中海油新能源SNG项目空分装置流程特点分析.rtf

空分装置设备和流程特点分析空分装置设备和流程特点分析（中海油新能源准格尔（中海油新能源准格尔 SNG 项目李旭光）项目李旭光）摘要摘要【关键词关键词】特大型空分、内压缩、空压机、精馏塔、设备和流程特点【论文摘要论文摘要】 简略介绍了内压缩流程的技术特点， 重点阐述了 SNG 项目空分装置的流程组织和各单元设备的技术特点，以及目前国内外对于空分各单元设备的技术发展情况一、一、 空分技术概述 空分技术概述1.1 我国空分技术的发展历程1.1 我国空分技术的发展历程 空气分离技术中目前最广泛使用的方法是采用低温精馏的方法来制取氧、 氩、 氮以及其它的稀有气体其原理即：先将气体混合物（空气） 冷却冷凝至液体，然后根据氧、氮、氩各组分蒸发温度的不同，将其精馏分离自 1902 年卡尔林德利用其提出的高压节流制冷循环，发明了第一台具有真正工业意义的空气分离制氧装置， 并于次年试制成功从空气中分离出氧气以来， 距今已有百年的发展历程我国自 50 年代初研制出第一套空分设备后， 经过 50 年的发展， 我国大中型空分流程已经经历了铝带蓄冷器冻结高低压空分流程、 石头蓄冷器冻结全低压空分流程、 切换式换热器冻结全低压空分流程、 常温分子筛净化全低压空分流程、 常温分子筛净化增压膨胀空气流程等五次变革，目前常温分子筛净化全低压填料精馏空分流程已接近国际先进水平。

增压膨胀分子筛净化流程， 是当代空分流程的基础， 最新的空分装置所采用的各种新型式、新技术的流程皆是由此衍生、变型、发展而来林德公司在 1968 年就已开发了常温分子筛吸附净化空气的流程 在七十年代， 由于常温分子筛吸附流程能耗比可逆式切换流程高，虽然它的氧、氮、氩的纯产品较多，却仍应用不广进入八十年代，由于增压透平膨胀机被成功地结合到空分工艺流程中， 当时的国外空分装置几乎同时都开始用增压膨胀分子筛净化流程我国是在 1989 年通过引进消化国外先进技术，成功开发了增压膨胀分子筛净化流程的空分设备近十年来，如规整填料精馏塔、小温差高效冷凝蒸发器、高效率增压透平膨胀机、全精馏提氩、 内压缩空分、 变负荷调峰型空分及大型全液体空分装置等各类最新技术已普遍运用到空分装置中 目前国内空分流程的基本形式是增压膨胀分子筛净化流程， 采用规整填料塔，全精馏提氩随着用户用氧量的增加，国内大型和特大型空分设备也相继研制成功并成功开车 （如上海宝钢 60K 空分、华鲁恒升 48K 空分、中原大化 52K 空分、大唐多伦 58K 空分） 都标志着国内空分制造厂商已有能力在特大型空分领域上与国外著名空分厂商一较高下。

1.21.2 中海油新能源准格尔 SNG 项目空分流程简介中海油新能源准格尔 SNG 项目空分流程简介中海油新能源准格尔SNG项目煤气化装置需要约218000Nm3/h 压力为4.8MPa 的高压氧气供粉煤气化，需要约168800Nm3/h 压力为4.8MPa 的高压氧气供碎煤加压气化，总氧耗为386800Nm3/h为了留够足够的余量以便日后提升后续装置的潜能，空分装置考虑氧气的总规模为430000Nm3/h（可研数据） 可选择4 套107000 Nm3/h（O2）空分装置、5 套86000 Nm3/h（O2）空分装置和7 套62000Nm3/h（O2） 空分装置等三种方案，都属于特大型空分装置装置采用分子筛吸附预净化、增压透平膨胀机及液氧泵内压缩工艺整套设备包括：空气过滤系统、空气压缩系统、空气预冷系统、分子筛纯化系统、分馏塔系统、液体贮存系统、仪控系统、电控系统等 增压膨胀分子筛净化空气膨胀单泵内压缩流程特点简述：增压膨胀分子筛净化空气膨胀单泵内压缩流程特点简述：内压缩流程即氧、氮产品以液体状态从精馏塔中抽出，再在低温液体泵加压至产品所需压力，通过换热器气化复热至带温，以压力氧气、氮气形式输送给用户。

