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内压缩流程是近期国内大型空分国产化的最佳选择精
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通
一、国内大型空分的需求情况
随着我国经济的高速发展,特别是近几年冶金、石化、石油、化肥等领域的持续稳定发展,给大型空分设备行业带来难得的发展机遇。
业内人士分析认为,这些领域在未来几年内对大型空分设备的需求将迎来新一轮高峰。
从冶金行业的发展情况来看,国家对于一些高技术含量、高附加值的钢铁产品是重点发展的。
中国冶金行业专家杨涌源曾对“平衡钢
产量”进行过分析,他认为,“平衡钢产量”是一个国家的钢产量增长到一定程度后达到平衡(饱和时的钢产量。
中国达到“平衡钢产量”的时间预计为2015年左右,到那时中国的钢产量将达到4.5亿~5亿t。
按照100万t钢产量需要1万~1.5万m3/h氧气的规模计算,近10年中,冶金行业对空分设备的需求量将在150万~225万m3/h。
再加上旧空分装置的更新和改造,10年之内钢铁工业对空分装置的总需求将达到300万~375万m3/h。
因各钢铁企业情况不同,如果以3万等级空分设备为界,大型空分设备与中小型空分设备制氧量各占一半的话,3万等级及以上空分设备需要50~60套,3万等级以下各类中小型空分设备估计为150~180套。
目前,钢铁行业正在进行兼并重组,从长远来看对大空分设备的需求将会增加,但从近期来看,可能会因为企业之间资产、设备的共享,而搁置一些原本计划内的设备采购。
作为替代能源之一的煤制油项目,按目前在建项目计算,其投资比例约为1.1亿元人民币/万t煤制油品。
根据现有规划,2015年将形成3000万t/a的煤制油规模,近10年期间,该领域将投入3500亿元人民币。
根据现有工艺水平,煤制油项目对空分设备的需求比例为1.35万~1.4万m3氧气/10万t煤制油品。
按照这个比例,到2015年,该领域对空分设备的需求量将达到415万~420万m3。
近年来,我国甲醇产量逐年提高,特别是近3年来年增速都在两位数以上。
按照规划,到2015年甲醇产量将达到3000万t,为此
内压缩流程是近期国内大型空分
国产化的最佳选择
开封空分集团有限公司设计处刘永军朱耀成
Abstract
Itintroducestodomesticrequirementoflarge-scaleAirSeparateEquipment,comparestothecapabilityoftheinnercompressingprocessandtheoutercompressingprocess,indicatesthattheinnercompressingprocessoughttobeadoptedtolarge-scaleairseparateequipmentlocalizedatpresent.
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通用机械
将新增配套空分装置能力约253万m3/h。
应用于煤化工领域的空分设备一般规格都较大,就目前签订的煤化工领域空分设备而言,5万~6万等级的空分较多。
按5万空分计算,煤制油、甲醇领域将会产生135套左右的设备需求。
乙烯是发展合成橡胶、合成塑料、合成纤维的基础原料。
乙烯的产量是衡量一个国家石化工业发展水平的重要标志。
据统计,2004年全国共生产乙烯6265719t,同比增长2.38%;2005年全国共生产乙烯7555274.6t,同比增长20.43%。
但是,2005年乙烯当量消费达到1876万t,国内乙烯产量只能满足需求的40%左右。
预计到2015年乙烯产量将达到2500万t,2020年接近4000万t。
按照这样的发展速度,到2015年的10年间,需新增配套空分装置能力90万m3
/h左右,预计需3万左右空分设备30套。
我国化肥年生产量为4520万t,居世界第一位。
今后10年产量变化不大,主要是原料的改变,由石脑油和重油改为煤,即“油改煤”。
据统计,一个30万t/a的化肥厂,在”油改煤”时需配套一个4.8万m3
