鄭祥保 楊國(guó)鋒

（義馬煤業(yè)綜能新能源有限責(zé)任公司 河南 義馬 472302）

0 前言

制氧站在冶金、石化、煤化工行業(yè)中占有舉足輕重的地位，特別是隨著煤化工的發(fā)展，制氧站走向巨型化的要求日益迫切，往往需要多套大型空分設(shè)備聯(lián)合供氧。

據(jù)2009年國(guó)際煤氣化會(huì)議資料顯示：2008年國(guó)內(nèi)煤氣化項(xiàng)目因停氧造成的損失占到各種故障總損失的27%；另?yè)?jù)有關(guān)資料表明，空分設(shè)備事故中70%來(lái)自于主空壓機(jī)、汽輪機(jī)和空氣增壓機(jī)等動(dòng)設(shè)備。因此超大型制氧站的選擇引起越來(lái)越廣泛的重視。

本文根據(jù)筆者多年從事煤化工的經(jīng)驗(yàn)，粗淺地談?wù)摮笮椭蒲跽镜倪x用經(jīng)驗(yàn)，供同行參考。

1 超大型制氧站總體規(guī)模的確定

超大型制氧站總體方案主要依據(jù)氧、氮量和氧、氮規(guī)格來(lái)確定。

煤化工項(xiàng)目有用氧、氮?dú)饬烤薮蟆⒁?guī)格多、使用場(chǎng)合多、使用狀態(tài)變化多的特點(diǎn)，給制氧站總體方案和流程的確定帶來(lái)許多困難，需要結(jié)合空分設(shè)備的特點(diǎn)和煤化工項(xiàng)目整體的特點(diǎn)準(zhǔn)確把握。

例如：年產(chǎn)40億方煤制天然氣的項(xiàng)目，根據(jù)氣化工藝的不同，總的用氧量可以從200000Nm3/h以上到600000Nm3/h以上，壓力可以從低壓到高壓。要確定這種超大型制氧站的總規(guī)模，首先需要了解氣化工藝。煤制天然氣采用的氣化技術(shù)比較有優(yōu)勢(shì)的是魯奇的碎煤加壓氣化工藝，但其不利因素是原料煤使用碎煤和氣化產(chǎn)生的污水難處理。為了適應(yīng)現(xiàn)代化采煤粉煤比例大的特點(diǎn)并解決碎煤加壓氣化污水處理難題，一些項(xiàng)目開(kāi)展了碎煤加壓氣化與水煤漿氣化相結(jié)合的嘗試。

按照這種嘗試，需要的總氧氣量約為500000Nm3/h，其中碎煤加壓氣化用氧約173000 Nm3/h，壓力4.8MPa,水煤漿氣化用氧約327000 Nm3/h，壓力6.5MPa或8.7MPa。為便于敘述，水煤漿用氧壓力按8.7MPa

實(shí)際上由于水煤漿氣化爐的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力在50%-110%，魯奇氣化爐的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力在50%-120%，而空分空壓機(jī)組的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力只有75%-105%，若按500000Nm3/h氧氣的總量，制氧站將成為制約項(xiàng)目高負(fù)荷運(yùn)行的瓶頸。因此，制氧站的規(guī)模應(yīng)定為正常供氧540000Nm3/h，其中碎煤加壓氣化用氧約197000 Nm3/h，水煤漿氣化用氧約343000 Nm3/h。與之匹配的超大型制氧站采用的方案選項(xiàng)為：

方案 1：66000X3+70000X5

表1 MAN透平和西門(mén)子壓縮機(jī)組技術(shù)比較

方案 2：98500X2+86000X4

2 超大型制氧站單套設(shè)備制氧能力的分配

超大型制氧站單套設(shè)備制氧能力應(yīng)以安全性、穩(wěn)定性為首選目標(biāo)，同時(shí)考慮投資的經(jīng)濟(jì)性。

就空分裝置本身而言，技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。國(guó)外運(yùn)行的單套空分裝置制氧量已達(dá)到120000 Nm3/h，國(guó)內(nèi)也有95000 Nm3/h的裝置在運(yùn)行，因此，單套空分裝置生產(chǎn)規(guī)模的選擇比較容易，但空分裝置主要的能耗和故障在于空壓機(jī)組，與空分相配套的空壓機(jī)組的選擇是確定空分規(guī)模的關(guān)鍵。出于安全性和穩(wěn)定性的考慮，國(guó)內(nèi)60000Nm3/h以上空分配套機(jī)組多數(shù)采用進(jìn)口設(shè)備，一般為MAN透平和西門(mén)子的產(chǎn)品。

表2 大型空分常用進(jìn)口配套主空壓機(jī)的比較

結(jié)合表1、表2，對(duì)照前述的兩套方案，方案1中可選的主空壓機(jī)形式為RITK140系列，方案2中可選的主空壓機(jī)形式為RITK160系列和軸流+離心。如果采用壓縮機(jī)組與空分裝置非一對(duì)一的形式，不在本文討論范圍之內(nèi)。按此，對(duì)兩方案對(duì)比如下：

