Shell煤气化制合成氨工厂空分流程的比选

周建振，毛唐秀，冯天照，余 化，师慧灵，肖敦峰，李繁荣

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

设 计 技 术

Shell煤气化制合成氨工厂空分流程的比选

周建振，毛唐秀，冯天照，余 化，师慧灵，肖敦峰，李繁荣

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

对Shell煤气化煤制合成氨工厂配置的空分装置分别采用空气增压制冷流程和氮气增压制冷流程进行了模拟计算，通过对比不同空分流程配置的能耗、运行可靠性、氧提取率，根据项目具体情况作了不同的方案推荐。

空分；空气增压制冷； 氮气增压制冷； 合成氨； Shell煤气化

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.01.006

基于我国“缺油、少气、富煤”的能源结构，通过发展煤化工来实现煤炭的清洁利用对于解决当前的环境污染具有重要的战略意义，同时随着煤化工、钢铁冶炼的快速增长，气体工业获得了迅速发展。由于目前煤化工装置需求的氧气、氮气压力都比较高，根据气化技术的不同，氧气、氮气压力约在3.0～8.7MPa(g)之间。从运行的安全性及可靠性方面来考虑，氧气主要通过低温液体泵加压至所需要的压力，即液氧内压缩流程。氮气产品往往流量大、压力高、等级多，从空分装置的能耗方面来考虑，可以采用低温液体泵加压至所需要的压力，即液氮内压缩，也可以采用压缩机加压至所需要的压力，即氮气外压缩[1，2]。

煤制合成氨作为我国重要的煤化工产业，也是我国发展较为成熟的煤化工产业。空分装置主要是为整个合成氨工厂提供其所需要的氧气、氮气、仪表空气、工厂空气、液氧、液氮等。根据需求气体压力等级的不同，选择合理的空分流程，对于空分装置的安全、稳定、低能耗的运行有着至关重要的意义[3]。

本文选用典型的Shell煤气化制合成氨工厂所需要的气体产品为基准，且煤气化采用氮气输送煤粉，对不同流程的空分从运行能耗、可靠性、氧气提取率等方面进行了综合比较，供同行参考。

1 空分装置的产品性能指标

Shell煤气化年产30万t合成氨工厂空分装置产品性能指标见表1。

表1 Shell煤气化年产30万t合成氨空分装置的产品性能指标

注：所有流量是指0℃和0.101 3MPa(a)状态下的体积流量，简称标态流量。

2 空分装置的流程形式

根据表1中的产品性能指标要求可知，空分装置输出的氮气产品与氧气产品流量之比较高。从空分装置能耗指标的先进性和可靠性考虑，选择了4种方案进行比选。方案1：氮气增压制冷、液氧内压缩、低压氮气上塔抽；方案2：氮气增压制冷、液氧内压缩、低压氮气下塔抽；方案3：空气增压制冷、液氧液氮内压缩、低压氮气上塔抽；方案4：空气增压制冷、液氧液氮内压缩、低压氮气下塔抽。方案1、2、3、4分析对比如下。

2.1 方案1

方案1为氮气增压制冷、液氧内压缩、低压氮气上塔抽。方案1的工艺流程见图1，包括空气压缩系统、预冷系统、分子筛净化系统和空气分离系统。原料空气由吸入口吸入，经空压机压缩，进入空冷塔冷却降温，预冷后的空气进分子筛净化系统去除CO2和水等杂质，净化后的空气分成两股：一股经仪表空气压缩机压缩以后作为IA/PA送出界外；另一股进冷箱在板翅式换热器中冷却降温后进下塔进行初步的氧氮分离。下塔顶部得到的压力氮气，经板翅式换热器复热出冷箱进入氮气增压机，氮气增压机一段抽取3.8MPa(g)等级中压氮气分2股：一股作为3.8MPa(g)等级的中压氮气产品气送出界外；另一股进氮气增压膨胀机膨胀制冷，以提供空分装置所需冷量，膨胀后的气液两相流进气液分离器分离，气相复热后回到氮气增压机入口进行循环。氮气增压机二段抽取5.2MPa(g)等级的中压氮气作为5.2MPa(g)等级的产品氮气送出界外。增压机末级排气压力为8.2MPa(g)，末级排气分两股，一股作为8.2MPa(g)氮气产品气送出界外，另外一股进冷箱与高压液氧及返流气体换热后进下塔参与精馏。从上塔底部抽取液氧，经液氧泵加压至4.7MPa(g)后，再经板翅式换热器复热出冷箱进入氧气产品气管网。从上塔顶部抽取的常压氮气，经板翅式换热器复热后，进低压氮压机加压至0.4MPa(g)后送入全厂低压氮气管网。

