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制氮机(制氮设备)的研制与投运

1  概 述
永城煤电(集团) 有限责任公司(以下简称:
永煤集团) 煤化工项目是以煤为原料, 采用
SHELL 煤气化技术, 年产50 万t 甲醇的大型化工
项目。按照煤化工工艺技术及用户的综合要求, 需
配置1 套制氧能力为53000m3/ h 的空分设备。永
煤集团公开招标, 开封空分集团有限公司(以下简
称: 开封空分) 以高性价比中标, 于2004 年12 月
8 日签订供货合同。2007 年11 月28 日,
53000m3/ h 空分设备顺利生产出合格的氧气、氮
气, 2008 年5 月生产出合格的液氩。空分设备开
车顺利, 一次试车成功, 并顺利通过考核, 现空分
设备转入正常的生产运行。
永煤集团53000m3/ h 空分设备是目前国内自
行成套、自主设计制造并已投入运行的规模最大的
内压缩流程空分设备。空分设备采用了先进的工艺
流程, 是一套典型的化工型双泵内压缩流程空分
设备。
2  主要性能指标
根据永煤集团煤气化装置对气体产品规格的要
求, 53000m3/ h 空分设备设计有两种运行工况, 其
主要性能指标见表1 、2 。
表1  正常工况下53000m3/ h 空分设备主要技术指标
产 品
产量
/ (m3/ h)
纯 度
压力
/ MPa
温度
/ ℃
备 注
氧气52000 ≥9916 % 511 37
氧气贮罐
压力511MPa
液氧1000 ≥9916 % 0125 饱和—
氮气(1) 32000 ≤10 ×10 - 6O2 015 19 下塔压力氮
氮气(2) 11000 ≤10 ×10 - 6O2 813 37 液氮泵内压缩
液氮800 ≤10 ×10 - 6O2 0145 饱和—
液氩1600
≤1 ×10 - 6O2 ,
≤2 ×10 - 6N2
0125 饱和—
仪表空气2500
常压露点:
- 40 ℃
1115 40 增压机中抽
工厂空气5000
常压露点:
- 40 ℃
0154 40
分子筛吸附器
后抽出
事故氮气11000 ≤10 ×10 - 6O2 813 40 —
  注:压力为表压,下同。
表2  煤气化工况下53000m3/ h 空分设备主要技术指标
产 品
产量
/ (m3/ h)
纯 度
压力
/ MPa
温度
/ ℃
备 注
氧气46000 ≥9916 % 511 37
氧气贮罐
压力511MPa
液氧1000 ≥9916 % 0125 饱和—
氮气(1) 32000 ≤10 ×10 - 6O2 015 19 下塔压力氮
氮气(2) 11000 ≤10 ×10 - 6O2 813 37 液氮泵内压缩
氮气(3) 38000 ≤100 ×10 - 6O2 0102 19 上塔低压氮
液氮800 ≤10 ×10 - 6O2 0145 饱和—
液氩1400
≤1 ×10 - 6O2 ,
≤2 ×10 - 6N2
0125 饱和—
仪表空气2500
常压露点:
- 40 ℃
1115 40 —
工厂空气5000
常压露点:
- 40 ℃
0154 40 —
  注: 煤气化工况指在煤气化装置开车时, 没有用于输
送煤的二氧化碳气体, 暂时以空分设备上塔抽出的
38000m3/ h 氮气代替。
3  流程组织
根据合同指标要求, 从运行能耗、投资成本、
安全性和可操作性等方面综合考虑, 53000m3/ h 空
分设备最终选择了分子筛吸附净化、空气增压循
