煤化工空气分离及其工艺流程分析

郭震(内蒙古荣信化工有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 014300)

0 引言

近年来煤化工产业的发展速度较快，且呈现不断向好的趋势，与此同时煤化工产业的生产规模也在不断扩大，这个过程中对所使用的各种生产装置和设备提出了更高的要求。尤其是对空气分离装置的选择更加关注其工艺流程的合理性与安全性，确定合适的空气分离装置工艺流程是目前煤化工企业开展生产活动的关键问题之一。为确保空气分离装置的安全、高效运行，煤化工企业必须选择正确的工艺流程并把控好其安全运行要点。

1 煤化工空气分离的概念及其运行意义

空气分离是指通过运用一些物理技术按照空气中各种气体物理性质的不同将其分离出来，如氧气、氮气等常见气体以及氦气、氩气等稀有气体都可以被区分而出。在煤化工企业中空气分离装置是非常重要的设备，随着煤化工产业的扩展对于空气分离装置的要求也越来越高，重视氧气分离的纯净和总量。空气分离装置在煤化工产业中的运行可以大大提升煤炭的转化率，提高煤化工企业的生产效率和生产质量，为其生产目标的实现提供保障，也为煤化工企业创造更多的经济效益，推动煤化工企业的持续性发展。空气分离装置的运行强调安全性，只有其安全运行才能保持其运行的稳定性，进而保障生产目标的实现。确保空气分离装置运行安全的前提之一就是选择正确的工艺流程，把握工艺流程的合理选择。

2 煤化工空气分离工艺概述

2.1 变压吸附工艺

变压吸附工艺是指将空气作为原料并借助分子筛所进行的空气分离，由于分子筛能够根据空气中不同气体的性质进行吸附，让空气穿过分子筛所构成的吸附塔后其就能完成对某一种空气气体的吸附，继而达到空气分离的目的。但吸附塔所能够吸附的气体容量不是无限的，当其达到一定量后就无法再继续吸附空气分子，因而在对变压吸附工艺的实际应用过程中通常采用交替吸附方式。即使用两个吸附塔交错吸附，这样当一个吸附容量满了之后可以继续进行空气分离，同时将吸附满的吸附塔处理后再继续重复使用，如此可以得到分离后的各种气体分子。从总体上来看由变压吸附工艺所分离出的氧气浓度是比较低的，在93%左右，且其分离出的氧气量也不是很多，因而在煤化工企业的实际生产中该工艺通常是被应用在对氧气浓度和氧气量要求较低的生产项目中。

2.2 膜分离工艺

膜分离工艺是指利用空气分子在膜中溶解速度与扩散速度的不同将其进行分离的过程，主要是依靠空气分子的扩散性和渗透性而实现的分离目的。该工艺所分离出的氧气、氮气等气体的浓度高低主要由分离膜的性能所决定，在膜分离工艺的实践中通常只需要将空气原料置于分离膜的两侧即可，而为提高空气分离效率则会采用催化剂，为保证空气分离的浓度会采用空气除杂手段，进而可以高效获得浓度较高的气体。与变压吸附工艺相比膜分离工艺的灵活性较高，不仅可以根据实际需要选择使用不同材质的膜，而且可以由此获得不同种类与浓度的氧气、氮气等气体，并且膜分离工艺因其可以分离出更多量的气体而被广泛应用于煤化工生产项目中[1]。

2.3 低温精馏工艺

低温精馏工艺是指根据空气中不同气体的物理性质差异为依据而在高压低温情况下进行分离的工艺过程。以氧气和氮气为例，二者的沸点性质有着明显差异，在采用低温精馏工艺时通常是先对氧气和氮气进行液化处理，之后再通过精馏传热将液态后的空气进行分离，从中分离出氧分子和氮分子。相较于前两种空气分离工艺而言，这一工艺的弊端比较明显，工艺流程复杂、装置启动时间长等，并且和新型工艺之间还存在一些对接问题，一定程度上影响空气分离的效率。但是这种工艺也有着较好的优势，即由此所分离出的气体的浓度是比较高的，空气分离质量较好。

