煤化工用中空分裝置節(jié)能與安全運(yùn)行的研究

煤化工用中空分裝置節(jié)能與安全運(yùn)行的研究

空分裝置的用量眾所周知，大多數(shù)新氣化爐的生產(chǎn)與氧氣有關(guān)。無(wú)論是魯奇天然氣、德尚古氣、還是目前的gsp氣化爐，都需要氧氣作為空氣測(cè)試劑。在目前我國(guó)還不能實(shí)現(xiàn)區(qū)域供氧、社會(huì)化供氣的情況下,生產(chǎn)中只能依靠企業(yè)自備空分裝置制氧。因此,如何保證空分裝置在煤化工生產(chǎn)中的安全運(yùn)行,對(duì)煤化工企業(yè)來(lái)說(shuō)尤為重要。本文從運(yùn)用行業(yè)成熟技術(shù)和提高裝置的安全性能兩方面,對(duì)煤化工企業(yè)中空分裝置的節(jié)能降耗和安全運(yùn)行問(wèn)題進(jìn)行了分析。1能耗集成系統(tǒng)空分裝置是一種高能耗設(shè)備。在化工行業(yè)中,制氧能耗約占總能耗的10%,甚至更大,所以降低空分設(shè)備的能耗是化工行業(yè)節(jié)能控潛、提高經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑之一。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外空分行業(yè)新技術(shù)發(fā)展很快,繼20世紀(jì)80年代后期分子篩吸附和增壓透平膨脹等節(jié)能降耗新技術(shù)日趨成熟后,國(guó)外LINDE、APCI、BOC等空分設(shè)備制造商依據(jù)其雄厚的資本,在探索制造新工藝和設(shè)備技術(shù)改造方面取得了驚人的成就。1.1提高壓機(jī)的效率低壓空氣分離的主要耗能設(shè)備是空壓機(jī),空壓機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算及制造工藝的改進(jìn)使空壓機(jī)的效率大為提高。近年來(lái),制氧行業(yè)已開(kāi)始采用等溫型空氣壓縮機(jī),這種壓縮機(jī)采用三元流葉輪,冷卻效果好,等溫效率較高,可以實(shí)現(xiàn)在較小的動(dòng)力消耗下進(jìn)行高效的壓縮,比傳統(tǒng)空壓機(jī)的能耗降低3%,在大容量的壓縮機(jī)中其優(yōu)勢(shì)更為明顯。1.2氧壓機(jī)能耗特性近年來(lái),除了空分等級(jí)的提高外,在空氣精餾中最重要的一個(gè)進(jìn)展就是用規(guī)整填料取代了篩板。規(guī)整填料塔具有壓降小、塔徑小、操作彈性范圍大、能耗低的顯著優(yōu)點(diǎn),采用規(guī)整填料可有效地降低上塔阻力,提高分離效率和操作穩(wěn)定性。它使上塔底部壓力和空壓機(jī)排壓降低尤為突出。資料顯示,其上塔阻力可降至普通篩板塔的15%～20%。表1為空分裝置使用篩板塔和填料塔各段阻力的比較。第68頁(yè)圖1給出了下塔操作壓力與相對(duì)能耗之間的關(guān)系。從圖1可以看出,能耗隨著操作壓力的降低而降低。規(guī)整填料的應(yīng)用,強(qiáng)化了精餾,提高了產(chǎn)品提取率,增大了氧產(chǎn)量,減小了精餾阻力,從而降低了空壓機(jī)的排壓,達(dá)到高效節(jié)能的目的,可使精餾塔的氧提取率達(dá)到96%～99%或更高。計(jì)算表明,當(dāng)上塔底部的壓力降低Δp時(shí),可使下塔頂部的壓力降低3Δp,因此,上塔采用規(guī)整填料后,理論上可節(jié)能約8%。在實(shí)際運(yùn)行中采用此項(xiàng)技術(shù),能耗約下降4%～5%。由于上塔阻力明顯下降,因此進(jìn)入下塔原料空氣的壓力也無(wú)需常規(guī)那樣高。這就意味著,空壓機(jī)只需較低的出口壓力即可滿(mǎn)足全流程需求,空壓機(jī)的能耗隨之下降,所配電機(jī)功率自然減小。表2為美國(guó)Praxair公司生產(chǎn)的15000m3/h(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))制氧機(jī)采用填料塔與篩板塔機(jī)組有關(guān)指標(biāo)對(duì)比。使用填料塔壓降減小所反映的另一方面是出塔產(chǎn)品氣體壓力升高。目前,氧壓機(jī)多為離心式的,所需功率和壓縮比有關(guān),其等溫壓縮所需電機(jī)功率如公式(1):N=Qv/(102×3600)×RT×ln(p2/p1)(1)由公式(1)可以看出,當(dāng)其他條件不變時(shí),p1增加,N減小。