大型煤化工空分装置工艺流程的选择

崔立国

(内蒙古大唐国际克什克腾煤制天然气有限责任公司， 内蒙古 赤峰 025350)

大型煤化工空分装置工艺流程的选择

崔立国

(内蒙古大唐国际克什克腾煤制天然气有限责任公司， 内蒙古 赤峰 025350)

空分装置也就是空气分离装置，它的重要作用就是对大气中的氧、氮、氩气体进行分离，空气分离装置在我国的各个行业领域都得到了广泛的采用，渐渐的被大众所熟知。文章主要对空气分离装置的技术内容和为大型煤化工挑选合理的空气分离设备技术做了简要的概述，希望引起相关读者的重视。

大型煤化工 空气分离设备 技术选择

1 空分装置的概述

空气分离装置的主要任务是给气化炉供给所需要的高纯度氧气，为煤气化系统提供保护氮气，以及相应的仪表空气和工厂空气。空气分离装置在冷量过剩的情况下，也可以产生一些液体产品储存到备用储罐中，以确保在制氧过程中，在突然停车情况下系统仍可以进行工作。

2 空分装置运转过程及其特性

原料空气自吸入口吸入，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压缩机，然后进入空气冷却塔冷却。冷却后的空气经分子筛纯化器除去水分、二氧化碳及其他碳氢化合物。净化后的空气分为两路，一路直接经低压板式换热器进入下塔；另一路经增压换热后去膨胀机进行制冷，并不断将膨胀机的冷量带入下塔进行积累直至产生液体，在此过程中可产生零下193℃的低温。进入下塔的液空通过上下塔不同的压力差而进入上塔，利用沸点的不同进行精馏，上塔产生的氮气经低压板式换热器送往用户，而主冷产生的液氧经液氧泵加压并通过高压板式换热器换热后送往用户。

3 分离过程的多样性

在大型煤化工工程中对氧气的使用量很大而且压力较高，所以进行空气分离大多数都采用物理分离的方法。但由于挑选的煤气化技术存在着差异，其氧气、氮气需求量和压力大小也存在着较大的不同，致使空气分离的分离方法具有多样性，要按照工程的气化技术方式具有的特定差异，有针对性的详细设计，才能加以决定是采取哪种工艺方式。

(1)薄膜滤过工艺 空气压缩机把采集到的空气压缩，然后将压缩后的气体通过清理体系将气体中的杂质去除，最后把气体输送到膜分离机器中对空气进行压缩，使氧气被膜的压强差分离出来并聚集在一起，将其收集起来输送到指定容器中，其实质就是利用通过有机膜时不同组分的速度不同而达到分离的目的。通过这种工艺分离出来的氧气纯度只有45%，一般只适合在炼铁或锅炉中燃烧。

(2)变压吸附工艺 运用空气压缩机对空气加以压缩，将压缩后的气体通过清理体系将纯净的气体提取出来，在将其运输至吸附塔内，吸附塔里含有各种各样的附着剂，可以对相应的物质进行附着作用，使氧气或者氮气被分离出来，最后对气体进行过滤，将纯净的氧气或者氮气输送至特定的容器中，投入到市场供消费者使用。这样类型的吸附塔一面在进行吸附分离的工作，另一面可以对其进行降压解除吸附物的处理，将附着剂内的气体分离出来并进行储存。这种吸附塔不但可以达到两种系统同时不停的运转，以免因突发状况导致气体供应中断，还可以通过对附着剂的剂量加以掌控，以此来获得不同品质、不同浓度的氧气或者氮气，供消费者挑选。这种利用双吸附塔交替工作的装置虽然虽然实现了供气的连续性，但终因其产生氧气的纯度只能达到90%而不被大型煤化工所采用。

(3)摩尔托克斯工艺 把压缩后的气体中的水和CO2排除出去是摩尔托克斯工艺重要的作用。通过吸附塔的附着原理，将压缩后的气体与吸附塔中熔融的钠与钾硝酸盐进行吸附作用，再通过降压解除吸附物技术将氧气释放出来，对其进行收集到指定容器中并投入市场供消费者使用。由于其工艺技术在实践运用上存在产量、效益、环保等诸多缺陷，所以，在大型煤化工行业中很少应用在生产气体过程中。

(4)低温精馏工艺 最经典的低温精馏工艺主要是对空气进行压缩，经过空冷塔、水冷塔洗涤降温，再经分子筛的吸附作用，将杂质去除，然后利用板翅式换热器对气体加以换热，并对换热后的气体进行制冷后输送到精馏塔，利用不同组分的沸点不同，对液体进行精馏，进而获得高纯度的氮、氧等不同的气体。

