我國石油資源短缺 , 很大程度上依賴進口。雖然幾家公司在鄂爾多斯建設(shè)的年產(chǎn)甲醇 420 萬噸和二甲醚300萬噸項目。預(yù)計煤制油項目在2015年將形成1000萬～2000萬噸規(guī)模 , 2025年將達 4000萬～5000萬噸規(guī)模。作為煤化工項目配套的關(guān)鍵裝備 , 現(xiàn)代煤化工型空分設(shè)備將隨著現(xiàn)代煤化工的發(fā)展而成為空分行業(yè)新的業(yè)績增長點 , 形勢見好。

1、煤化工型內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備的特點

在現(xiàn)代煤化工領(lǐng)域中 , 空分設(shè)備主要提供氧氣和氮氣。氧氣主要是作為氣化劑和反應(yīng)原料 , 不同壓力等級的氮氣則作為原料氮氣、惰性保護氣、氣力輸送氣和吹掃氣。過去, 國內(nèi)煤化工領(lǐng)域煤氣化過程基本上采用空氣、富氧或低壓純氧作為氣化劑 , 氣化效率、碳轉(zhuǎn)化率和氣化爐能力均很低 。隨著煤氣化技術(shù)的進步 , 現(xiàn)代煤氣化向高壓化(4～利用 , 降低合成氣的壓縮能耗或?qū)崿F(xiàn)等壓合成 , 并達到15m pa) 和大型化發(fā)展, 從而實現(xiàn)能量高效回收。

配套中石化安慶分公司煤化工項目的48000m3/h空分設(shè)備為例, 根據(jù)shell粉煤氣化工藝、合成 氨工藝以及全廠的用氣需要, 空分設(shè)備向煤氣化裝置提供812m pa超高壓氮氣用于煤粉氣輸 送, 4152m pa的高壓氧氣用作氣化劑, 017m pa的低壓 氮氣用于磨粉時的惰性氣體保護及煤粉的干燥 , 312m pa 的中壓氮氣用于合成氨的原料氮氣 ; 另 外,提供 212m pa 的中壓氮氣用于煉油和腈綸裝置, 0146m pa的低壓氮氣用于低溫甲醇洗裝置的氣提過程; 除此之外, 該空分設(shè)備還必須向全廠提供儀表空氣和工廠用空氣。由此可見, 煤化工型空分設(shè)備的氧 、氮氣產(chǎn)品參數(shù)均必須與煤化工主工藝 要求相配套,不同的煤化工項目和氣化爐特點決定了配套空分設(shè)備的規(guī)模和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)?？偟膩碚f, 現(xiàn)代煤化工型空分設(shè)備具有以下顯著特點: (1) 產(chǎn)氣規(guī)模大; (2)氣體產(chǎn)品壓力等級高；便于實現(xiàn)自動控制和優(yōu)化操作、降低能耗和生產(chǎn)成本。典型的煤氣化爐有德士古爐 (texaco, 氣化壓力達615～815m pa )和殼牌爐(shell, 氣化壓力為2～4m pa),我國新建設(shè)的煤化工型項目采用的氣化爐主要基于這兩種技術(shù)類型。與一般的冶金型空分設(shè)備相比 , 現(xiàn)代煤化工型空分設(shè)備所提供的氧、氮氣產(chǎn)品的規(guī)格比較多。(3)氣體產(chǎn)品規(guī)格多;(4)氧、氮氣產(chǎn)品使用連續(xù)性高, 壓力波動范圍要求小 。

