煤化工空氣分離及其工藝流程分析

郭震(內(nèi)蒙古榮信化工有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014300)

0 引言

近年來煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度較快，且呈現(xiàn)不斷向好的趨勢，與此同時煤化工產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模也在不斷擴大，這個過程中對所使用的各種生產(chǎn)裝置和設(shè)備提出了更高的要求。尤其是對空氣分離裝置的選擇更加關(guān)注其工藝流程的合理性與安全性，確定合適的空氣分離裝置工藝流程是目前煤化工企業(yè)開展生產(chǎn)活動的關(guān)鍵問題之一。為確保空氣分離裝置的安全、高效運行，煤化工企業(yè)必須選擇正確的工藝流程并把控好其安全運行要點。

1 煤化工空氣分離的概念及其運行意義

空氣分離是指通過運用一些物理技術(shù)按照空氣中各種氣體物理性質(zhì)的不同將其分離出來，如氧氣、氮氣等常見氣體以及氦氣、氬氣等稀有氣體都可以被區(qū)分而出。在煤化工企業(yè)中空氣分離裝置是非常重要的設(shè)備，隨著煤化工產(chǎn)業(yè)的擴展對于空氣分離裝置的要求也越來越高，重視氧氣分離的純凈和總量?？諝夥蛛x裝置在煤化工產(chǎn)業(yè)中的運行可以大大提升煤炭的轉(zhuǎn)化率，提高煤化工企業(yè)的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，為其生產(chǎn)目標的實現(xiàn)提供保障，也為煤化工企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益，推動煤化工企業(yè)的持續(xù)性發(fā)展?？諝夥蛛x裝置的運行強調(diào)安全性，只有其安全運行才能保持其運行的穩(wěn)定性，進而保障生產(chǎn)目標的實現(xiàn)。確?？諝夥蛛x裝置運行安全的前提之一就是選擇正確的工藝流程，把握工藝流程的合理選擇。

2 煤化工空氣分離工藝概述

2.1 變壓吸附工藝

變壓吸附工藝是指將空氣作為原料并借助分子篩所進行的空氣分離，由于分子篩能夠根據(jù)空氣中不同氣體的性質(zhì)進行吸附，讓空氣穿過分子篩所構(gòu)成的吸附塔后其就能完成對某一種空氣氣體的吸附，繼而達到空氣分離的目的。但吸附塔所能夠吸附的氣體容量不是無限的，當其達到一定量后就無法再繼續(xù)吸附空氣分子，因而在對變壓吸附工藝的實際應用過程中通常采用交替吸附方式。即使用兩個吸附塔交錯吸附，這樣當一個吸附容量滿了之后可以繼續(xù)進行空氣分離，同時將吸附滿的吸附塔處理后再繼續(xù)重復使用，如此可以得到分離后的各種氣體分子。從總體上來看由變壓吸附工藝所分離出的氧氣濃度是比較低的，在93%左右，且其分離出的氧氣量也不是很多，因而在煤化工企業(yè)的實際生產(chǎn)中該工藝通常是被應用在對氧氣濃度和氧氣量要求較低的生產(chǎn)項目中。

2.2 膜分離工藝

膜分離工藝是指利用空氣分子在膜中溶解速度與擴散速度的不同將其進行分離的過程，主要是依靠空氣分子的擴散性和滲透性而實現(xiàn)的分離目的。該工藝所分離出的氧氣、氮氣等氣體的濃度高低主要由分離膜的性能所決定，在膜分離工藝的實踐中通常只需要將空氣原料置于分離膜的兩側(cè)即可，而為提高空氣分離效率則會采用催化劑，為保證空氣分離的濃度會采用空氣除雜手段，進而可以高效獲得濃度較高的氣體。與變壓吸附工藝相比膜分離工藝的靈活性較高，不僅可以根據(jù)實際需要選擇使用不同材質(zhì)的膜，而且可以由此獲得不同種類與濃度的氧氣、氮氣等氣體，并且膜分離工藝因其可以分離出更多量的氣體而被廣泛應用于煤化工生產(chǎn)項目中[1]。