环、膨胀空气进下塔、双泵内压缩和全精馏无氢制
氩流程, 即采用空气增压机+ 液氧(氮) 泵, 并通
过换热系统的合理组织来取代氧(氮) 压机。氧气
(52000m3/ h , 511MPa) 由液氧泵加压后复热得
到, 氮气( 11000m3/ h , 813MPa) 由液氮泵加压
后复热得到, 氮气( 32000m3/ h , 015MPa) 由下
塔直接抽取压力氮复热得到。因此, 将原料空压机
排气压力提高至01575MPa , 空压机排气量增加至
276000m3/ h 。永煤集团53000m3/ h 空分设备流程
如图1 所示。
原料空气经压缩、预冷和净化后, 分为两股:
一股进入低压板翅式换热器, 出换热器底部进入下
塔; 另一股去空气增压机。进入空气增压机的空气
经增压机第一段增压到约216MPa 后分为两股: 一
股直接出增压机, 经冷却器冷却后进入膨胀机的增
压端增压, 然后被冷却器冷却至常温后进入高压板
翅式换热器换热, 再从换热器中部抽出后进入膨胀
机膨胀, 膨胀后的空气进入下塔; 另一股空气在增
压机的第二段继续增压到7MPa , 并经后冷却器冷
却至常温后进入高压板翅式换热器, 与高压液氧、
高压液氮及返流污氮气换热。这部分高压空气从高
压板翅式换热器底部抽出, 节流后进入下塔。
空气经下塔初步精馏后, 获得液空、纯液氮和
污液氮, 并经过冷器过冷节流后进入上塔。经上塔
进一步精馏后, 在上塔底部获得液氧, 并经液氧泵
压缩后进入高压板翅式换热器, 在其中, 液氧复热
并汽化成氧气后出冷箱, 进入高压氧气管网; 另抽
取部分液氧进入液氧贮存系统。在下塔顶部获得纯
液氮, 并经液氮泵压缩后进入高压板翅式换热器,
在其中, 液氮复热并汽化成氮气后出冷箱, 进入高
压氮气管网; 另抽取部分液氮进入液氮贮存系统。
在下塔顶部抽取压力氮气, 经低压板翅式换热器复
热后出冷箱, 进入中压氮气管网。从上塔顶部引出
氮气, 经过冷器和低压板翅式换热器复热后出冷
箱, 进入低压氮气管网。
4  主要配套机组及设备
411  原料空压机和空气增压机
原料空压机和空气增压机均采用离心压缩机,
由1 台汽轮机拖动, 节省了投资及运行费用。空气
增压机为装置提供膨胀及高压液氧、高压液氮汽化
的气源。原料空压机和空气增压机均采用进口产
品, 原料空压机机型为RIK ( T) 12521 + 1 + 1 +
1 , 采用单轴、4 级压缩逐级冷却、一级悬臂, 并
采用内置式冷却器; 空气增压机机型为RG5021 + 1
+ 1 + 1 + 1 , 采用齿轮式、5 级压缩逐级冷却。汽
轮机采用进口产品。
412  空气预冷系统
空气预冷系统采用带水冷塔的新型高效空气预
冷系统。空冷塔采用特殊设计的散堆填料, 水冷塔
采用规整填料, 具有传热传质效率高、操作弹性大
和阻力小的优点。另外, 考虑到用户循环水质较
差, 空冷塔上段与水冷塔采用内循环、少量补水的
形式, 设置氨蒸发器来冷却水冷塔出来的水, 使出
空冷塔的空气温度较低, 装置性能指标更好。
413  分子筛纯化系统
分子筛纯化系统的作用是吸附空气中的水分、
二氧化碳和乙炔等碳氢化合物等, 采用长周期、双
层净化技术, 切换系统采用了先进的无冲击切换设
计。分子筛吸附器采用双层床结构, 底层活性氧化
铝床层可有效保护分子筛, 延长分子筛使用寿命。
蒸汽加热器采用双管板结构, 运行更加安全、可
靠。
414  精馏系统
精馏系统是53000m3/ h 空分设备的核心系统,
上塔、粗氩Ⅰ塔、粗氩Ⅱ塔和精氩塔均采用规整填
