鄭祥保 楊國鋒

（義馬煤業(yè)綜能新能源有限責任公司 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年國際煤氣化會議資料顯示：2008年國內(nèi)煤氣化項目因停氧造成的損失占到各種故障總損失的27%；另據(jù)有關(guān)資料表明，空分設(shè)備事故中70%來自于主空壓機、汽輪機和空氣增壓機等動設(shè)備。因此超大型制氧站的選擇引起越來越廣泛的重視。

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

煤化工項目有用氧、氮氣量巨大、規(guī)格多、使用場合多、使用狀態(tài)變化多的特點，給制氧站總體方案和流程的確定帶來許多困難，需要結(jié)合空分設(shè)備的特點和煤化工項目整體的特點準確把握。

例如：年產(chǎn)40億方煤制天然氣的項目，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并解決碎煤加壓氣化污水處理難題，一些項目開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

實際上由于水煤漿氣化爐的負荷調(diào)節(jié)能力在50%-110%，魯奇氣化爐的負荷調(diào)節(jié)能力在50%-120%，而空分空壓機組的負荷調(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目高負荷運行的瓶頸。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為：

方案 1：66000X3+70000X5

表1 MAN透平和西門子壓縮機組技術(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，同時考慮投資的經(jīng)濟性。

就空分裝置本身而言，技術(shù)已經(jīng)相當成熟。國外運行的單套空分裝置制氧量已達到120000 Nm3/h，國內(nèi)也有95000 Nm3/h的裝置在運行，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組，與空分相配套的空壓機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，國內(nèi)60000Nm3/h以上空分配套機組多數(shù)采用進口設(shè)備，一般為MAN透平和西門子的產(chǎn)品。

表2 大型空分常用進口配套主空壓機的比較

結(jié)合表1、表2，對照前述的兩套方案，方案1中可選的主空壓機形式為RITK140系列，方案2中可選的主空壓機形式為RITK160系列和軸流+離心。如果采用壓縮機組與空分裝置非一對一的形式，不在本文討論范圍之內(nèi)。按此，對兩方案對比如下：

表3 空分方案對比

至于如此巨大規(guī)模的制氧項目是否采用氣體公司供氣的形式則取決于整個項目的資金狀況，從長遠看項目自建制氧站的經(jīng)濟性好于采用氣體公司供氣。

3 流程設(shè)計中需要注意的一些問題

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

個別國外空分制造廠采用液體膨脹機配發(fā)電機制動代替高壓空氣節(jié)流閥，用來節(jié)能的做法經(jīng)濟性雖好，但投資大（以8萬等級空分為例，采用帶發(fā)電的液體膨脹機每小時可回收低壓電200kW,設(shè)備投資約600萬元，回收期較長），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?shù)獨鈮毫Φ燃壿^多，開、停車臨時用氮量大時，不宜把臨時用氮氣納入主流程。低壓氮氣盡量考慮避免從上塔頂部抽取，以降低塔高，減少氮氣壓縮功。

例如：某KDON38000/25000空分設(shè)備正常供0.45MPa的氮氣25000Nm3/h，后續(xù)氣化裝置開、停車比正常時多15000Nm3/h、2.5MPa的氮氣。流程設(shè)計中考慮從下塔直接抽取25000Nm3/h的氮氣，并且在冷箱內(nèi)增加了一組低壓換熱器用于臨時供氮時的熱交換，增加一臺往復(fù)式氮氣壓縮機供15000Nm3/h、2.5MPa的氮氣。

這種流程設(shè)計比較復(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易引起精餾系統(tǒng)的波動，最大供氮工況時氧產(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)計造成浪費的現(xiàn)象。例如某KDONAr20800/11000/720空分設(shè)備，2.8MPa氮氣用量為5000Nm3/h，0.45MPa氮氣用量為6000Nm3/h，因液氮泵選型困難，流程設(shè)置成0.45MPa氮氣從液氮泵后減壓氣化獲得，長期運行能耗不容低估。

4 超大型制氧站的一些工程問題

超大型制氧站面臨諸多工程問題，主要表現(xiàn)在：超限運輸和現(xiàn)場制作方面；空冷島的設(shè)計、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明其難度。

前例中水煤漿氣化用氧超過約300000Nm3/h，8.7MPa，能夠滿足輸送要求的氧氣總管為DN600-DN700，國內(nèi)僅有少數(shù)廠家可以制作，安全設(shè)計上也介于最新相關(guān)國家標準規(guī)定的極限，且在全球尚無工程先例，采用單一母管還是分管制也是一個值得深入探討的問題。

5 小結(jié)

通過本文的描述，可以看出：超大型制氧站總體方案需要對用戶進行調(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，同時考慮投資的經(jīng)濟性，不宜盲目求大，當前技術(shù)條件下單套制氧能力以7萬左右為宜；制氧站流程設(shè)計盡可能簡單以增強運行穩(wěn)定性；許多常規(guī)問題可能升級為工程難題，需要引起重視和深入研究。