3 煤化工空气分离工艺流程的选择

3.1 液态产品空气分离工艺流程选择

液态产品的空气分离主要是对气体形态原料进行分离，过程中将气体转化为液态，并同时需要高压条件或者低温条件的支持才能进一步完成空气分离。为确保所获得的分离效果更好，液态产品质量更高，则选择低温精馏工艺更加合适，这主要是因为若不在低温状态下进行，使用变压吸附工艺或者膜分离工艺虽然可以获得氧分子和氮分子的集合。但受到大气压的影响，氧气和氮气的沸点是不同的，沸点差异性的存在无法让其转化为液态，也就不能生产出所需的液态产品，因而对于液态产品而言选择低温精馏工艺是最为合适的。需要注意的是，在应用这一工艺时要注意对温度、压力等要点的合理控制，进而才能保证所获得的液态产品的质量[2]。

3.2 气态产品空气分离工艺流程选择

气态产品空气分离工艺一般选择变压吸附工艺和膜分离工艺为主，使用分子筛和分离膜对空气进行分离可以更快速地实现分离，并且还能够重复性使用，这就可以大大缩减生产成本，保证生产效益的获得。而当生产浓度要求标准较高时则需要使用低温精馏工艺进行分离作业，通过低压低温处理结合双塔精馏工艺可以获取纯度更高的气态产品。按照生产的实际需要选择合适的工艺流程，确保生产效益的同时也控制好生产成本，保障煤化工企业的持续性发展。

4 煤化工空气分离运行的安全要点

4.1 尽量选择低温精馏工艺进行空气分离

随着煤化工产业规模的不断扩大以及市场对相关产品要求的提高，煤化工企业需充分认识到空气分离装置在产品生产过程中的重要性，并且在挑选空气分离装置时需要更进一步考虑到空气分离装置的安全性、稳定性和高效性，这样才能保证所生产氮氧产品的质量，避免发生气体供应不足、员工安全受威胁等安全事故隐患。根据对空气分离工艺的了解和对比可知低温精馏工艺是安全性较高的一种工艺方式，虽然从工艺流程方面来看其流程较为复杂，所需成本较多，但是相比而言其更加可靠，安全性更高，并且该工艺应用下所生产的产品质量更好，能够连续生产出高浓度的氮气、氧气，满足煤化工企业高质量的标准要求。另外，在煤化工产业规模逐步扩大的过程中对氧气的需求量逐渐增多，为保证所生产的氧气能够符合产业规模扩张的需求，以及满足企业生产对氧气产量、纯度的要求，相较而言低温精馏工艺更加合适。

4.2 选择合适的热交换方式

在煤化工产业大规模发展的同时对空气分离的产气量提出了更高的要求，基于国家整体产业布局调整的政策需要，许多煤化工企业都集中在中西部地区，而这些地区属于内陆地区，水资源存在紧张的情况，为此在选择空气分离装置时需要充分考虑到资源不均衡的问题。因而一些煤化工企业需要采用空冷方式进行气体换热，选择合适的热交换方式才能够满足生产的要求。煤化工企业在使用空气分离装置时要同时建设配套的电厂，并设置空冷岛装置以提供辅助，借助电机运行作用带动风机的运转，将水冷用风冷替代，以此节约水资源的耗费，也为煤化工企业节省成本投入[3]。

4.3 合规设计空气分离装置

空气分离装置运行是否安全稳定与其设计情况有着很大的关系，因而为确保空气分离装置的安全运转则要保证其设计符合规定与标准。对空气分离装置的合规设计，一是在于产品规格以及对氧气的要求。氧气在煤化工生产项目中不仅是反应原料，而且也是气化剂，对此则应根据对氧气的需求量来确定空气分离装置的规模。依照煤气化装置的氧气用量和用氧装置的氧气用量统计数据进行计算，结合实际运行情况做进一步了解，然后再根据用氧装置的负荷量、煤质的变化等情况做出系统性的分析，在此基础上再对空气分离装置进行设计，确保其设计的合理性与规范性。在空气分离装置设计过程最为关键的一点是氧气的含量，通常要求其氧气含量不能少于99.6%。二是在于实际规模以及对氮气的要求。氮气的规模和用量在计算时依照压力等级进行统计，掌握辅助设施、不同生产装置在运行过程中的氮气用量，并对其氮气使用特点、氮气使用最大用量频率等进行分析，由此了解氮气正常用量与最大用量的差距值，再在此前提下结合对煤化工企业规模大小的了解以及对管线输送距离的了解计算管网的损失，明确合适的规模进行设计。

