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制氮机(制氮设备)如何应对煤化工的崛起

  我国化石类能源已探明可采储量中煤炭占
9217 % , 加上国际油价波动和环境保护的严峻形
势, 决定了我国必须大力发展煤化工产业。
煤化工, 尤其是煤制油需要大量的氧气, 其对
氧气的需求量将超过钢铁工业成为最大的氧气用
户, 这为空分行业提供了发展良机。下面就空分行
业如何应对煤化工行业的崛起, 以及如何抓住难得
的发展良机, 笔者提出一些不成熟的看法, 供大家
讨论。
1  我国煤化工行业的现状与发展
111  煤化工含义
煤化工是以煤为原料, 经过化学加工使煤转化
为气体、液体、固体以及各种化工产品的工业。它
包括煤的焦化、煤的气化、煤的液化、电石、煤制
甲醇、煤制烯烃、煤制合成氨、洁净煤气化技术和
多联产系统。
煤的焦化: 煤的高温焦化是最早的煤化工工
艺, 生产焦炭、焦炉煤气和其他化工产品, 至今仍
是冶金工业和化学工业的重要组成部分。
煤的气化: 煤气化是煤化工的核心, 是煤在缺
氧条件下不完全燃烧产生合成气体(一氧化碳+ 氢
气) , 合成气体可以作为煤气使用, 也可以作为化
工原料进一步深加工得到甲醇、二甲醚等。
煤的液化: 煤间接液化是先将煤气化成合成气
(一氧化碳+ 氢气) , 然后通过费—托反应及蒸馏分
离得到石脑油、柴油和汽油等终端产品; 煤直接液
化是在高温、高压条件下使煤在溶剂中溶解, 然后
在催化剂作用下进行加氢裂化反应, 通过蒸馏分离
出油产品。
112  我国煤化工行业的现状与发展
我国化石类能源已探明可采储量中, 煤炭占
9217 %、石油占519 %、天然气占114 % , 即“富
煤少油缺气”。在一次能源消费结构中, 煤炭占
7314 % , 水电占2212 % , 石油和天然气共占
414 %。无论是从储量还是消费量来看, 我国都是
以煤炭为主要能源的国家, 理应重视煤化工行业的
发展。然而, 20 世纪60 年代由于一些新油田的发
现和国际上较长时间的低油价, 使我国的研究重心
由煤化工向石油化工转移, 一些煤化工的研究项目
被中止。与此同时, 日本、德国和美国却继续煤液
化技术的研究, 有的进行到工业规模, 有的在完成
了工业性中试研究后作为技术储备, 南非的萨索尔
公司( SASOL) 则启动建设世界最大规模的煤液
化装置。
近20 年来, 由于中东产油地区动乱不断和两
次海湾战争, 使油价飙升, 而我国加入世界贸易组
织后, 随着生活水平提高和“世界工厂”地位的明
确, 又使石油消耗量大增, 据有关资料分析,
2015 —2020 年我国进口原油将达118 亿~210 亿
t/ a 。20 世纪70 年代20~25 美元1 桶的油价, 由
于需求增加、美元贬值和投机炒作, 到2008 年已
涨到100~150 美元, 而油价上升将使我国的国民
生产总值下降、通货膨胀率上升。这一切迫使我国
再次重视煤化工技术的研究, 寻找石油替代品迫在
眉睫, 而“煤制油”是目前唯一现实的选择。
环境污染和气候变暖是能源危机之外人类面临
的又一严峻形势。煤炭直接燃烧会产生大量的二氧
化碳、二氧化硫和其他废气, 会污染环境并导致温
室效应, 通过洁净煤气化技术产生的煤气可以作为
清洁燃料, 也可以作为化工原料, 实现煤化工能源
一体化。
由此可见, 无论是解决环保问题还是缺油问
题, 发展煤化工行业是大势所趋、形势所迫的正确
选择。20 世纪80 年代初, 我国开始跟踪国际煤化
工技术的新动向, 建立了煤液化技术研究基地, 并
与日本、德国、美国开展技术合作, 进行煤液化工
艺和煤液化特性的研究, 购买了萨索尔公司煤间接
液化的专利, 目前在煤直接液化方面我国已有了自
己的专有技术, 100 万t/ a 煤直接液化装置可望于
2008 年在内蒙古神华集团建成和试生产(编者注:
神华集团于2009 年1 月7 日宣布: 在内蒙古建成
的100 万t/ a 煤液化示范工程一次试车成功) 。与