2、煤化工型內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備的流程形式及選擇

煤化工型空分設(shè)備的流程組織形式比較多，分類方式有4種。根據(jù)循環(huán)壓縮機壓縮介質(zhì)的不同，流程形式可以分為空氣增壓循環(huán)和氮氣增壓循環(huán)；根據(jù)膨脹后空氣進塔位置的不同，空氣增壓內(nèi)壓縮流程又可以分為膨脹空氣進上塔流程和膨脹空氣進下塔流程；根據(jù)產(chǎn)品壓縮情況，可以分為單泵內(nèi)壓縮流程和多泵內(nèi)壓縮流程；根據(jù)是否生產(chǎn)氬氣，還可以分為產(chǎn)氬流程和不產(chǎn)氬流程。選擇一種合適的流程組織形式，不僅可以節(jié)省一部分的固定投資費用，更主要的是可以降低運行能耗，對于進行氣體投資的公司來說，這一點相當(dāng)重要。如何選擇一種合理的流程組織形式？首先，應(yīng)該全面了解一個煤化工項目的具體用氣情況，包括項目所需氧氮氣總量、氧氮氣比例、液體產(chǎn)品產(chǎn)量、氧氮氣的溫度、氧氮氣的規(guī)格以及是否產(chǎn)氬等；其次，對不同的流程組織形式進行優(yōu)化計算，考察各自的能耗和各自所需的單元設(shè)備是否有供貨保證和運輸保證；再者，考慮流程是否能和原有的空分設(shè)備管網(wǎng)系統(tǒng)兼容；Zui后，需要綜合考慮產(chǎn)品氣體用于煤化工項目時的整體能耗情。例如，凱合公司在設(shè)計某個空分設(shè)備項目時，比較了空氣增壓循環(huán)流程和氮氣增壓循環(huán)流程空分設(shè)備的能耗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對于空分設(shè)備來說，采用氮氣增壓循環(huán)流程比采用空氣增壓循環(huán)流程能耗高出約300kw。但是煤化工項目主工藝流程要求高況壓氮氣的溫度大于80℃，如果采用空氣增壓循環(huán)流程還需用低壓蒸汽對高壓氮氣進行加熱，能耗約500kw。因而從整個項目來看，采用氮氣增壓循環(huán)流程更節(jié)能 。

目前，煤化工項目的空分設(shè)備有兩種投資模式：一部分項目是將空分設(shè)備與整體項目一起運作，對空分流程的要求是項目整體節(jié)能；另外，有些大型煤化工項目趨向于將空分設(shè)備從整體項目中剝離出來，讓氣體投資公司來接手，而氣體投資公 司更希望空分設(shè)備本身節(jié)能。所以即使是配套于同一個煤化工主工藝，空分流程組織形式也有不同。對煤化工型空分設(shè)備來說，盡管選擇一種合理的流程形式過程比較復(fù)雜，但還是有一定的規(guī)律可循。一般情況下，空氣增壓循環(huán)流程是煤化工型空分設(shè)備中使用較多的流程組織形式。一些化肥廠要求氮氣壓力比較高、流量大和壓力等級比較多，采用氮氣循環(huán)流程比較合適。對于液氧和液氮需求量比較大的情況，采用膨脹空氣進下塔流程比較好，可以節(jié)省加熱用的能耗。我國的煤化工項目大部分集中在西北地區(qū)和經(jīng)濟不發(fā)達地區(qū)，這些地區(qū)一般對氬產(chǎn)品的需求量很小，而且由于運輸不方便，加之產(chǎn)地離Zui近的氬需求地很遠，完全沒有競爭優(yōu)勢，因而配套空分設(shè)備對氬產(chǎn)品要求不高，甚至不需要產(chǎn)氬，于是在流程選擇上，完全可以選擇幾套空分設(shè)備共用一個增效塔的形式 , 以節(jié)省投資和能耗。

3、煤化工型空分設(shè)備的單元設(shè)備

由于流程組織形式、工藝參數(shù)的變化，煤化工型空分設(shè)備的一些核心單元設(shè)備的規(guī)模和性能要求也發(fā)生了變化，甚至增加或取消了一些單元設(shè)備，如增加了高壓低溫液體泵和液氧工藝泵，取消了氧壓機等。

3-1、大流量壓縮系統(tǒng)與常規(guī)的冶金型外壓縮流程空分設(shè)備相比，煤化工型內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備需要配套增壓系統(tǒng)，為高壓液氧或液氮的復(fù)熱提供一股高壓熱氣體進行換熱。由于煤化工型空分設(shè)備規(guī)模較大，配套的原料空壓機組和增壓機組規(guī)模也比較大。目前，為大型煤化工型空分設(shè)備配套的原料空壓機流量動輒超過20萬m3/h，增壓循環(huán)壓縮機的流量則更大。目前國際上能為煤化工型空分設(shè)備配套空壓機和增壓機的公司有man、ghh等，國內(nèi)沈鼓、陜鼓也開始生產(chǎn)大流量空壓機。一般55000m3/h等級以下的煤化工型空分設(shè)備常采用等溫離心壓縮機，而這一等級以上往往采用單缸外冷軸流加離心等溫壓縮機。由于煤化工型項目往往自產(chǎn)蒸汽，因而原料空壓機和增壓機通常采用蒸汽輪機拖動。

