大型煤化工空分技术与设备发展现状

李乐

[摘 要]近年来，随着科学技术的更新换代，我国煤化产业也在不断发生着改变。目前，我国新兴的煤化工企业中所应用的煤气化装置、设备大都应用纯氧或者富氧的气化操作方式，由此，在这种情况下，如何通过恰当的方式获得稳定的、优质的、高性价比的纯氧空气就成为了我国煤化工企业管理者们所研究的重点。其中空气分离法（即空分法）的出现在很大程度上为我国煤化工企业获取优质的富氧、纯氧空气提供了可能，并逐渐的被我国煤化工企业所应用开来。

[关键词]煤化工企业；空分设备；空分技术

中图分类号：S813 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）24-0051-01

1.空分技术现状

空分技术即将空气分为主要的两种成分气体：氧气和氮气。氧气主要用于气化剂和反应原料，而氮气可以用于原料、气力输送气及惰性保护气。目前，空分技术工艺主要存在三种：变压吸附，该法主要利用一定压力下，空气中的氮氧在分子筛表面的吸附差异性而将两者分开的方法。工艺过程中，新鲜空气作为原料。在将氮氧分离后，分子筛可以通过泄压解吸的形式实现再生，从而实现了分子筛的循环使用。变压吸附在工业应用中，主要采取双塔操作的方法，两塔以吸收和解吸两个过程交叉操作，从而实现整个工艺的连续化；低温精馏法，该法的原理是首先将空气进行膨胀及压缩降温，使得空气被液化，然后利用氮氧两种组分的气化温度不同，从而实现两者的分离。在精馏塔中，运行传热和传质两种方式实现氮气和氧气的分离，该工艺在工业应用中较为普遍；薄膜渗透法，该工艺方法运用一种薄型的有机膜，通过空气中的不同气体所显现的渗透差异性，从而使得氮、氧过滤，最终实现氮、氧分离。目前，随着我国工业不断发展，我国的空分技术有了极大的突破发展。但和国际领先水平相比，还存在一些不足之处。因此，企业必须加大相关技术和设备的研發投入和创新力度，提升空分技术的发展空间，这也是我国空分设备发展的重中之重。

2.煤化工企业空分技术的分类及空分技术的选择

（1）煤化工企业空分技术的分类

根据研究表明，煤化工企业中常见的空分技术可以分为低温和非低温两种，常见的非低温空气分离法包括吸附空气分离法、膜分离空气分离法和化学空气分离法，但是尤其其分离空气不符合需求、难度较大等问题在很大程度上抑制了该类型方法的推广，由此，低温空气分离法是较常应用于实际的煤化工空气分离操作中的并凭借其可以同时分离、生产工业氩（空气中的一种微量气体元素，是一种无色、无臭的优质惰性气体）等优势使其具备了不可替代的竞争优势。

（2）煤化工企业空分技术的选择

截止到20世纪中期，变压吸附法的顺利研发使得投入较少投资获得较大收益的空分技术应用成为了可能，变压吸附法的开发成功，改变了传统空分技术中设备庞大、占用了大量的企业资源的问题，使得中、小规模企业应用富氧、纯氧进行日常生产成为了可能，扩大了其使用范围的同时降低了应用空分技术的“门坎”，使得煤化工企业空分富氧技术能够在更过的生产、经济领域获得较好的应用。与此同时，在20世纪80年代，随着人们对于高分子材料科学研究的深入，膜分离空分技术逐渐走进人们的视野中，它的出现标志着煤化工企业已经朝着高分子科学化的方向飞速的发展，新型的空分技术已经能在很大程度上满足人们的实际生产需求。但是，再先进的空气分离技术都需要配合优质的工程设计方案，才能够从根本上更好、更高效的为煤化工企业所服务。