此同时, 作为煤化工和煤液化基础的煤气化技术,
我国已引进了鲁奇炉、德士古水煤浆气化炉和
Shell 粉煤气化炉等先进技术, 并进行了消化吸收。
经过几十年的努力, 我国煤化工产业取得了长
足的进步, 对于缓解我国石油、天然气等优质能源
供求矛盾, 促进钢铁、化工、轻工和农业的发展发
挥了重要作用。
据相关资料介绍, 今后13 年我国煤化工行业
的发展计划: 在全国建设七大煤化工产业区, 分布
在我国北部、东部和云贵等广大地区。为解决煤化
工产品的安全运输, 规划建设连接产地和用地的四
大管线, 总长4400km。为此国家将向该计划投资
10000 亿元, 以实现由传统煤化工向现代煤化工的
转移, 而煤制油、煤制甲醇、二甲醚和煤制烯烃
(预计产品产量见表1) 将是投资的重点。
表1  我国有关煤液化的产品预计产量
产品名称2010 年2015 年2020 年
煤制油/ (万t/ a) 150 1000 3000
二甲醚/ (万t/ a) 500 1200 2000
煤制烯烃/ (万t/ a) 140 500 800
煤制甲醇/ (万t/ a) 1600 3800 6600
2  煤化工行业对大型空分设备的要求
煤化工的基础是煤气化, 而煤气化需要氧气和
水蒸气与煤中的炭进行水煤气反应, 产生一氧化碳
和氢气, 这就决定了发展煤化工离不开氧气。氮气
则作为保护气体用于密封、置换、干燥和煤粉输
送。
211  煤化工行业对氧气数量的要求
煤化工行业是迄今为止最大的氧气用户, 世界
上最大的氧气厂建在南非的萨索尔公司, 用于煤的
间接液化, 总能力约110 万m3/ h , 其中1 套能力
为1014 万m3/ h 的空分设备也是迄今为止最大规
模的制氧装置。
我国2020 年将形成约3000 万t/ a 煤制油能
力, 若直接液化和间接液化各占50 % , 按神华集
团和萨索尔公司的消耗定额粗略计算, 需要配套的
空分设备制氧能力为355 万m3/ h 。
煤气化联合循环发电( IGCC) : 1 个400MW
的IGCC 工厂需要1 套70000m3/ h 空分设备, 按每
年增加1 个400MW 的IGCC 工厂计, 到2020 年需
配套空分设备制氧能力为91 万m3/ h 。
煤制甲醇: 2020 年我国甲醇产量将达到6600
万t , 新增5800 万t , 需配套空分设备制氧能力为
603 万m3/ h 。
化肥: 年产30 万t 的化肥厂, 如原料由石油
改为煤, 需配套1 套50000m3/ h 空分设备, 以每
年改1 套化肥装置计, 至2020 年配套空分设备制
氧能力为65 万m3/ h 。
由此可见, 由于煤化工行业的发展, 到2020
年对氧气的总需求量为1114 万m3/ h , 平均年需求
量为86 万m3/ h , 远远超过了钢铁工业的需求量。
212  煤化工行业对氧气纯度的要求
不论煤制油(直接或间接液化) 、IGCC、化肥
生产还是煤制甲醇, 氧气均用于煤的气化。煤气化
工艺不需要纯氧, 可以使用90 %~95 %纯度的低
纯氧气, 只当有外供用户要求或提取氩气时才需建
纯氧装置, 这时可以同时建设纯氧机组和低纯氧机
组, 如此既能满足不同需求又可节省投资与能耗。
213  煤化工行业对氧气压力的要求
由于煤化工中氧气用于煤的气化, 因此用氧压
力取决于煤气化的工艺和炉型, 鲁奇、德士古和壳
牌工艺的通常用氧压力为4~6MPa , 故一般选用
内压缩流程空分设备。
3  我国空分行业的现状与发展
由于用量大且同时需要氧、氮产品, 煤化工行
业只能使用深冷分离法空分设备。深冷分离法空分
设备是利用空气中各组分的沸点差, 在低温下将空
气液化后通过精馏分离出氧、氮、氩各组分。
我国空分行业从1953 年哈尔滨第一机械厂仿
制成功两套30m3/ h 制氧机至今, 走过了55 年的
发展历程。其间, 紧跟国际空分行业的发展步伐,
新设备不断出现, 工艺流程不断更新与完善, 工作
压力与单位能耗不断降低。下面摘录一些空分行业