2.3 低溫精餾工藝

低溫精餾工藝是指根據(jù)空氣中不同氣體的物理性質(zhì)差異為依據(jù)而在高壓低溫情況下進行分離的工藝過程。以氧氣和氮氣為例，二者的沸點性質(zhì)有著明顯差異，在采用低溫精餾工藝時通常是先對氧氣和氮氣進行液化處理，之后再通過精餾傳熱將液態(tài)后的空氣進行分離，從中分離出氧分子和氮分子。相較于前兩種空氣分離工藝而言，這一工藝的弊端比較明顯，工藝流程復雜、裝置啟動時間長等，并且和新型工藝之間還存在一些對接問題，一定程度上影響空氣分離的效率。但是這種工藝也有著較好的優(yōu)勢，即由此所分離出的氣體的濃度是比較高的，空氣分離質(zhì)量較好。

3 煤化工空氣分離工藝流程的選擇

3.1 液態(tài)產(chǎn)品空氣分離工藝流程選擇

液態(tài)產(chǎn)品的空氣分離主要是對氣體形態(tài)原料進行分離，過程中將氣體轉(zhuǎn)化為液態(tài)，并同時需要高壓條件或者低溫條件的支持才能進一步完成空氣分離。為確保所獲得的分離效果更好，液態(tài)產(chǎn)品質(zhì)量更高，則選擇低溫精餾工藝更加合適，這主要是因為若不在低溫狀態(tài)下進行，使用變壓吸附工藝或者膜分離工藝雖然可以獲得氧分子和氮分子的集合。但受到大氣壓的影響，氧氣和氮氣的沸點是不同的，沸點差異性的存在無法讓其轉(zhuǎn)化為液態(tài)，也就不能生產(chǎn)出所需的液態(tài)產(chǎn)品，因而對于液態(tài)產(chǎn)品而言選擇低溫精餾工藝是最為合適的。需要注意的是，在應用這一工藝時要注意對溫度、壓力等要點的合理控制，進而才能保證所獲得的液態(tài)產(chǎn)品的質(zhì)量[2]。

3.2 氣態(tài)產(chǎn)品空氣分離工藝流程選擇

氣態(tài)產(chǎn)品空氣分離工藝一般選擇變壓吸附工藝和膜分離工藝為主，使用分子篩和分離膜對空氣進行分離可以更快速地實現(xiàn)分離，并且還能夠重復性使用，這就可以大大縮減生產(chǎn)成本，保證生產(chǎn)效益的獲得。而當生產(chǎn)濃度要求標準較高時則需要使用低溫精餾工藝進行分離作業(yè)，通過低壓低溫處理結(jié)合雙塔精餾工藝可以獲取純度更高的氣態(tài)產(chǎn)品。按照生產(chǎn)的實際需要選擇合適的工藝流程，確保生產(chǎn)效益的同時也控制好生產(chǎn)成本，保障煤化工企業(yè)的持續(xù)性發(fā)展。

4 煤化工空氣分離運行的安全要點

4.1 盡量選擇低溫精餾工藝進行空氣分離

隨著煤化工產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴大以及市場對相關(guān)產(chǎn)品要求的提高，煤化工企業(yè)需充分認識到空氣分離裝置在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的重要性，并且在挑選空氣分離裝置時需要更進一步考慮到空氣分離裝置的安全性、穩(wěn)定性和高效性，這樣才能保證所生產(chǎn)氮氧產(chǎn)品的質(zhì)量，避免發(fā)生氣體供應不足、員工安全受威脅等安全事故隱患。根據(jù)對空氣分離工藝的了解和對比可知低溫精餾工藝是安全性較高的一種工藝方式，雖然從工藝流程方面來看其流程較為復雜，所需成本較多，但是相比而言其更加可靠，安全性更高，并且該工藝應用下所生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量更好，能夠連續(xù)生產(chǎn)出高濃度的氮氣、氧氣，滿足煤化工企業(yè)高質(zhì)量的標準要求。另外，在煤化工產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐步擴大的過程中對氧氣的需求量逐漸增多，為保證所生產(chǎn)的氧氣能夠符合產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴張的需求，以及滿足企業(yè)生產(chǎn)對氧氣產(chǎn)量、純度的要求，相較而言低溫精餾工藝更加合適。