表3 空分方案對(duì)比

至于如此巨大規(guī)模的制氧項(xiàng)目是否采用氣體公司供氣的形式則取決于整個(gè)項(xiàng)目的資金狀況，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看項(xiàng)目自建制氧站的經(jīng)濟(jì)性好于采用氣體公司供氣。

3 流程設(shè)計(jì)中需要注意的一些問(wèn)題

針對(duì)煤化工項(xiàng)目配套的超大型制氧站，空分流程盡可能選擇膨脹空氣進(jìn)下塔的內(nèi)壓縮流程且宜簡(jiǎn)不宜繁。

個(gè)別國(guó)外空分制造廠采用液體膨脹機(jī)配發(fā)電機(jī)制動(dòng)代替高壓空氣節(jié)流閥，用來(lái)節(jié)能的做法經(jīng)濟(jì)性雖好，但投資大（以8萬(wàn)等級(jí)空分為例，采用帶發(fā)電的液體膨脹機(jī)每小時(shí)可回收低壓電200kW,設(shè)備投資約600萬(wàn)元，回收期較長(zhǎng)），穩(wěn)定性差，往往還需加高壓空氣節(jié)流旁路，建議少用。特別是當(dāng)?shù)獨(dú)鈮毫Φ燃?jí)較多，開(kāi)、停車(chē)臨時(shí)用氮量大時(shí)，不宜把臨時(shí)用氮?dú)饧{入主流程。低壓氮?dú)獗M量考慮避免從上塔頂部抽取，以降低塔高，減少氮?dú)鈮嚎s功。

例如：某KDON38000/25000空分設(shè)備正常供0.45MPa的氮?dú)?5000Nm3/h，后續(xù)氣化裝置開(kāi)、停車(chē)比正常時(shí)多15000Nm3/h、2.5MPa的氮?dú)?。流程設(shè)計(jì)中考慮從下塔直接抽取25000Nm3/h的氮?dú)?，并且在冷箱?nèi)增加了一組低壓換熱器用于臨時(shí)供氮時(shí)的熱交換，增加一臺(tái)往復(fù)式氮?dú)鈮嚎s機(jī)供15000Nm3/h、2.5MPa的氮?dú)狻?/p>

這種流程設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，設(shè)備投資稍大，增加的低壓換熱器正常工況下閑置，特殊工況和正常工況切換操作較多且在切換時(shí)易引起精餾系統(tǒng)的波動(dòng)，最大供氮工況時(shí)氧產(chǎn)量也將下降到36000Nm3/h。

再者要盡可能避免出現(xiàn)因設(shè)備選型困難而改變流程設(shè)計(jì)造成浪費(fèi)的現(xiàn)象。例如某KDONAr20800/11000/720空分設(shè)備，2.8MPa氮?dú)庥昧繛?000Nm3/h，0.45MPa氮?dú)庥昧繛?000Nm3/h，因液氮泵選型困難，流程設(shè)置成0.45MPa氮?dú)鈴囊旱煤鬁p壓氣化獲得，長(zhǎng)期運(yùn)行能耗不容低估。

4 超大型制氧站的一些工程問(wèn)題

超大型制氧站面臨諸多工程問(wèn)題，主要表現(xiàn)在：超限運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)制作方面；空冷島的設(shè)計(jì)、安裝、防凍方面；是否提取“黃金氣體”方面；應(yīng)急后備方面；儀控系統(tǒng)及大口徑閥門(mén)選擇方面等，在此不一一論述，僅以大流量高壓氧氣輸送為例說(shuō)明其難度。

前例中水煤漿氣化用氧超過(guò)約300000Nm3/h，8.7MPa，能夠滿(mǎn)足輸送要求的氧氣總管為DN600-DN700，國(guó)內(nèi)僅有少數(shù)廠家可以制作，安全設(shè)計(jì)上也介于最新相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限，且在全球尚無(wú)工程先例，采用單一母管還是分管制也是一個(gè)值得深入探討的問(wèn)題。

5 小結(jié)

通過(guò)本文的描述，可以看出：超大型制氧站總體方案需要對(duì)用戶(hù)進(jìn)行調(diào)查了解后確定；制氧站中單套設(shè)備制氧能力的選擇應(yīng)以安全性、穩(wěn)定性為首選目標(biāo)，同時(shí)考慮投資的經(jīng)濟(jì)性，不宜盲目求大，當(dāng)前技術(shù)條件下單套制氧能力以7萬(wàn)左右為宜；制氧站流程設(shè)計(jì)盡可能簡(jiǎn)單以增強(qiáng)運(yùn)行穩(wěn)定性；許多常規(guī)問(wèn)題可能升級(jí)為工程難題，需要引起重視和深入研究。