发展的关键事件, 从中可以看出我国空分行业的发
展历程及现有技术水平。
(1) 1958 年, 研制成功了3350m3/ h 空分设
备, 采用铝带式蓄冷器的高低压流程;
(2) 1966 —1970 年, 制造了第一套3200m3/ h
和第一套6000m3/ h 空分设备, 采用石头蓄冷器的
全低压流程;
(3) 1975 年, 开始在1500~10000m3/ h 空分
设备上用切换板翅式换热器取代石头蓄冷器, 以减
小温差和阻力;
(4) 1978 年, 引进了林德公司10000m3/ h 空
分设备的设计、制造技术;
( 5 ) 1983 —1995 年, 在引进的28000 ~
40000m3/ h 空分设备上与国外著名厂商开展合作设
计与制造;
(6) 1989 年, 采用带增压透平膨胀机的分子
筛常温吸附净化流程的6000m3/ h 空分设备在吉林
化肥厂投产;
(7) 1997 年, 第一套采用填料塔和全精馏无
氢制氩流程的6000m3/ h 空分设备在湖北鄂城钢铁
公司投产;
(8) 2001 年, 第一套采用填料塔和全精馏无
氢制氩流程的20000m3/ h 空分设备在山东济南钢
铁公司投产;
(9) 2002 年, 第一套采用填料塔和全精馏无
氢制氩流程的30000m3/ h 空分设备在上海宝钢集
团投产;
(10) 2004 年, 第一套40000m3/ h 内压缩流程
空分设备在山东德州华鲁恒升公司投产;
(11) 2005 年, 第一套50000m3/ h 空分设备在
辽宁本溪北台钢铁公司投入满负荷运行;
(12) 2006 年, 第一套48000m3/ h 内压缩流程
空分设备在中石化安庆分公司建成投产;
(13) 2007 年, 第一套53000m3/ h 内压缩流程
空分设备在河南永城煤电集团和中原大化集团建成
投产。
2005 —2007 年, 国内空分厂商与用户签订了
10 余套60000m3/ h 空分设备供货合同, 其中7 套
用于煤化工行业。国内第一套自主集成的
60000m3/ h 空分设备将于2008 年在上海宝钢集团
建成投产( 编者注: 国内第一套自主集成的
60000m3/ h 空分设备已于2008 年12 月在上海宝钢
集团建成投产) 。现正着手设计、制造80000m3/ h
等级空分设备。
我国空分设备于20 世纪80 年代出口东南亚,
21 世纪开始向欧洲和中东出口, 出口的单机最大
能力由6000 、10000 、15000 、20000m3/ h 不断提
升, 2005 年底杭氧与伊朗签订了2 套60000m3/ h
空分设备供货合同, 这是我国空分行业至今为止签
订的最大出口合同。
目前我国大型空分设备与国外的技术差距在逐
步缩小, 氧、氩提取率和单位能耗已十分接近。也
就是说, 经历了55 年的不懈努力, 我国已进入了
空分设备制造、成套大国行列, 并正在向空分设备
制造、成套强国迈进。
4  空分行业如何应对煤化工的崛起
像奥地利人1952 年发明氧气转炉带动钢铁和
空分行业大发展一样, 煤化工行业的崛起又一次为
空分行业提供了大发展的机遇。成功需要机遇, 机
遇属于有准备的人, 我国空分行业必须为此做好心
理、技术和组织上的准备。
411  做好空分设备进一步大型化的技术准备
大型空分设备的出现是为了满足国民经济各部
门发展的需要, 随着大型氧气转炉和高炉富氧的出
现以及融熔还原法(COREX) 炼铁、煤气化联合
循环发电的发展, 空分设备的单机制氧能力不断扩
大, 目前我国已具有60000m3/ h 空分设备的设计
和制造能力, 基本满足了上述部门的需要。
煤化工行业每小时近百万立方米的氧气消耗给
空分行业提出了新的课题, 即必须大型化。法液空
公司为南非萨索尔公司的煤制油项目先后提供了
14 套75000m3/ h 空分设备和1 套1014 万m3/ h 空
分设备, 林德公司2002 年为沙特提供了1 套
91000m3/ h 空分设备, 美国空气化工产品公司最近
向卡特尔的萨索尔公司供应1 套1012 万m3/ h 空
