內(nèi)壓縮流程是近期國內(nèi)大型空分國產(chǎn)化的最佳選擇

1、2007年 增刊 85通 一、國內(nèi)大型空分的需求情況隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,特別是近幾年冶金、石化、石油、化肥等領(lǐng)域的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展,給大型空分設(shè)備行業(yè)帶來難得的發(fā)展機遇。業(yè)內(nèi)人士分析認(rèn)為,這些領(lǐng)域在未來幾年內(nèi)對大型空分設(shè)備的需求將迎來新一輪高峰。從冶金行業(yè)的發(fā)展情況來看,國家對于一些高技術(shù)含量、高附加值的鋼鐵產(chǎn)品是重點發(fā)展的。中國冶金行業(yè)專家楊涌源曾對“平衡鋼產(chǎn)量”進(jìn)行過分析,他認(rèn)為,“平衡鋼產(chǎn)量”是一個國家的鋼產(chǎn)量增長到一定程度后達(dá)到平衡(飽和時的鋼產(chǎn)量。中國達(dá)到“平衡鋼產(chǎn)量”的時間預(yù)計為2015年左右,到那時中國的鋼產(chǎn)量將達(dá)到4.5億5億t。按照100萬t鋼產(chǎn)量需要1萬1.5萬m 3/h氧

2、氣的規(guī)模計算,近10年中,冶金行業(yè)對空分設(shè)備的需求量將在150萬225萬m 3/h。再加上舊空分裝置的更新和改造,10年之內(nèi)鋼鐵工業(yè)對空分裝置的總需求將達(dá)到300萬375萬m 3/h。因各鋼鐵企業(yè)情況不同,如果以3萬等級空分設(shè)備為界,大型空分設(shè)備與中小型空分設(shè)備制氧量各占一半的話,3萬等級及以上空分設(shè)備需要5060套,3萬等級以下各類中小型空分設(shè)備估計為150180套。目前,鋼鐵行業(yè)正在進(jìn)行兼并重組,從長遠(yuǎn)來看對大空分設(shè)備的需求將會增加,但從近期來看,可能會因為企業(yè)之間資產(chǎn)、設(shè)備的共享,而擱置一些原本計劃內(nèi)的設(shè)備采購。作為替代能源之一的煤制油項目,按目前在建項目計算,其投資比例約為1.1億元人

3、民幣/萬t煤制油品。根據(jù)現(xiàn)有規(guī)劃,2015年將形成3 000萬t/a的煤制油規(guī)模,近10年期間,該領(lǐng)域?qū)⑼度? 500億元人民幣。根據(jù)現(xiàn)有工藝水平,煤制油項目對空分設(shè)備的需求比例為1.35萬1.4萬m 3氧氣/10萬t煤制油品。按照這個比例,到2015年,該領(lǐng)域?qū)辗衷O(shè)備的需求量將達(dá)到415萬420萬m 3。近年來,我國甲醇產(chǎn)量逐年提高,特別是近3年來年增速都在兩位數(shù)以上。按照規(guī)劃,到2015年甲醇產(chǎn)量將達(dá)到3 000萬t,為此內(nèi)壓縮流程是近期國內(nèi)大型空分國產(chǎn)化的最佳選擇開封空分集團(tuán)有限公司設(shè)計處 劉永軍 朱耀成AbstractIt introduces to domestic require

4、ment of large-scale Air Separate Equipment, compares to the capability of the inner compressing p r o c e s s a n d t h e o u t e r c o m p r e s s i n g p r o c e s s , indicates that the inner compressing process ought to be adopted to large-scale air separate equipment localized at present.2007年

5、增刊86 通用機械 將新增配套空分裝置能力約253萬m 3/h。應(yīng)用于煤化工領(lǐng)域的空分設(shè)備一般規(guī)格都較大,就目前簽訂的煤化工領(lǐng)域空分設(shè)備而言,5萬6萬等級的空分較多。按5萬空分計算,煤制油、甲醇領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生135套左右的設(shè)備需求。乙烯是發(fā)展合成橡膠、合成塑料、合成纖維的基礎(chǔ)原料。乙烯的產(chǎn)量是衡量一個國家石化工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。據(jù)統(tǒng)計,2004年全國共生產(chǎn)乙烯6 265 719t,同比增長2.38%;2005年全國共生產(chǎn)乙烯7 555 274.6t,同比增長20.43%。但是,2005年乙烯當(dāng)量消費達(dá)到1 876萬t,國內(nèi)乙烯產(chǎn)量只能滿足需求的40%左右。預(yù)計到2015年乙烯產(chǎn)量將達(dá)到2 5