4.2 選擇合適的熱交換方式

在煤化工產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展的同時對空氣分離的產(chǎn)氣量提出了更高的要求，基于國家整體產(chǎn)業(yè)布局調(diào)整的政策需要，許多煤化工企業(yè)都集中在中西部地區(qū)，而這些地區(qū)屬于內(nèi)陸地區(qū)，水資源存在緊張的情況，為此在選擇空氣分離裝置時需要充分考慮到資源不均衡的問題。因而一些煤化工企業(yè)需要采用空冷方式進行氣體換熱，選擇合適的熱交換方式才能夠滿足生產(chǎn)的要求。煤化工企業(yè)在使用空氣分離裝置時要同時建設(shè)配套的電廠，并設(shè)置空冷島裝置以提供輔助，借助電機運行作用帶動風機的運轉(zhuǎn)，將水冷用風冷替代，以此節(jié)約水資源的耗費，也為煤化工企業(yè)節(jié)省成本投入[3]。

4.3 合規(guī)設(shè)計空氣分離裝置

空氣分離裝置運行是否安全穩(wěn)定與其設(shè)計情況有著很大的關(guān)系，因而為確?？諝夥蛛x裝置的安全運轉(zhuǎn)則要保證其設(shè)計符合規(guī)定與標準。對空氣分離裝置的合規(guī)設(shè)計，一是在于產(chǎn)品規(guī)格以及對氧氣的要求。氧氣在煤化工生產(chǎn)項目中不僅是反應原料，而且也是氣化劑，對此則應根據(jù)對氧氣的需求量來確定空氣分離裝置的規(guī)模。依照煤氣化裝置的氧氣用量和用氧裝置的氧氣用量統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行計算，結(jié)合實際運行情況做進一步了解，然后再根據(jù)用氧裝置的負荷量、煤質(zhì)的變化等情況做出系統(tǒng)性的分析，在此基礎(chǔ)上再對空氣分離裝置進行設(shè)計，確保其設(shè)計的合理性與規(guī)范性。在空氣分離裝置設(shè)計過程最為關(guān)鍵的一點是氧氣的含量，通常要求其氧氣含量不能少于99.6%。二是在于實際規(guī)模以及對氮氣的要求。氮氣的規(guī)模和用量在計算時依照壓力等級進行統(tǒng)計，掌握輔助設(shè)施、不同生產(chǎn)裝置在運行過程中的氮氣用量，并對其氮氣使用特點、氮氣使用最大用量頻率等進行分析，由此了解氮氣正常用量與最大用量的差距值，再在此前提下結(jié)合對煤化工企業(yè)規(guī)模大小的了解以及對管線輸送距離的了解計算管網(wǎng)的損失，明確合適的規(guī)模進行設(shè)計。

4.4 確?？諝夥蛛x裝置與氣化爐相匹配

煤化工企業(yè)的空氣裝置在設(shè)計過程中還需注意應與氣化爐相匹配，主要在于系統(tǒng)和套數(shù)兩個方面的匹配性，這是因為氧氣大多數(shù)是被氣化爐所使用的。根據(jù)國內(nèi)外單套空氣分離裝置的最大制氧量為參照，系列數(shù)和投資之間呈正比，當系列數(shù)多其投資也就多，當系列數(shù)少其投資也就少。單套空氣分離裝置的制氧量較多時，需充分把握空氣分離裝置當下已經(jīng)完成的業(yè)績情況，綜合考量空氣分離裝置的生產(chǎn)能力，同時結(jié)合對氣化爐系列數(shù)的了解，讓空氣分離裝置能夠與氣化爐相匹配。結(jié)合當前煤化工企業(yè)的實際情況來看，單套空氣分離裝置通常需配備多臺氣化爐，與此同時也要進一步考慮到氧氣母管、氧氣管道等方面的配置與銜接，確保相互之間的合理設(shè)計與連接，從而保證空氣分離裝置的安全運行。