/h空分装置。
综上所述,按照国家经济发展规划,到2015年期间,我国总的空分设备需求量为1050万~1140万m3/h氧当量,平均每年需求量为104万~114万m3
/h氧当量,预计需3万及以上空分设备20~25套,各类中小型空分设备不计在内(一些中小型空分设备在其他应用领域内有较大的发展,虽然氧容量不大但套数较多。
二、国内大型空分国产
化的概况
1.国内首套40000m3/h等级大型空分国产化的情况
国产首套40000m3
/h空分装置项目,是为山东华鲁恒升化工股份有限公司30万t合成氨配套的关键设备,是国家重大装置国产化研制项目。
该项目由开封空分集团有限公司技术总负责,并提供主体设备,空压机和增压机由沈阳鼓风机厂提供。
为保证该项目的圆满完成,原国家经贸委(现国家发改委,机械工业联合会专门设立“40000m3
/h空分流程设计和成套技术开发”等8个攻关课题。
该项目于2002年9月签约,历时24个月的设计、制造、安装调试(该项目三化建负责安装、华旭公司为项目监理,于2004年9月19日一次开车成功顺利投产,并连续稳定运行至今。
2005年6月20日~21日,与会专家通过听取开封空分集团和华鲁恒升股份有限公司的介绍和到现场参观考察,一致认为:
该项目是我国第一套完全自主设计、制造成套的40000m3/h等级空分装置,该装置采用分子筛预净化、中压增压膨胀制冷、高效规整填料上塔、下塔和全精馏无氢制氩、液氧内压缩等多项当今国际先进技术;原料空压机和增压机采用蒸汽透平一拖二的型式驱动,控制由DCS系统完成,整套装置的流程设计和主要单体设备设计合理、技术先进。
专家们一致认为,山东华鲁恒升化工股份有限公司40000m3/h空分装置顺利成功投产运行,是中国空分行业技术发展的一个新的里程碑;它表明中国的空气分离制造
业进入了一个新的发展时期。
该项目的圆满完成,使我国全面掌握了40000m3/h等级高压内压缩空分设备的设计、制造技术及实际运行经验,从而跻身于世界空分技术强国的行列,同时也为实现6万等级空分设备国产化打下了坚实基础。
通过近10个月的运行情况表明,该40000m3/h空分项目,完成了“十五”国家重大技术装备研制任务,实现了“4万”空分国产化的原定目标。
经过供需双方对装置初步运行工况考核,结果表明该空分装置性能完全达到了设计工况的指标。
自主设计的40000m3/h空分流程设计和成套技术开发,大型分子筛吸附器、大型高压换热器、高压大型透平膨胀机、大型规整填料塔等主体设备的研制,以及氧与氩提取率达到了世界先进水平。
经过长周期的运行考验,整套装置运行稳定可靠。
证明首套国产40000m3/h空分装置开发是成功的。
该套空分装置通过考核之后已运行两年,工况稳定正常,说明大型空分装置国产化技术在开空集团已经取得成功,现将本套空分装置的研制情况介绍如下。
在流程计算方面,认真研究超高压空气、氧气物性数据,研究高压介质的传热、精馏。
内压缩流程相对于外压缩流程具有操作简便,安全可靠,产品类别多样,可以获得较多液体,占地少,投资省等优势,目前世界上大型空分装置基本上均采用内压缩工艺流程。
为此,开空集团在国内率先对内压缩流程进行研究与开发。
已有几十套内压缩装置经过考核验收,证明开封空分集团掌握了大型空分内压缩流程技术,这为成套大
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型空分装置国产化提供了有力的保证。
“八五”、“九五”期间相继承担“空分设备用规整填料塔研究”、“全精馏无氢制氩技术研究”、“多股流绕管式换热器”、“高效精馏塔研究”等几十项国家攻关项目,这些攻关目标均经过在宝钢“3万”、鞍钢“3.5万”,宁夏“2.8万”空分装置实际应用的验证,为“4万”空分单元设备的设计与制造积累了的经验,“4万大型空分成套设备研制”是“十五”国家重大技术装备研制项目,共有8个课题,开空集团承担了其中7个子课题,分别是:
①4万大型空分流程设计和成套技术的开发。
②大型分子筛吸附器研制。
③大型高压换热器研制。
④大型高压带液透平膨胀机研制。
⑤大型规整填料塔研制。
⑥空分设备特殊阀门研制。
⑦变负荷智能型集散控制系统研制。