3-2、中壓膨脹機煤化工型空分設(shè)備的透平膨脹機增壓端進口氣體往往取自增壓機ⅰ段出口，因而經(jīng)增壓后，壓力會達到4m pa，有些流程甚至從增壓機ⅱ段后取氣增壓，此時壓力會達到7～8m pa，這給透平膨脹機技術(shù)提出新的課題。目前，我國煤化工型空分設(shè)備配套的中壓透平膨脹機主要采用進口產(chǎn)品 , 供貨商主 要 有 atlas 、ge、cryostar、acd等。過去，與國際上知名產(chǎn)品相比，國產(chǎn)膨脹機膨脹量小、壓力低；膨脹機和增壓機的等熵效率及功轉(zhuǎn)換率偏低；止推軸承可靠性差，容易燒軸；膨脹機主軸與葉輪的連接方式落后，反復(fù)裝卸能力差。凱合公司經(jīng)過努力后，攻克了很多技術(shù)難點，已能完成大流量中壓膨脹機的設(shè)計、制造，其產(chǎn)品已成功應(yīng)用于大型煤化工型空分設(shè)備。可見，我國已完全具備生產(chǎn)大流量中壓透平膨脹機的能力。

煤化工型空分設(shè)備涉及到多股高壓流體的換熱，因而需要高壓的多股流換熱器。過去，國際上一直以來采用多股流繞管式換熱器，如林德公司等。我國在20世紀(jì)90年代引進的南化40000m3/h空分設(shè)備和渭化28000m3/h空分設(shè)備也還是采用高壓繞管式換熱器。2002年后，國外部分空分設(shè)備供貨廠家才開始考慮采用高壓板翅式換熱器。從多個角度來看，采用鋁制板翅式換熱器要比采用高壓繞管式換熱器更有優(yōu)勢：

(1)翅片結(jié)構(gòu)高擾動性、鋁制金屬高導(dǎo)熱性以及小的當(dāng)量直徑(板翅式換熱器de=115～4mm，繞管式換熱器通常de=5～15mm)，提高了其換小。爐和翅片沖制線進行升級，2002年添置了1臺大型真空釬接爐，重新研究了釬接條件，使得Zui大焊 接尺寸規(guī)格可達1300mm×1500mm×7500mm, Zui熱效果；

(2)擴展的二次表面(比表面積可達1000～3000m2/m3)，縮小了換熱器體積；鋁材使用減輕了換熱器重量，節(jié)約了換熱器成本；

(3)小溫差換熱降低了換熱損耗和能耗；

(4)板翅式換熱器性能穩(wěn)定，運行時溫差應(yīng)力。

高壓力和大尺寸一直是鋁制板翅式換熱器的制造難點，兩者很難協(xié)調(diào)。國內(nèi)生產(chǎn)低壓板翅式換熱器有一定的技術(shù)基礎(chǔ)，換熱器尺寸規(guī)格已可達到1300mm×1300mm×6000mm。

3-3、大型高壓板翅式換熱器

高壓力達8m pa，現(xiàn)正努力使其達到10m pa。與法國、美國等公司生產(chǎn)的大型鋁制板翅式換熱器的Zui高設(shè)計壓力(11m pa)相比，差距已很小。

3-4、大型精餾塔煤化工型空分設(shè)備的精餾塔主要特點是體積大，50000m3/h等級煤化工型空分設(shè)備的塔徑已達到4000mm，60000m3/h等級空分設(shè)備則要達到4800mm。塔尺寸的增大給制造和運輸都帶來困難。此外，常規(guī)空分設(shè)備下塔的二溢流篩板塔也已滿足不了需要。國內(nèi)以杭氧、凱合為代表的空分設(shè)備制造公司已攻克各種技術(shù)難關(guān)，能夠設(shè)計、制造直徑為 4800mm的精餾塔上塔和直徑為4800mm的四溢流篩板塔下塔，所制造的精餾塔不僅已應(yīng)用到自己成套的大型煤化工型空分設(shè)備中，還為國外空分設(shè)備制造公司設(shè)計制造。這表明我國已完全具備設(shè)計制造60000m3/h等級煤化工型空分設(shè)備精餾塔的能力。為解決大型塔器的運輸問題，目前50000m3/h等級以上的煤化工型空分設(shè)備基本上采用上塔落地布置、主冷獨立布置的方式。