还可以按照氧、氮气体在进行压缩时其低温精馏工艺所存在的差异将其划分为外压缩和内压缩。外压缩技术是空分装置在制作低压力氧气后，应用氧压机对气体施加特定的压力，从而获得特定氧气种类的技术。随着分子筛和大功率液氧泵的广泛应用，氧气外压缩的技术正逐渐退出历史舞台。

4 大型煤化工空气分离装置的工艺流程选择

(1)空气低温液化精馏工艺选择的必要性 因大型煤化工行业的特殊性和市场上对其产品要求的提高，需要相关技术人员对空气分离装置进行挑选的时候，要保证其具有安全、稳定、高效的优良品质，以避免由于空气分离装置自身故障导致气体供应不上、威胁员工安全等危险发生。一般来说，根据空气分离装置的发展前景来看，在这些的工艺技术里，发展的最完善最安全的工艺就是低温精馏工艺。

空气低温液化精馏工艺虽然工艺流程复杂，操作难度大，启动时间长，投资成本高，且低温深冷需要特殊设备，但因其工艺的可靠性，产气的连续性，尤其是他能连续大量生产纯度高达99.9%以上的高纯度氧气、氮气，而被广泛应用在大型煤化工的工艺中。随着空气分离装置的不断发展，其低温精馏工艺技术也随之越来越完善。除此之外，大型煤化工行业对氧气的需求量越来越大，纵观空气分离装置的发展，只有低温精馏工艺技术能够连续产出较高产量、较高纯度的氧气来满足大型煤化工的需求。

(2)大型空分装置的热交换方式的选择 随着现代煤化工的发展，对大型空分的产气量要求也越来越高，由原来的每小时几千立到每小时几万立、甚至上百万立。同时随着国家产业布局的调整，大型煤化工逐渐向中西部发展，而一般这样的地区，水资源大都比较紧张。所以目前较大的空分装置都采用空冷方式代替水冷方式对蒸汽透平排出的气体进行换热。

一般来讲，大型煤化工工艺本身都设计有自备电厂，这样自身用电成本较低。而用于给大型蒸汽透平排汽换热的空冷岛装置，除了首次投资较大外，其后面运行的费用只有几个低转速电机所产生的电耗。这样电机带动风机，以风冷代替水冷，既节省了大量用水所产生的经济费用，又解决了干旱地区因缺水造成的资源短缺问题。

(3)大型空分装置低温工作的安全性 煤化工工程的规模十分庞大，以至于使空气分离装置要进行多套装置并联来达到供气需求的标准，无论哪一套空气分离装置的停止运转都会造成下游装置停止运转，所以要对其机器低温工作的安全性引起相关的重视。

当然，空分装置的安全运行不仅仅指装置的连续稳定运行，还有运行过程中人员的安全和设备的安全。由于空分属于深冷，其运行时产生的液体温度一般都达到零下163～193℃，所以操作时存在冻伤危险。又由于存在这样的低温环境，一旦设备需要检维修，就需要提前将设备进行升温复热，而这一过程需要严格按照操作规程缓慢操作，以减小设备因骤冷骤热受到损伤。

(4)空气分离装置的优化 经过近些年的实践经验来看，随着我国工业领域的不断发展，对空分装置规模的需求也越来越大，在每年对空气分离装置进行维修时还需购买较多的液氮用以对煤制气系统整体设备的保护，这样与其每年对空气分离装置进行维修时花大价钱购买液氮，不如再增加一个后备液氮储存系统来的实惠。因此，研究人员对液氮储存系统进行了研究，对其加以优化及创新。现在的大型空气分离装置一般都具有后备液氮储存系统，它的重要作用是当空气分离装置因突发原因而停止工作，或空气分离装置处在短期维修的时候，后备液氮储存系统在这时就会被启用，给煤气化、煤液化等生产装置提供各类所需规格的氮气或保护用氮气。

5 结束语

煤化工对空气分离装置的挑选措施还有很多，不仅仅局限于这些，科学的进步是永不停歇的，科学家对科学的探索也是不可估量的。要想使煤化工空分装置工艺流程不断被创新，持续发展，我们就要在对空气分离装置优化的探索中有规律的思考总结，大胆的汲取国内外的前沿技术和实践经验，在前辈的研究发明上不断探索，进行创新，解决一个个历史遗留下来的种种难题，为我国大型煤化工这一行业的不断发展做出贡献。

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