6、00萬t,2020年接近4 000萬t。按照這樣的發(fā)展速度,到2015年的10年間,需新增配套空分裝置能力90萬m 3/h左右,預(yù)計需3萬左右空分設(shè)備30套。我國化肥年生產(chǎn)量為4 520萬t,居世界第一位。今后10年產(chǎn)量變化不大,主要是原料的改變,由石腦油和重油改為煤,即“油改煤”。據(jù)統(tǒng)計,一個30萬t/a的化肥廠,在”油改煤”時需配套一個4.8萬m 3/h空分裝置。綜上所述,按照國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃,到2015年期間,我國總的空分設(shè)備需求量為1 050萬1 140萬m 3/h氧當(dāng)量,平均每年需求量為104萬114萬m 3/h氧當(dāng)量,預(yù)計需3萬及以上空分設(shè)備2025套,各類中小型空分設(shè)備不計在內(nèi)(

7、一些中小型空分設(shè)備在其他應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)有較大的發(fā)展,雖然氧容量不大但套數(shù)較多。二、國內(nèi)大型空分國產(chǎn)化的概況1.國內(nèi)首套40 000m 3/h等級大型空分國產(chǎn)化的情況國產(chǎn)首套40 000m 3/h空分裝置項目,是為山東華魯恒升化工股份有限公司30萬t合成氨配套的關(guān)鍵設(shè)備,是國家重大裝置國產(chǎn)化研制項目。該項目由開封空分集團(tuán)有限公司技術(shù)總負(fù)責(zé),并提供主體設(shè)備,空壓機和增壓機由沈陽鼓風(fēng)機廠提供。為保證該項目的圓滿完成,原國家經(jīng)貿(mào)委(現(xiàn)國家發(fā)改委,機械工業(yè)聯(lián)合會專門設(shè)立“40 000m 3/h 空分流程設(shè)計和成套技術(shù)開發(fā)”等8個攻關(guān)課題。該項目于2002年9月簽約,歷時24個月的設(shè)計、制造、安裝調(diào)試(該項目

8、三化建負(fù)責(zé)安裝、華旭公司為項目監(jiān)理,于2004年9月19日一次開車成功順利投產(chǎn),并連續(xù)穩(wěn)定運行至今。2005年6月20日21日,與會專家通過聽取開封空分集團(tuán)和華魯恒升股份有限公司的介紹和到現(xiàn)場參觀考察,一致認(rèn)為:該項目是我國第一套完全自主設(shè)計、制造成套的40 000m 3/h等級空分裝置,該裝置采用分子篩預(yù)凈化、中壓增壓膨脹制冷、高效規(guī)整填料上塔、下塔和全精餾無氫制氬、液氧內(nèi)壓縮等多項當(dāng)今國際先進(jìn)技術(shù);原料空壓機和增壓機采用蒸汽透平一拖二的型式驅(qū)動,控制由D C S系統(tǒng)完成,整套裝置的流程設(shè)計和主要單體設(shè)備設(shè)計合理、技術(shù)先進(jìn)。專家們一致認(rèn)為,山東華魯恒升化工股份有限公司40 000m 3/h

9、空分裝置順利成功投產(chǎn)運行,是中國空分行業(yè)技術(shù)發(fā)展的一個新的里程碑;它表明中國的空氣分離制造業(yè)進(jìn)入了一個新的發(fā)展時期。該項目的圓滿完成,使我國全面掌握了40 000m 3/h等級高壓內(nèi)壓縮空分設(shè)備的設(shè)計、制造技術(shù)及實際運行經(jīng)驗,從而躋身于世界空分技術(shù)強國的行列,同時也為實現(xiàn)6萬等級空分設(shè)備國產(chǎn)化打下了堅實基礎(chǔ)。通過近10個月的運行情況表明,該40 000m 3/h空分項目,完成了“十五”國家重大技術(shù)裝備研制任務(wù),實現(xiàn)了“4萬”空分國產(chǎn)化的原定目標(biāo)。經(jīng)過供需雙方對裝置初步運行工況考核,結(jié)果表明該空分裝置性能完全達(dá)到了設(shè)計工況的指標(biāo)。自主設(shè)計的40 000m 3/h空分流程設(shè)計和成套技術(shù)開發(fā),大型分