3.空分设备的流程选择

对于空分设备来说，气化炉压力主要由氧气压力来决定。通过将原料煤磨制成水泥浆，然后由泵送入气化炉，这样可以显著提升气化炉炉内压力。在通常情况下，可以根据工艺对压力进行选择，以便使得多种工艺气体得到直接使用，这就使得后续工艺不需要继续增压，可以减少能耗。通过对市场现有的气化炉压力进行分析，笔者发现，水煤浆气流床基气化技术的氧气压力最高。对于煤化工配套空分设备来说，其流程具有以下特点：

第一，在对系统进行预冷时，可以使用污氮吸湿空气。对于煤化工项目来说，由于项目本身富有液氨产品，如果使用氨冷机代替目前的冷水器，有助于节能降耗。第二，可以使用蒸汽加热器替代原有的电加热器。这使得分子筛纯化系统的运行成本可以有效降低。第三，本身的蒸汽成本非常低，且存在富余的状态。一般可以使用汽轮机推动，降低运行成本。第四，通过氮气循环增压，可以得到中压氮气和高压氮气。这是气体又是流程气体。第五，可以通过对液氧进行加压，通过复热的方式得到氧气产品。第六，如果对于降耗要求非常高，可以使用液体膨胀机。第七，如果产品需要进行对外销售，必须加上氩。因此可能还需要一套复杂的制氩系统。

4.煤化工空分技术的研究进展

相关研究结果表明，在工艺流程不同的情况下，对煤化工空分装置的能耗影响也不相同，最高能耗约为5%左右。目前，随着我国煤化工行业的不断发展，其对于气体产品种类的要求越来越多，通常情况下，需要一套装置来生产和输送压力等级和流量均不相同的气体，由此才能使相关工艺的运行、各类仪器仪表的调节以及装置密封等方面的需求得到满足，即便采用规模相同的装置，由于用户的需求不同，也会使装置在一些细节上存在差异。正是基于上述原因，推动了空分技术和装置的多样化发展趋势，并且这也是空分技术在未来一段时期的主流发展方向。目前，在对煤化工生产工艺流程进行设计的过程中，大部分设计人员都会借助计算机软件，由此除了能够缩短设计周期之外，还能仿真出工艺流程的最佳形式，同时，可在计算机上对相关的参数进行优化调整。实际设计中使用较多的软件有如下几种：Aspen流程模拟系统，还系统可应用于过程热力学的衡算；Hysys流程模拟平台，这个平台能够对与流程和单元操作相关的问题进行集成式模拟，并且还能对有关的工艺参数进行优化。

在大型煤化工的过程中，氧气是必不可少的因素之一，大体上可将氧气产品的压力分为两个等级，即4.5-5.2MPa的中压和6.4-9.8MPa的高压，这两个等级的氧气压力能够与不同的煤化工生产工艺相匹配，在这一基础上，杭氧开发出了内压缩流程，该流程又分为三种中压和五种高压。根据制冷量产生方式的不同，空分装置可分为两种类型，一种是空气膨胀，另一种是氮气膨胀，通过实际应用发现，前者在能耗方面要低于后者，但是空压机的出口部位有部分气体会参与膨胀制冷过程，由此影响了产品的提出率；后者的能耗虽然较前者高一些，但作为膨胀工质，氮气的纯净程度更高，它的使用有利减少膨胀机的磨损。通过模拟分析的方法对能耗进行计算后发现，膨胀方式的选择还与氧气和氮气产量的比例有着一定的关联。

结语

空气分离装置是煤化工行业中的重要一环，空分技术和设备的等级在很大程度上影响煤化工企业的运行状态。在大型煤化工生产中，空分技术与设备是不可或缺的重要组成部分之一，本文在简要阐述空分技术研究进展的基础上，对该技术及其设备的发展趋势进行了展望。在未来一段时期，应当加大对空分设备的研究力度，除对现有的设备进行改进和完善之外，还应结合实际需求，开发更多类型的空分设备，这对于推动我国煤化工产业的发展具有重要意义。

参考文献

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[2] 郭震.煤化工空分装置安全运行要点探讨[J].低碳世界，2016（18）：55-56.

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