4.5 把控內(nèi)外壓縮流程做好安全性比較

空氣分離裝置的運行安全性需要把控好內(nèi)壓縮、外壓縮的流程，并做好其安全性的比較。外壓縮即空氣分離流程，通過相應工藝分離出氧氣后利用主換熱器對其進行復熱，再利用氧壓機做壓縮處理，直到其符合標準需要之后停止，將壓縮后的氧氣再以此輸送到氧氣管網(wǎng)中。內(nèi)壓縮與外壓縮是相對的，即將液態(tài)氧氣從主冷凝蒸發(fā)器中抽出，再利用低溫液氧泵做壓縮處理，直到符合相關(guān)標準要求為止，接著再利用主換熱器對其進行復熱，然后輸送到氧氣管網(wǎng)中。對內(nèi)壓縮和外壓縮的安全性進行比較，由于氧氣是具有助燃性的，在受壓過程中隨著溫度的升高存在爆炸的風險性，不同形態(tài)的氧所面臨的危險性不同，液氧的體積與氣氧的體積相差巨大，氣氧的壓縮需要高轉(zhuǎn)速、大葉輪的氧壓機進行，而液氧則可以在低轉(zhuǎn)速、低流量的條件下實現(xiàn)壓縮，由此可知內(nèi)壓縮的液氧壓縮更具安全性。另外，甲烷、乙炔等碳氧化合物是空氣中較為稀有的微量分子，雖然量少但是危險性卻比較高，一旦被溶解析出形成固體顆粒，很容易受到摩擦因素的影響而發(fā)生靜電，繼而發(fā)生爆炸，而內(nèi)壓縮的過程會使液氧從主冷排出，避免了碳氫化合物的溶解聚集，如此則能夠更好地規(guī)避爆炸危險事故的發(fā)生，確保了空氣分離裝置運行的安全[4]。

4.6 重視煤化工企業(yè)的組織化管理

煤化工企業(yè)空氣分離裝置的安全性保障需重視組織化的管理，完善安全組織管理模式，構(gòu)建完善的管理系統(tǒng)，發(fā)揮統(tǒng)籌作用保證安全管理到位。將空氣分離裝置安全管理的責任性落實到具體的責任人，采用輪流管理的方式開展對空氣分離裝置運行的不間斷監(jiān)管，及時發(fā)現(xiàn)空氣分離裝置在運行過程中存在的問題，并盡快采取措施進行解決和處理。對一些問題，還要進一步追究其責任人，提高技術(shù)人員和管理人員的安全意識，保證空氣分離裝置的安全運行，維護其運行的秩序。

5 結(jié)語

綜上所述，經(jīng)濟和科技的改革發(fā)展推動了煤化工企業(yè)的發(fā)展，而隨著煤化工生產(chǎn)規(guī)模的擴大對其生產(chǎn)質(zhì)量也提出了更高的要求，為保證煤化工企業(yè)氮氧產(chǎn)品等的生產(chǎn)質(zhì)量，空氣分離裝置的運行合理性是非常重要的。根據(jù)不同的產(chǎn)品生產(chǎn)需求，相關(guān)管理人員需結(jié)合不同工藝的優(yōu)劣點選擇合適的空氣分離工藝流程進行操作運行，如：變壓吸附工藝、膜分離工藝和低溫精餾工藝需在充分把握實際生產(chǎn)需要的基礎(chǔ)上進行選擇。與此同時，煤化工企業(yè)也要關(guān)注空氣分離裝置運行的安全性，把握好安全要點，加強安全管理，從而進一步提高空氣分離的效率和質(zhì)量，規(guī)避安全事故的發(fā)生，并推動煤化工產(chǎn)業(yè)的安全健康發(fā)展。