10、子篩吸附器、大型高壓換熱器、高壓大型透平膨脹機、大型規(guī)整填料塔等主體設(shè)備的研制,以及氧與氬提取率達(dá)到了世界先進(jìn)水平。經(jīng)過長周期的運行考驗,整套裝置運行穩(wěn)定可靠。證明首套國產(chǎn)40 000m 3/h空分裝置開發(fā)是成功的。該套空分裝置通過考核之后已運行兩年,工況穩(wěn)定正常,說明大型空分裝置國產(chǎn)化技術(shù)在開空集團(tuán)已經(jīng)取得成功,現(xiàn)將本套空分裝置的研制情況介紹如下。在流程計算方面,認(rèn)真研究超高壓空氣、氧氣物性數(shù)據(jù),研究高壓介質(zhì)的傳熱、精餾。內(nèi)壓縮流程相對于外壓縮流程具有操作簡便,安全可靠,產(chǎn)品類別多樣,可以獲得較多液體,占地少,投資省等優(yōu)勢,目前世界上大型空分裝置基本上均采用內(nèi)壓縮工藝流程。為此,開空集團(tuán)在國

11、內(nèi)率先對內(nèi)壓縮流程進(jìn)行研究與開發(fā)。已有幾十套內(nèi)壓縮裝置經(jīng)過考核驗收,證明開封空分集團(tuán)掌握了大型空分內(nèi)壓縮流程技術(shù),這為成套大2007年 增刊 87通 型空分裝置國產(chǎn)化提供了有力的保證?！鞍宋濉?、“九五”期間相繼承擔(dān)“空分設(shè)備用規(guī)整填料塔研究”、“全精餾無氫制氬技術(shù)研究”、“多股流繞管式換熱器”、“高效精餾塔研究”等幾十項國家攻關(guān)項目,這些攻關(guān)目標(biāo)均經(jīng)過在寶鋼“3萬”、鞍鋼“3.5萬”,寧夏“2.8萬”空分裝置實際應(yīng)用的驗證,為“4萬”空分單元設(shè)備的設(shè)計與制造積累了的經(jīng)驗,“4萬大型空分成套設(shè)備研制”是“十五”國家重大技術(shù)裝備研制項目,共有8個課題,開空集團(tuán)承擔(dān)了其中7個子課題,分別是:4萬大型

12、空分流程設(shè)計和成套技術(shù)的開發(fā)。大型分子篩吸附器研制。大型高壓換熱器研制。大型高壓帶液透平膨脹機研制。大型規(guī)整填料塔研制?？辗衷O(shè)備特殊閥門研制。變負(fù)荷智能型集散控制系統(tǒng)研制?！癒 D O N-40000/45850”型空分設(shè)備采用常溫分子篩預(yù)凈化、空氣增壓膨脹、全精餾制氬、液氧泵內(nèi)壓縮流程、DCS控制。(1空氣過濾系統(tǒng) 采用自潔式空氣過濾器,濾紙為進(jìn)口材料、自潔過程由P L C實現(xiàn)自動化控制。(2空氣壓縮系統(tǒng) 由空壓機、空氣增壓機、一拖二汽輪機及公共潤滑油站組成,空壓機、增壓機是由沈鼓制造,汽輪機由杭汽制造。(3空氣預(yù)冷系統(tǒng) 空冷塔、水冷塔均采用散堆填料,在塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用三位一體防帶水措施,

13、主要采取高通量的汽液分布器,旋風(fēng)分離結(jié)構(gòu)等,確?？辗值陌踩\行。(4氨蒸發(fā)器 選用不銹鋼管材,并在氨蒸發(fā)器的上部留有足夠的汽液分離空間,采用浴式工作,保證蒸發(fā)器工作的穩(wěn)定。(5純化系統(tǒng) 采用長周期(240min、臥式雙層床結(jié)構(gòu);蒸汽加熱器采用開封空分集團(tuán)獨家擁有的雙管板結(jié)構(gòu)。(6主換熱器系統(tǒng) 設(shè)置6組中壓板式,設(shè)計壓力4.5M P a;2臺高壓繞管換熱器,設(shè)計壓力9.3M P a。均由開空廠自行設(shè)計制造。(7分餾塔系統(tǒng) 上塔、下塔采用規(guī)整填料塔,填料為蘇爾壽公司產(chǎn)品;為降低冷箱高度,上塔為分兩段,一段坐在主冷上,一段放在基礎(chǔ)上,中間用液體泵連接。主冷采用雙層布置。粗氬塔、精氬塔采用蘇爾壽規(guī)整填