图1 氮气增压制冷、液氧内压缩、低压氮气上塔抽流程AF-空气过滤器；TC1-空压机；AT-空冷塔；WT-水冷塔；WP1-冷冻水泵；WP2-冷却水泵；MS1/2-分子筛吸附器；SH-再生蒸汽加热器；TC2-增压机；BT-ET -增压透平膨胀机；WE-膨胀机后冷器；TC3-低压氮压机；C1-下塔；C2-上塔；C3-增效塔；E1-板翅式换热器；E3-过冷器；K-冷凝蒸发器；TC4-仪表空气压缩机；OP-液氧泵

2.2 方案2

方案2为氮气增压制冷、液氧内压缩、低压氮气下塔抽，工艺流程见图2。方案2与方案1工艺流程基本相同：空气一段压缩，分子筛前端净化，氮气循环增压制冷，膨胀氮气进下塔，两段精馏制取高纯度氧气和氮气，全厂所需要的中、高压氮气均由氮气增压机抽取。唯一的不同点是0.4MPa(g)等级的低压氮气由下塔抽取，复热后送界外。

图2 氮气增压制冷、液氧内压缩、低压氮气下塔抽流程AF-空气过滤器；TC1-空压机；AT-空冷塔；WT-水冷塔；WP1-冷冻水泵；WP2-冷却水泵；MS1/2-分子筛吸附器；SH-再生蒸汽加热器；TC2-增压机；BT-ET-增压透平膨胀机；WE-膨胀机后冷器；TC3-仪表空气压缩机；C1-下塔；C2-上塔；C3-增效塔；E1-板翅式换热器；E3-过冷器；K-冷凝蒸发器；OP-液氧泵

2.3 方案3

方案3为空气增压制冷、液氧液氮内压缩、低压氮气上塔抽。方案3工艺流程见图3，包括空气压缩系统、预冷系统、分子筛净化系统和空气分离系统。原料空气由吸入口吸入，经空压机压缩后，进入空冷塔冷却降温，预冷后空气进分子筛净化系统去除CO2和水等杂质，净化后的空气分为两股：一股直接进冷箱在板翅式换热器中冷却降温后进入下塔参与精馏，另外一股进空气增压机继续增压，从增压机一段抽取一股1.2MPa(g)的压缩空气作为全厂仪表空气、工厂空气送出界外。其余继续增压至2.8 MPa(g)后分为两股：一股进膨胀机的增压端经过增压、冷却后进冷箱，经板式换热器进一步冷却降温，降温后的低温、高压空气进入膨胀机的膨胀端去膨胀制冷，来提供空分装置所需要的冷量。膨胀后的湿空气进入下塔参与精馏；另一股空气在增压机中继续增压至7.2MPa(g)，并经后冷器冷却至常温后进入高压板式换热器，与高压液氧、高压液氮及返流污氮气换热。这部分高压空气从换热器底部抽出，经节流后进入下塔。上塔底部抽取液氧，经液氧泵加压至4.7MPa(g)后复热出冷箱进入氧气产品气管网。从冷凝蒸发器抽取的液氮，经液氮泵加压至8.2MPa(g)后分为两股：一股直接经板翅式换热器复热后送出界外，另外一股减压至5.2MPa(g)，经板翅式换热器复热后送出界外。从上塔顶部抽取的常压氮气，经板翅式换热器复热至常温后，进入氮压机，氮压机一段抽取一股0.4MPa(g)的氮气送入0.4MPa(g)等级的低压氮气管网，其余继续增压至3.8MPa(g)后送出界外。

2.4 方案4

方案4为空气增压制冷、液氧液氮内压缩、低压氮气下塔抽，工艺流程见图4。方案4与方案3工艺流程基本相同：空气两段压缩，分子筛前端净化，空气增压膨胀制冷，膨胀空气进下塔，两段精馏制取高纯度氧气和氮气，液氧、液氮内压缩制取高压氮气和高压氧气。唯一的不同是0.4MPa(g)等级的低压氮气由下塔抽取，复热后直接送界外。

图3 空气增压制冷、液氧液氮内压缩、低压氮气上塔抽流程AF-空气过滤器；TC1-空压机；AT-空冷塔；WT-水冷塔；WP1-冷冻水泵；WP2-冷却水泵；MS1/2-分子筛吸附器；SH-再生蒸汽加热器；TC2-增压机；BT-ET-增压透平膨胀机；WE-膨胀机后冷器；TC3-氮压机；C1-下塔；C2-上塔；C3-增效塔；E1-板翅式换热器；E3-过冷器；K-冷凝蒸发器；OP-液氧泵；NP-液氮泵

