fH e a ta n dF lu idF lo w 2 0 0 3 2 4 4 6 2 6 6 3 5 4 唐辉 何枫 离心泵内流场的数值模拟 J 水泵技 术 2 0 0 2 3 3 8 5 李海峰 吴玉林 赵志妹 利用三维紊流数值模拟进行 离心叶轮设计比较 J 流体机械 2 0 0 1 2 9 9 1 8 2 1 6 L S h e n D K RY u e L a r g e e d d y s im u la t io no ff r e e s u r f a c et m b u le n t J J o u r n a lo fF lu idM e c h a n ic s 2 0 01 4 4 0 7 5 1 1 6 7 王维斌 对旋式通风机全流场内压力脉动及气动噪声 特性的数值研究 D I 青岛 山东科技大学 2 0 0 9 8 杨军虎 赵万勇 李金平 极低比转速叶轮内流体的流 动分析和叶轮的设计 J 流体机械 2 0 0 1 2 9 7 2 0 2 2 G 收稿日期 2 0 1 3 0 9 0 4 上接第6 4 页 塑性及低温韧性 可以很好地满足叶轮在低温条件下的 强度要求 为了保证机壳在低温条件下的刚度和强度 丙烯压缩机机壳采用低温用钢0 9 M n N iD R 这是一种低 合金结构钢 能很好地适应丙烯压缩机的低温使用特 性 4 二氧化碳压缩机组 用于气化时煤粉输送用的二氧化碳压缩机组一般 入口压力为常压 出口压力6 8 M P a 压缩机一般分为 两个缸 低压缸采用水平剖分结构 高压缸采用垂直 剖分结构 机型为2 M C L 2 B C L C O 介质相对分子质 量很大 对于压缩机叶轮来说单级压缩比很大 容积流 量变化很快 每级叶轮的形式变化较大 前面级的叶轮 流量系数大 效率高 后面级叶轮流量系数小 效率偏 低 所以为了使整机有较高的效率 通常在压缩机的高 低压缸之间设置变速级 提高高压缸的转速 使高压缸 选型时叶轮尺寸尽量减小 效率尽量提高 另外在二氧 化碳压缩机设计时要充分考虑介