14、料;循環(huán)液氬泵采用2臺,1用1備。高壓氧泵為F L O W S E R V E公司、氬泵為CRYOSTAR公司產(chǎn)品。(8膨脹制冷系統(tǒng) 膨脹機設(shè)置2臺,1用1備,1臺進(jìn)口,另一臺為開空自行設(shè)計制造。為中壓膨脹機,增壓端進(jìn)口壓力為2.7MPa,增壓到4.0MPa,然后膨脹進(jìn)下塔。(9管道選材 由于本裝置冷箱較高,冷箱內(nèi)管道受變形引起應(yīng)力較大,在管道選擇上注意以下:對高壓管道,優(yōu)先選用強度較高的不銹鋼管或5083鋁管;對直徑較小的液體管道,特別是應(yīng)力較大的管道,采用不銹鋼管。2.國內(nèi)大型空分與國際大型空分的差距毫無疑問,隨著冶金行業(yè)、煤制油、甲醇、乙烯以及C O R E X等行業(yè)的發(fā)展,在要求設(shè)備向

15、更大型化方向發(fā)展的同時,也對技術(shù)發(fā)展提出了新的要求。就目前來看,煤化工領(lǐng)域空分設(shè)備的規(guī)格一般在5萬m 3/h以上。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為,5萬m 3/h空分設(shè)備將是今后煤化工領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)配置,也是比較低的規(guī)格配置。到目前為止,法液空、林德、美國空氣制品公司(A P C I均有9萬m 3/h以上空分設(shè)備在運行,10萬m 3/h以上空分設(shè)備也研制成功。而國內(nèi)目前已成功運行的最大空分設(shè)備為湖北安慶的4.8萬m 3/h空分設(shè)備。到2007年,國產(chǎn)6萬m 3/h等級空分設(shè)備將安裝成功并試車。國內(nèi)企業(yè)目前的當(dāng)務(wù)之急,是爭取在7萬8萬m 3/h等級空分設(shè)備上加大產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)力度,力爭在這一等級上實現(xiàn)零的突破,以滿足煤制

16、油、C O R E X等對大型、特大型空分設(shè)備的需求。近幾年,內(nèi)壓縮流程的開發(fā)成功,滿足了化工領(lǐng)域的發(fā)展需要。但是,目前興起的煤制油,甚至冶金領(lǐng)域內(nèi)新采用的部分新工藝,以及隨之而來的I G C C、C O R E X等,對空分流程的要求更加多樣化。按照目前的國家標(biāo)準(zhǔn),深冷法空分設(shè)備,其氧純度在99.6%以上。這似乎形成一種觀念,深冷空分的氧純度是不能低于99.6%的。但是,事實上,許多工藝流程,在空分設(shè)備制出的氧氣里面還會混入一定量的空氣來參與冶金、煤液化的過程。對于深冷空分而言,降低一定的氧產(chǎn)品純度,設(shè)備運行的費用也會相應(yīng)降低。國外已經(jīng)有公司在進(jìn)行這方面的研究,使空分設(shè)備所產(chǎn)氧氣直接達(dá)到煤制

17、油工藝所需的純度,以此降低設(shè)備投資。2002年以前,國內(nèi)空分行業(yè)企2007年 增刊88 通用機械 業(yè)的經(jīng)營只限于設(shè)計制造設(shè)備,而國外企業(yè)都是設(shè)備與氣體并重,甚至一些企業(yè),其氣體的經(jīng)營比重要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)備。為了嘗鮮國際新的經(jīng)營模式,2002年川空集團(tuán)開始投資氣體領(lǐng)域,先后建成重慶永川、江蘇溧陽、山西長治等幾個氣體廠。這些氣體廠都產(chǎn)生了比較好的效益,也開創(chuàng)了國內(nèi)空分設(shè)備制造企業(yè)進(jìn)軍氣體領(lǐng)域的先河。自此以后,國內(nèi)企業(yè)進(jìn)軍氣體領(lǐng)域的步伐就從未停止過。近年來,中國空分行業(yè)在占領(lǐng)國內(nèi)市場的基礎(chǔ)上積極開拓國外市場。2005年,開封空分出口土耳其1.5萬m 3/h空分設(shè)備,杭氧出口塞爾維亞兩套2.1萬m 3/h