4.4 确保空气分离装置与气化炉相匹配

煤化工企业的空气装置在设计过程中还需注意应与气化炉相匹配，主要在于系统和套数两个方面的匹配性，这是因为氧气大多数是被气化炉所使用的。根据国内外单套空气分离装置的最大制氧量为参照，系列数和投资之间呈正比，当系列数多其投资也就多，当系列数少其投资也就少。单套空气分离装置的制氧量较多时，需充分把握空气分离装置当下已经完成的业绩情况，综合考量空气分离装置的生产能力，同时结合对气化炉系列数的了解，让空气分离装置能够与气化炉相匹配。结合当前煤化工企业的实际情况来看，单套空气分离装置通常需配备多台气化炉，与此同时也要进一步考虑到氧气母管、氧气管道等方面的配置与衔接，确保相互之间的合理设计与连接，从而保证空气分离装置的安全运行。

4.5 把控内外压缩流程做好安全性比较

空气分离装置的运行安全性需要把控好内压缩、外压缩的流程，并做好其安全性的比较。外压缩即空气分离流程，通过相应工艺分离出氧气后利用主换热器对其进行复热，再利用氧压机做压缩处理，直到其符合标准需要之后停止，将压缩后的氧气再以此输送到氧气管网中。内压缩与外压缩是相对的，即将液态氧气从主冷凝蒸发器中抽出，再利用低温液氧泵做压缩处理，直到符合相关标准要求为止，接着再利用主换热器对其进行复热，然后输送到氧气管网中。对内压缩和外压缩的安全性进行比较，由于氧气是具有助燃性的，在受压过程中随着温度的升高存在爆炸的风险性，不同形态的氧所面临的危险性不同，液氧的体积与气氧的体积相差巨大，气氧的压缩需要高转速、大叶轮的氧压机进行，而液氧则可以在低转速、低流量的条件下实现压缩，由此可知内压缩的液氧压缩更具安全性。另外，甲烷、乙炔等碳氧化合物是空气中较为稀有的微量分子，虽然量少但是危险性却比较高，一旦被溶解析出形成固体颗粒，很容易受到摩擦因素的影响而发生静电，继而发生爆炸，而内压缩的过程会使液氧从主冷排出，避免了碳氢化合物的溶解聚集，如此则能够更好地规避爆炸危险事故的发生，确保了空气分离装置运行的安全[4]。

4.6 重视煤化工企业的组织化管理

煤化工企业空气分离装置的安全性保障需重视组织化的管理，完善安全组织管理模式，构建完善的管理系统，发挥统筹作用保证安全管理到位。将空气分离装置安全管理的责任性落实到具体的责任人，采用轮流管理的方式开展对空气分离装置运行的不间断监管，及时发现空气分离装置在运行过程中存在的问题，并尽快采取措施进行解决和处理。对一些问题，还要进一步追究其责任人，提高技术人员和管理人员的安全意识，保证空气分离装置的安全运行，维护其运行的秩序。

5 结语

综上所述，经济和科技的改革发展推动了煤化工企业的发展，而随着煤化工生产规模的扩大对其生产质量也提出了更高的要求，为保证煤化工企业氮氧产品等的生产质量，空气分离装置的运行合理性是非常重要的。根据不同的产品生产需求，相关管理人员需结合不同工艺的优劣点选择合适的空气分离工艺流程进行操作运行，如：变压吸附工艺、膜分离工艺和低温精馏工艺需在充分把握实际生产需要的基础上进行选择。与此同时，煤化工企业也要关注空气分离装置运行的安全性，把握好安全要点，加强安全管理，从而进一步提高空气分离的效率和质量，规避安全事故的发生，并推动煤化工产业的安全健康发展。