而外压缩流程是图 1 增压膨胀分子筛净化空气膨胀内压缩流程图图 1 增压膨胀分子筛净化空气膨胀内压缩流程图AC空气冷却塔 AF空气过滤器 ATC空气压缩机 AP循环液氩泵 BAC空气增压机C1下塔 C2上塔 C3粗氩塔 I C4粗氩塔 II C5精氩塔 E1主换热器 E2过冷器 EH电加热 ET增压透平膨胀机 K1冷凝蒸发器 MS分子筛吸附器 NTC氮气压缩机OP中压液氧泵 OTC氧气压缩机 SL消声器 WC水冷塔 WP水泵 常温常压的氧气、 氮气出冷箱后再经氧气 （氮气） 压缩机加压至所需压力， 输送至用户使用内压缩流程根据循环介质又分为空气膨胀和氮气膨胀 由于空气循环更有利于精馏， 能耗更低等优势， 大多数内压缩空分采用空气膨胀 一些化工企业对氮气的压力和产量都有诸多要求，同时产品规格也较多，此时可以采用氮气循环我项目采用空气膨胀、空气循环流程内压缩流程最主要的变化（相对于外压缩流程）是精馏系统和换热系统从精馏塔抽取大量液氧、液氮，改变了上、下塔的液气比为复热中压液氧（液氮） 需引入中、高压压缩空气（或氮气）作为热源，在换热器中进行热交换为保证换热器换热所需的最小温差，这股中、高压空气的流量和压力都高于液氧（或液氮）的流量和压力。

我项目内压缩流程，氧气压力 4.8MPa，空气增压机的排压力在 7.2MPa 左右安全性好由于用液氧泵代替氧压机压缩氧气，无高温气氧，避免了氧气在透平氧压机高速旋转运行时潜在的危险性 ； 另外从主冷抽取了大量的液氧，带走液氧中有害的碳氢化合物、氧化亚氮，能防止它们在主冷的积聚内压缩流程在换热组织及精馏组织与外压缩流程不同外，其它如填料塔、全精馏制氩、增压透平膨胀机、分子筛吸附等技术的采用是一样的氧的提取率与外压缩流程相当，可达 99%以上，氩提取率比外压缩流程高多数内压缩流程采用膨胀空气进下塔，此时氩提取率可达 92%以上内压缩流程的不可逆损失较外压缩流程大，因此在同等规模情况下，能耗要高 26%（有些文献资料记载为 10%）内压缩空分设备中的空气增压机和外压缩空分设备的氧压机效率不同， 进口和国产机器效率的差异会使能耗指标比较出现不一样的结果我项目采用内压缩空气膨胀进下塔流程，不存在旁通问题，所有的膨胀空气都进下塔参与精馏，膨胀量没有大的限制，故可以得到较高的液体产量因此内压缩流程（空气膨胀进下塔）正常产液量可占气氧量的 1015%，变工况时可达氧气量的 3040%采用一用一备（或两用一备）的液氧泵（液氮泵）工作机制，备用低温液体泵为备用（低速怠转）。

当工作泵出现故障，则备用泵在 10s 内可达到 100%工作负荷内压缩空分设备产液量较大，膨胀机制冷量较富裕，设备的启动时间比外压缩空分设备要短，一般在24 小时空气增压机维护工作量小于氧气透平压缩机因此从可靠性来说内压缩流程会更高国产内压缩流程空分设备中：原料空压机，空气增压机，中压透平膨胀机，低温液体泵以及高压液体节流阀，一般采用进口产品 二、空分装置主要设备和流程组织分析二、空分装置主要设备和流程组织分析空分设备是许多个单元设备和部机组成的成套机组 主要有空气压缩机、 空气预冷系统、分子筛纯化器、空气增压压缩机、膨胀机、主换热器、精馏塔、低温液体泵、低温贮槽、阀门、（氧气压缩机和氮气压缩机）等组成2.1 原料空气压缩机的技术比较2.1 原料空气压缩机的技术比较2.1.1 空气透平压缩机的主要型式2.1.1 空气透平压缩机的主要型式大型空分设备所配的空气压缩机型式主要为离心式，特大型空分设备在空气量超过250000Nm3/h，则多配套轴流式+离心式中小型空分设备装置主要用离心式、活塞式、螺杆式空气压缩机 目前中大型空压机主要型式有：1、多轴齿轮式多级离心压缩机；2、单轴多级离心式压缩机。