18、空分設(shè)備,同年8月,杭氧股份公司又與北京中國化工建設(shè)總公司及伊朗卡維集團(tuán)簽訂兩套6.3萬m 3/h空分設(shè)備的供貨合同。該合同的簽訂,不僅填補了國內(nèi)自主生產(chǎn)6萬等級特大型空分設(shè)備的空白,還進(jìn)一步推動了特大型空分設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步。從“十一五”規(guī)劃及2020遠(yuǎn)景規(guī)劃來看,雖然空分行業(yè)仍將持續(xù)一個較長的快速發(fā)展階段,但從空分行業(yè)技術(shù)發(fā)展情況來看,比較重大的技術(shù)突破都是首先由國外先進(jìn)企業(yè)完成的。值得深思的是,中國在成為空分設(shè)備制造大國之后,如何成為空分設(shè)備設(shè)計的強國,從而真正奠定中國空分在世界空分的領(lǐng)先地位,將是每一個空分人為之努力奮斗的目標(biāo)。三、內(nèi)壓縮流程是近期國內(nèi)大型空分國產(chǎn)化的最佳選擇1. 內(nèi)外壓縮

19、流程簡介一般空分裝置外壓縮流程生產(chǎn)的氧氣、氮氣來自上塔的低壓的氧、氮氣體,經(jīng)換熱器復(fù)熱后出空分冷箱,絕對壓力為0.12M P a。然后由氧氣壓縮機將它壓縮至所需要的壓力(3.1M P a供給用戶。液氧內(nèi)壓縮流程是從冷凝蒸發(fā)器抽取液氧產(chǎn)品,經(jīng)液氧泵壓縮至所需要的壓力(約3.1M P a,再經(jīng)換熱器復(fù)熱、氣化后供給用戶。即它是在冷箱內(nèi)壓縮至所需壓力的。與外壓縮流程相比,有以下特點:1不需要氧氣壓縮機。由于將液體壓縮到相同的壓力所消耗的功率比壓縮相同量的氣體要小得多。并且液氧泵的體積小,結(jié)構(gòu)簡單,費用要比氧氣壓縮機要小得多。2液氧壓縮要比氣氧壓縮安全得多。3由于有大量液氧不斷從主冷中排出,碳?xì)浠衔?/p>

20、不易在主冷中濃縮,有利于設(shè)備的安全運行。4由于液氧復(fù)熱、氣化時的壓力高,換熱器的氧通道需要承受高壓,因此換熱器的成本將有所提高。5液氧氣化的冷量充足,在換熱器的熱端溫差較大,即冷損相對較大,為了保持冷量平衡,要求空氣的壓力較高,空壓機的能耗有所增加。以10 000N m 3/h空分裝置內(nèi)壓流程和外壓流程的性能比較,來說明內(nèi)壓縮流程的性能的優(yōu)劣。2. 內(nèi)外壓縮流程的性能比較10 000N m 3/h空分裝置內(nèi)壓流程和外壓流程的比較。(1 空分裝置產(chǎn)品及消耗1產(chǎn)品規(guī)格表1 10 000Nm 3/h空分裝置產(chǎn)品規(guī)格產(chǎn)品名稱內(nèi)壓縮產(chǎn)量 /(m 3/h 外壓縮產(chǎn)量 /(m 3/h 純 度壓力/MPa(G

21、出界區(qū)溫度/氧 氣10 00010 00099.6%O 2 2.8常溫氮 氣 3 000 3 000100PPmO 2,0.75常溫液 氬3203202PPmO 2 3PPmN 20.1-184注 :測量單位Nm 3/h是在0,0.1013MPa(A情況下測得的.稱為標(biāo)態(tài)流量。2空分裝置的消耗10 000Nm 3/h空分裝置水、電、蒸汽消耗。表2 10 000Nm 3/h空分裝置主要消耗序號項目內(nèi)壓縮軸功率/kW外壓縮軸功率/kW備注1空氣過濾器0.150.152007年 增刊 89通 2空壓機 4 250 4 5003空氣增壓機 2 3503.1油泵電動機1515一用一備3.2加熱器554空氣預(yù)冷、純化系統(tǒng)270一用一備5增壓透平膨脹機組5.1油泵電動機 2.2 2.2一用一備一用一備7氧壓機8