表3為采用篩板塔和填料塔2種流程配套的氧壓機(jī)有關(guān)參數(shù)對(duì)比。進(jìn)口氧壓機(jī)電機(jī)容量減小,雖有氧壓機(jī)本身的效率因素,但主要是氧壓機(jī)吸入壓力提高而造成的。不言而喻,其吸入壓力所以能提高的關(guān)鍵是采用了阻力降很小的填料塔。1.3空冷機(jī)組的應(yīng)用在用戶(hù)所用氧氮體積比為1∶1的情況下,流程中可考慮設(shè)置一水冷卻塔,它利用富余的污氮和氮?dú)獾牟伙柡托?吸濕性),在氮?dú)馔ㄟ^(guò)水冷卻塔冷卻水時(shí)攜帶大量的水分,而水分的蒸發(fā)需要潛熱,在短暫的流通過(guò)程中,水分的蒸發(fā)難以從外界獲得熱量,只能吸收水的內(nèi)能而進(jìn)行氣化,使水溫降至12℃～13℃供空冷塔上段使用,此時(shí)空冷塔出塔空氣溫度達(dá)到14℃,這一溫度可完全滿(mǎn)足空分工藝要求。因此,取消冷水機(jī)組就變得切實(shí)可行了。取消冷水機(jī)組后,整套空分裝置的能耗可下降約2%。目前,這種流程正逐漸成為一種國(guó)際趨勢(shì),它有效地利用了富余氮?dú)夂臀鄣?使設(shè)備能耗進(jìn)一步下降,工藝進(jìn)一步簡(jiǎn)化,用戶(hù)使用和維護(hù)也更趨簡(jiǎn)便。2碳?xì)浠衔飶闹骼渲谢厥盏脑蚩辗盅b置發(fā)生爆炸的部位一般是主冷凝蒸發(fā)器和氧壓機(jī)。前者主要是由空氣中的碳?xì)浠衔镌谥骼渲車(chē)e聚及微量碳?xì)浠衔锕腆w顆粒堵塞主冷內(nèi)翅片引起的;后者主要是因作為強(qiáng)助燃劑的氧氣遇明火氣體急驟膨脹引起的。如何消除這些隱患一直是業(yè)內(nèi)同仁多年來(lái)努力解決的難點(diǎn)問(wèn)題之一。2.1分子篩吸附器和切換系統(tǒng)的可靠性采用長(zhǎng)周期、雙層床凈化、無(wú)沖擊切換控制技術(shù)、雙層床結(jié)構(gòu)(活性氧化鋁+分子篩)分子篩吸附器吸附空氣中的水、二氧化碳、乙炔、丙稀、丙烷、重?zé)N、N2O等雜質(zhì),可將有害氣體成分在進(jìn)入分餾塔之前予以徹底清除,從源頭上消除了引起主冷凝蒸發(fā)器爆炸的隱患。吸附器底層活性氧化鋁床層可有效地保護(hù)分子篩,延長(zhǎng)分子篩使用壽命。采用雙層床則可使吸附器再生阻力下降,再生溫度降低,節(jié)約再生能耗。切換系統(tǒng)采用DCS自動(dòng)控制,并設(shè)有壓力壓差自動(dòng)判斷,配合閥位返饋信號(hào),可充分保證切換系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)空分設(shè)備工藝要求,在常溫分子篩吸附器出口設(shè)置CO2分析儀在線監(jiān)控,控制該處φ(CO2)≤1×10-6。在這種情況下,水分、乙炔等有害雜質(zhì)都能被清除干凈,空分設(shè)備的運(yùn)行安全可靠。一旦φ(CO2)≥1×10-6,則應(yīng)分析、查找原因,或縮短分子篩吸附周期。2.2完善為液氧泵的管道除了在空氣純化系統(tǒng)采用高效分子篩有效去除空氣中有害雜質(zhì)外,采用液氧內(nèi)壓縮也不失為一種有效途徑。如前所述,由于將液氧內(nèi)壓縮改氧壓機(jī)為液氧泵,使得壓力升高過(guò)程在液體階段就已完成,安全性大大提高。加之,液氧泵是置于冷箱內(nèi)部的,液氧直接氣化去用戶(hù),避免了高壓氧氣管道在廠房?jī)?nèi)穿來(lái)穿去的弊端,也使空壓機(jī)廠房的安全性能大大改善。另外,上塔主冷周?chē)a(chǎn)生的液氧,要源源不斷地經(jīng)液氧泵抽出,加壓后供用戶(hù),使其中有害雜質(zhì)無(wú)法聚集,形不成爆炸濃度,從根本上杜絕了空分塔發(fā)生爆炸的隱患。所以,液氧內(nèi)壓縮流程是優(yōu)于普通的氧壓機(jī)且安全可靠的流程。2.3單元的密封主冷凝蒸發(fā)器板翅式單元設(shè)計(jì)時(shí),翅片翅距要稀疏一些,防止運(yùn)行時(shí)液氧中組分結(jié)晶,產(chǎn)生堵塞。主冷凝蒸發(fā)器板翅式單元制造時(shí),環(huán)境要清潔,防止機(jī)械雜質(zhì)進(jìn)入通道,造成流道不暢或堵塞,埋下安全隱患。在工程設(shè)計(jì)中,主冷凝蒸發(fā)器要按照規(guī)范和制造廠要求,嚴(yán)格接地,防止靜電積