分设备。这3 家公司都声称已具有单台15 万m3/ h
空分设备的设计、制造能力。
对我国来讲, 今后若干年60000m3/ h 等级空
分设备仍是大型空分设备需求的主体。与此同时,
在煤化工项目中, 已经把如何扩大单机生产能力,
通过减少总的台数来减少占地面积和投资、降低能
耗, 提升产品的竞争力提到了议事日程。
扩大单机生产能力不是简单的几何放大, 必须
用技术作支持, 否则在运输、结构和气流分布上都
会出现问题。
2008 年, 荣程联合钢铁集团向开封空分集团
订购了1 套82000m3/ h 空分设备, 包括空压机和
增压机均为国产设备, 这是国内迄今为止最大的空
分设备。和上海宝钢集团一样, 荣程联合钢铁集团
以企业家的眼光和魄力为国内空分行业提供了展现
实力的舞台。如果投运成功, 这将使国产空分设备
的单机容量大大提高一步。
412  努力实现空分工艺与煤化工工艺的结合
笔者曾谈论过空分工艺与IGCC 工艺相结合以
得到最高的综合效率[1 ] , 在煤化工行业中或许也
能找到与其工艺和介质流相结合的空分工艺, 以提
高包括用户在内的总效率, 降低能耗。对此应予以
重视和探讨。
413  研发低纯度空分设备
可以使用低纯度空分设备生产用于煤化工中煤
气化的氧气, 南非萨索尔公司已经证明低纯度空分
设备的最佳氧气纯度, 虽然德、日、美、法各国看
法各异, 但普遍认为在80 %~95 %范围内。根据
以往的工作数据, 由于塔高、压力和电机容量的下
降, 低纯度空分设备的设备投资和能耗与纯氧设备
相比均下降约10 % , 这是一笔相当可观的费用。
笔者曾尝试在高炉富氧鼓风处使用低纯度空分设
备, 由于不能与转炉等用户的纯氧设备互为备用而
未能实现。而煤化工行业情况有所不同, 采用低纯
度空分设备的可行性更大些。
为此, 空分行业应开展低纯度空分设备的研
究, 以便给用户提供更多的方案选择。
414  做好全程跟踪服务
全程跟踪服务是指贯穿制造、运输、安装、试
车、投产、使用全过程的跟踪服务, 其目的除了用
户至上外, 还在于及时反馈信息、改进工艺与设
备。这是一项用户与制造商双赢的措施。法液空公
司之所以能独家拿下萨索尔公司总量110 万m3/ h
全部15 套大型空分设备, 而且时间跨度长达30 年
之久, 必然是因为做好了全程跟踪服务, 取得了用
户的信任。为此付出的人力、物力对于煤化工行业
这样的大用户是完全值得的。
415  加快大型压缩机的国产化进程
相对于静设备而言, 我国转动设备的的设计、
制造水平较低, 大型空分设备的空压机、增压机和
氧压机大部分为引进设备, 既增加了投资, 而且长
达20 个月以上的交货期也影响了建设进度。最近
几年, 沈鼓和陕鼓加快了大型压缩机国产化的步
伐, 在48000m3/ h 和52000m3/ h 空分设备上配套
国产空压机和增压机, 最近陕鼓还在为82000m3/ h
空分设备配套大型空压机和增压机, 这是一个可喜
的进步。今后应进一步加速自主创新, 不断提高质
量和效率, 逐步取得用户的信赖, 尽快实现大型空
分设备配套压缩机的国产化。
5  结束语
(1) 我国化石类能源的结构现状和国际油价居
高不下, 加上环境保护的严峻形势, 决定了我国必
须大力发展包括煤制油在内的煤化工产业。
(2) 煤化工行业将代替钢铁工业成为空分行业
的最大用户, 继奥地利人发明氧气转炉之后, 煤化
工行业又一次为空分行业提供了大发展的良机。
(3) 我国空分行业55 年的发展已经适时地为
煤化工行业的发展进行了技术储备, 当前应抓住机
遇, 全力以赴, 在煤化工行业的发展中求得我国空
分行业的大发展。
(4) 面对煤化工的崛起我国空分行业应该抓住
机遇, 加速设备大型化和大型压缩机国产化的步
伐, 开发低纯度空分设备和与煤化工相结合的空分
新工艺, 并做好全程跟踪服务。 
参考文献:
[1 ] 杨 源. 空分设备与煤气化联合循环发电的结合方式
与流程选择[J ] . 深冷技术, 2004 (2) : 125.