多轴压缩机特点：1、 效率高，每级叶轮与转速匹配较好；2、 调节范围大；3、 单级压比大；4、 噪音较高；5、 结构紧凑单轴压缩机特点：1、 机组运行平稳可靠；2、 单级压比较小，级数较多；3、 级数较多意味需更多次的中间冷却；4、 更接近等温压缩；5、 噪音较小；2.1.2 国内大型压缩机情况2.1.2 国内大型压缩机情况目前，国内大型空压机（60000Nm3/h 装置以上）基本上采用进口，主要原因：1、 虽然目前国内也采用了先进的三元流理论设计，用 NREC 叶轮设计制造软件进行叶轮流道设计及流场分析， 并用五轴联动数控加工中心加工叶轮， 再辅助其他相对先进的技术和制造能力的保证，国产空压机的等温效率和可靠性也有很大提高 但总体来说沈鼓（国内离心机制造龙头厂家） 配 60000Nm3/h 空分的离心压缩机业绩还比较少， 事故率也比较高 ；2、 空压机的主要指标是功率消耗， 因为这直接关系到空分装置的能耗水平 大型空分装置 80%的能量消耗是用于原料空气压缩机 国内压缩机等温效率较低， 等温效率约为 6570%，而国外压缩机效率为 7580%，能耗相差较大；3、 空压机的长周期安全稳定的运行是空分装置可靠的首要保证。

国内主要空压机制造厂家为了消除经过空气过滤器后仍存在的少量极微小尘埃颗粒在流道中沉积， 引起空压机效率下降和出现不平衡而造成轴振动过高等现象， 空压机也配置了叶轮水冲洗装置 一般在第一级和第二级叶轮进行冲洗， 而叶轮的冲洗时间则通过计算机自动控制或人为设置间隔时间实施不停机而对叶轮进行清洗的技术可大大延长空压机不停车检修而连续运转的时间 但机组稳定运行的可靠性方面，进口设备要远优于国产2.1.3 国外大型压缩机生产厂家2.1.3 国外大型压缩机生产厂家近十年来， 在经济全球化和激烈竞争的背景下， 国外离心压缩机制造业也经历了不断的并购重组2000 年，日本 EBARA（荏原）公司购买了美国 ELLIOTT（埃利沃特）公司的全部股份，组建了 ELLIOTT-EBARA 透平机械公司2001 年，德国 MAN 集团重组了 GHH BOSIG（盖哈哈） 和苏尔寿， 形成了 MANTURBO（曼透平） 公司 ； SIEMENS（西门子） 并购了 DEMAG DELEVAL（德马格）公司，重组为 SIEMENS 透平机械部1994 年以来， GE 并购了新比隆、AC 等压缩机制造厂，成为压缩机行业的领先企业。

国内的压缩机制造企业也进行了兼并重组，沈阳鼓风机厂重组了沈阳气体压缩机厂，锦西化机压缩机部分被 SIEMENS 收购，成为 SIEMENS 葫芦岛透平公司经过重组整合，过去一些著名的压缩机制造企业，如苏尔寿、DEMAG、GHH 等都改换了门庭，国外大型离心压缩机制造商形成 GE、SIEMENS、MAN TURBO、MHI(三菱重工)、DRESSER-RAND（德莱赛兰）、 INGERSOLL RAND（英格索兰）和 ELLIOTT-EBARA 等大型离心压缩机集团企业上述国外公司在技术实力和品牌上有一定的差别，价格上也相差较大，而 SIEMENS 和MAN TURBO 几乎瓜分了特大型空分装置配套的大型空压机市场2.2 循环空气增压机2.2 循环空气增压机内压缩流程的特点为冷箱出口的产品压力即为使用要求压力， 所以， 根据用户要求的压力不同，设计的高压主换热器所需承受的压力也不同从换热的角度看，液体在临界压力以上的气化过程与临界压力以下时有很大的不同 前者当温度达到临界温度时， 直接由液态变为气态，没有相变的阶段 ； 而后者在达到饱和温度(低于临界温度)时，有一个维持温度不变的气化阶段。

而正流空气在换热器中被冷却的过程是没有相变的为了使二者在换热器内有尽可能小的传热温差， 对于低于临界压力时的液氧气化， 要求通过高压换热器的空气流量大于氧气流量，并且最佳压力为氧气压力的 22.3 倍；超过临界压力时为 1.31.6 倍通过理论计算，当产品氧压力为 3.8MPa 时，取空气的压力为7.1MPa而原料空压机的压力是满足下塔所需的压力，在 0.6MPa 左右为此，必须配置有循环空气增压机来提高空气压力，它可与增压膨胀机侧的增压机结合起来设置内压缩流程采用循环空气增压机一般为两段， 即中抽。