料塔技术, 具有氧提取率高、能耗低、工艺先进、
运行安全可靠和操作维护方便等优点。下塔采用专
用于大型空分设备的四溢流塔技术。而膨胀机、高
压换热器和低温液体泵则采用进口产品, 确保装置
运行的可靠性。
415  液体后备系统
为了保证全系统生产的安全, 后备系统配备1
台200m3 的平底贮槽、1 台低温冷备的高压液氮泵
和1 台水浴式汽化器。
5  总体布置
永煤集团53000m3/ h 空分设备规模较大, 各
单元设备、阀门和管道等的规格比以往大了许多,
设计时在满足工艺的前提下, 尽可能使精馏塔布置
得合理、紧凑。
(1) 下塔(主冷) 、上塔垂直复合布置。这种
布置虽然使冷箱高度比下塔(主冷) 、上塔平行布
置高, 但省去了液体泵, 使流程简化、可靠性提
高。以往空分设备下塔和主冷都是复合出厂, 考虑
到该套空分设备为公路或铁路运输, 运输物体允许
的尺寸没有船运的大, 在设计时特别注意了这个问
题。经过对开封至永城沿途道路状况的考察, 在与
设计、制造和运输三方协调后, 确定采取特殊的运
输方法, 以保证下塔和主冷复合出厂, 到现场就位
后, 再与上塔复合。
(2) 空分设备有低压、高压两组换热器, 为便
于安装、检修, 分别设置单独冷箱, 并与主冷箱隔
开。为防止与主冷箱连接处型钢在低温下冷缩变
形, 换热器冷箱与主冷箱采用过桥连接。
(3) 空分设备共有液氧泵、液氮泵和液氩泵3
种流程泵, 均为1 用1 备, 共6 台(一台运转, 另
一台在线冷备) 。从便于检修及安全角度考虑, 6
台流程泵均单独布置, 即设置单独小冷箱, 置于主
冷箱之外。
(4) 对部分重要的高压、低温液体阀门采用独
立隔箱, 方便维修。
6  运行情况
在72 小时的测试考核期间, 53000m3/ h 空分
设备各工况参数已接近设计值, 各系统运转稳定,
冷箱无结霜、跑冷现象, 内部无泄漏情况。具体考
核数据见表3 。
7  结束语
53000m3/ h 空分设备一次开车成功, 为永煤集
团煤化工项目50万t / a甲醇装置的开车奠定了坚
表3  永煤集团53000m3/ h 空分设备考核数据
产 品产量/ (m3/ h) 纯 度压力/ MPa
氧气55000 ≥9916 % 5115
液氧500 ≥9916 % 0125
氮气(1) 32500 ≤1 ×10 - 6O2 015
氮气(2) 10600 ≤1 ×10 - 6O2 813
液氮2000 ≤1 ×10 - 6O2 0145
液氩1600
≤1 ×10 - 6O2 ,
≤2 ×10 - 6N2
0125
实的基础, 树立了良好的榜样。该套空分设备的开
车成功, 标志着50000m3/ h 等级大型空分设备国
产化项目取得了圆满成功。
永煤集团53000m3/ h 空分设备项目的成功,
是开封空分继山东华鲁恒升化工股份有限公司
40000m3/ h 空分设备通过考核验收之后的又一次在
大型内压缩流程空分设备上的突破, 标志着开封空
分在空分设备的大型化及内压缩流程方面的技术已
成熟, 也标志着我国空分行业已完全有能力自行设
计、制造50000m3/ h 等级的大型内压缩流程空分
设备。
实现50000m3/ h 等级空分设备国产化, 使我
国空分设备的设计制造水平及综合开发能力达到了
一个新的水平, 还可以为国家节约大量外汇, 为用
户带来巨大的经济效益; 同时也可以提高我国重大
工业装备的设计制造水平, 并具备参与国际竞争的
能力, 为实现8 万~10 万m3/ h 或更大规模的空分
设备国产化奠定了坚实的基础。