图4 空气增压制冷、液氧液氮内压缩、低压氮气下塔抽流程AF-空气过滤器；TC1-空压机；AT-空冷塔；WT-水冷塔；WP1-冷冻水泵；WP2-冷却水泵；MS1/2-分子筛吸附器；SH-再生蒸汽加热器；TC2-增压机；BT-ET-增压透平膨胀机；WE-膨胀机后冷器；TC3-氮压机；C1-下塔；C2-上塔；C3-增效塔；E1-板翅式换热器；E3-过冷器；K-冷凝蒸发器；OP-液氧泵；NP-液氮泵

3 流程特点与比较分析

分析空分装置提供的全厂压缩气体的流程，发 现空气增压制冷流程与氮气增压制冷流程各有特 点，结合当前空分流程实际运行状况，本文主要从 技术可靠性、运行能耗进行比较。为了统一比较基 准，各主换热器的传热温差保持一致，压缩机轴功率计算选用的多变效率及机械效率相同。

3.1 运行能耗及技术参数比较

基于表1中空分装置的产品性能要求，分别采用上述4种流程进行了流程计算，4种方案的运行能耗及技术参数比较见表2。

表2 4种方案的运行能耗及技术参数比较

由表2可以得出如下结论：在相同的产品工况下，4种方案的运行能耗指标按方案1、方案2、方案3、方案4的先后次序依次升高，同时氮气增压制冷流程的能耗远小于空气增压制冷流程的能耗。

对于同一种增压制冷流程(空气增压制冷或者氮气增压制冷)，当从下塔抽取的氮气量越大时，为了保证下塔精馏工况的稳定，需要更多的加工空气量，导致氧的提取率降低。

3.2 流程比较

(1)对比氮气增压制冷流程与空气增压制冷流程，前者可以从增压机不同段间抽取多个压力等级的氮气，同时该流程的增压机既可作为产品氮压机又可作为循环增压氮压机，可以减少外压缩氮压机及内压缩液氮泵，可靠性高，同时节省占地面积。

(2)在氮气增压制冷流程中，几乎所有的加工空气都以气体的方式进入下塔，而空气增压流程中很大一部分空气以液体的方式进入下塔，因此空气增压制冷流程中下塔的直径比氮气增压制冷流程小。

(3)氮气增压制冷流程中，当后续用户需要较高温度的中、高压氮气产品时，可直接利用压缩机出口的高温氮气，降低后续用户的设备投资。

(4)氮气增压制冷流程操作灵活性高。氮气增压机中抽3.8MPa(g)等级的氮气，既是产品氮气又是增压膨胀机的膨胀氮气，在下游配氮装置减负荷时，可以增加膨胀量，提高装置的液体产品产量。

(5)空气增压流程中增压后的空气直接进板翅式换热器液化，节流后进下塔参与精馏，操作简单；而氮气增压流程的氮气需要从精馏塔得到，循环流路复杂，开车调试时间长。

4 结语

对于Shell煤气化煤制合成氨工厂，所需要的氮气量较大、压力高、等级多，空分装置输出的氮氧比较高，因此采用氮气增压制冷流程不仅运行能耗低，而且减少了整个空分装置运行的动设备数量，提高了装置运行的稳定性。

根据上述分析，当从下塔抽取低压氮气时，空压机入口空气量会相应增加，从表2可以得出，方案2相比于方案1增加了11.5%，方案4相比于方案3增加了9.5%。鉴于两种压缩机可以采用同一种机型，空压机投资相差不大，但是由于入口空气量的增加，相应的前端分子筛净化、空冷塔、精馏塔等设备也会比方案1大。对于方案1和方案2，需要结合能耗和装置投资来进一步进行比选。

[1] 卢杰，毛绍融.48 000m3/h空分设备的流程选择[J].深冷技术，2005(4) ：8 - 16.

[2] 郑英臣，楼一真.10 000m3/h空分设备工艺流程的比较与选择[J].深冷技术，2015 (5) ：18-24.

[3] 毛绍融，朱硕元，周智勇.现代空分设备技术与操作原理[M].杭州：杭州出版社，2005.

[4] 蒋旭，江楚标.氮气循环与空气循环流程的应用与选择[J].低温与特气，2014(32) ：41-46.

Comparison and Selection of ASU for Coal to Ammonia Plant with Shell Gasification Process

ZHOU Jian-zhen，MAO Tang-xiu，FENG Tian-zhao，YU Hua，SHI Hui-ling，XIAO Dun-Feng，LI Fan-rong

(WuhuanEngineeringCo.，Ltd.，WuhanHubei430223China)

The simulation and calculation of ASU for Coal to Ammonia plant with Shell Gasification process is carried out based on the air boost method and nitrogen boost method.By comparing energy consumption，operation reliability and oxygen extraction rate of different processes，the various proposals are given according to the specific circumstances of projects.

ASU；air boost；nitrogen boost；ammonia plant；Shell gasification

周建振(1986年—)，男，甘肃白银人，2013年毕业于大连理工大学化学工程专业，硕士，助理工程师，现主要从事化工工艺设计工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.01.006

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