3-5、高壓低溫離心液體泵煤化工型空分設(shè)備Zui大的特點就是采用高壓離心液體泵提高產(chǎn)品的壓力。不得不承認(rèn)的是我國在 高壓低溫離心液體泵的研發(fā)、設(shè)計和制造能力上與國際先進水平相比確實落后。目前，煤化工型空分設(shè)備上配套的高壓液氧泵和高壓液氮泵均為進口產(chǎn)品，配套數(shù)量較多的是cryomec、cryostar和sefo生產(chǎn)的泵，價格非常高。

4、煤化工型空分設(shè)備設(shè)計時要重視的問題

現(xiàn)代煤化工裝置的規(guī)模越來越大，國家對其規(guī)模也設(shè)立了準(zhǔn)入門檻。特別是2006年7月，國家發(fā)改委下發(fā)了《關(guān)于加強煤化工項目建設(shè)管理促進產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知》要求各地不再批準(zhǔn)年產(chǎn)規(guī)，模在300萬噸以下的煤制油項目 、100萬噸以下的甲醇和二甲醚項目以及60萬噸以下的煤制烯烴項目。這樣必然需要配套大容量的氧、氮氣生產(chǎn)設(shè)備。為了降低投資、節(jié)約用地、減少維護工作量，降低操作成本，空分設(shè)備應(yīng)該大型化，以減少設(shè)備的套數(shù)。由于煤化工項目大多集中在西北等內(nèi)陸，因而大型煤化工型空分設(shè)備的運輸面臨很大的困難。空分設(shè)備制造商必須要在設(shè)計上下功夫，各項新技術(shù)的應(yīng)用必須要考慮運輸問題。現(xiàn)代煤化工項目規(guī)模大、資金投入量大，一旦某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，損失不可估量，因而必須要保證項目每個單元的穩(wěn)定運行?？辗衷O(shè)備作為煤化工項目的重要單元，必須要為煤化工主工藝提供符合要求的氧、氮氣產(chǎn)品。由于大型的煤化工項目往往由多套空分設(shè)備聯(lián)合供氣，部分空分設(shè)備的停開車必須減少氣化爐氧氣工藝參數(shù)的波動，設(shè)計時應(yīng)該 考慮煤化工主工藝與空分設(shè)備的聯(lián)動或聯(lián)鎖。煤化工項目所在的區(qū)域往往存在著大量由項目本身產(chǎn)生的二氧化碳、烴類物質(zhì)以及煤炭粉塵；此外，這些項目大多處在我國西北地區(qū)，這些地區(qū)多沙塵天氣，有時甚至是沙塵暴，惡劣的環(huán)境因素對 空分設(shè)備的安全運行構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。世界上多起空分設(shè)備爆炸事故都是因為設(shè)計缺陷加上環(huán)境因素造成的。因而在設(shè)計時必須對空壓機吸入口、分子篩純化系統(tǒng)和精餾塔系統(tǒng)提出特殊的設(shè)計要求，防止因環(huán)境因素引發(fā)的安全事故。我國煤化工型空分設(shè)備的開發(fā)起步晚，過去，設(shè)計制造時主要考慮向大規(guī)格和高壓力突破，對能耗方面的考慮略顯不足。煤化工型空分設(shè)備規(guī)模大 、壓力高的特點使得總能耗非常大 , 在設(shè)計中考慮節(jié)能問題對降低用戶運行成本顯得尤為重要 , 今后將是設(shè)計的側(cè)重點。

5、結(jié)束語

我國在大型煤化工型空分設(shè)備設(shè)計、制造和成套上已經(jīng)取得了一定的成績，特別是成套能力的進步非常明顯。但是必須看到，我國的自主開發(fā)能力還非常薄弱。從目前應(yīng)用的各項技術(shù)來看，重大技術(shù)的應(yīng)用和突破都是由國外公司完成的，一些關(guān)鍵設(shè)備主要還是依賴進口，90000m3/h等級以上的空分設(shè)備還沒有成套業(yè)績。目前大型煤化工型空分設(shè)備完全國產(chǎn)化存在的主要問題是缺乏關(guān)鍵設(shè)備的核心技術(shù)；國內(nèi)用戶對國產(chǎn)單元設(shè)備缺乏信心。所以，為了中國空分行業(yè)的未來，空分設(shè)備制造公司應(yīng)該承擔(dān)起更大的責(zé)任，進一步加大對空分設(shè)備的研發(fā)投入，開發(fā)適應(yīng)現(xiàn)代煤化工新工藝和新技術(shù)的空分設(shè)備 , 與國內(nèi)用戶一起 , 共同推動煤化工型空分設(shè)備的國產(chǎn)化。