“KDON-40000/45850”型空分设备采用常温分子筛预净化、空气增压膨胀、全精馏制氩、液氧泵内压缩流程、DCS控制。
(1空气过滤系统采用自洁式空气过滤器,滤纸为进口材料、自洁过程由PLC实现自动化控制。
(2空气压缩系统由空压机、空气增压机、一拖二汽轮机及公共润滑油站组成,空压机、增压机是由沈鼓制造,汽轮机由杭汽制造。
(3空气预冷系统空冷塔、水冷塔均采用散堆填料,在塔的结构设计上采用三位一体防带水措施,主要采取高通量的汽液分布器,旋风分离结构等,确保空分的
安全运行。
(4氨蒸发器选用不锈钢管材,并在氨蒸发器的上部留有足够的汽液分离空间,采用浴式工作,保证蒸发器工作的稳定。
(5纯化系统采用长周期(240min、卧式双层床结构;蒸汽加热器采用开封空分集团独家拥有的双管板结构。
(6主换热器系统设置6组中压板式,设计压力4.5MPa;2台高压绕管换热器,设计压力9.3MPa。
均由开空厂自行设计制造。
(7分馏塔系统上塔、下塔采用规整填料塔,填料为苏尔寿公司产品;为降低冷箱高度,上塔为分两段,一段坐在主冷上,一段放在基础上,中间用液体泵连接。
主冷采用双层布置。
粗氩塔、精氩塔采用苏尔寿规整填料;循环液氩泵采用2台,1用1备。
高压氧泵为FLOWSERVE公司、氩泵为CRYOSTAR公司产品。
(8膨胀制冷系统膨胀机设置2台,1用1备,1台进口,另一台为开空自行设计制造。
为中压膨胀机,增压端进口压力为2.7MPa,增压到4.0MPa,然后膨胀进下塔。
(9管道选材由于本装置冷箱较高,冷箱内管道受变形引起应力较大,在管道选择上注意以下:
对高压管道,优先选用强度较高的不锈钢管或5083铝管;对直径较小的液体管道,特别是应力较大的管道,采用不锈钢管。
2.国内大型空分与国际大型空分的差距
毫无疑问,随着冶金行业、煤制油、甲醇、乙烯以及COREX等行业的发展,在要求设备向更大型
化方向发展的同时,也对技术发展提出了新的要求。
就目前来看,煤化工领域空分设备的规格一般在5万m3/h以上。
业内人士认为,5万m3/h空分设备将是今后煤化工领域的标准配置,也是比较低的规格配置。
到目前为止,法液空、林德、美国空气制品公司(APCI均有9万m3/h以上空分设备在运行,10万m3/h以上空分设备也研制成功。
而国内目前已成功运行的最大空分设备为湖北安庆的4.8万m3/h空分设备。
到2007年,国产6万m3/h等级空分设备将安装成功并试车。
国内企业目前的当务之急,是争取在7万~8万m3/h等级空分设备上加大产品技术开发力度,力争在这一等级上实现零的突破,以满足煤制油、COREX等对大型、特大型空分设备的需求。
近几年,内压缩流程的开发成功,满足了化工领域的发展需要。
但是,目前兴起的煤制油,甚至冶金领域内新采用的部分新工艺,以及随之而来的IGCC、COREX等,对空分流程的要求更加多样化。
按照目前的国家标准,深冷法空分设备,其氧纯度在99.6%以上。
这似乎形成一种观念,深冷空分的氧纯度是不能低于99.6%的。
但是,事实上,许多工艺流程,在空分设备制出的氧气里面还会混入一定量的空气来参与冶金、煤液化的过程。
对于深冷空分而言,降低一定的氧产品纯度,设备运行的费用也会相应降低。
国外已经有公司在进行这方面的研究,使空分设备所产氧气直接达到煤制油工艺所需的纯度,以此降低设备投资。
2002年以前,国内空分行业企
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业的经营只限于设计制造设备,而国外企业都是设备与气体并重,甚至一些企业,其气体的经营比重要远远大于设备。
为了尝鲜国际新的经营模式,2002年川空集团开始投资气体领域,先后建成重庆永川、江苏溧阳、山西长治等几个气体厂。
这些气体厂都产生了比较好的效益,也开创了国内空分设备制造企业进军气体领域的先河。
自此以后,国内企业进军气体领域的步伐就从未停止过。
近年来,中国空分行业在占领国内市场的基础上积极开拓国外市场。
2005年,开封空分出口土耳其1.5万m3
/h空分设备,杭氧出口塞尔维亚两套2.1万m3/h空分设备,同年8月,杭氧股份公司又与北京中国化工建设总公司及伊朗卡维集团签订两套6.3万m3
/h空分设备的供货合同。
该合同的签订,不仅填补了国内自主生产6万等级特大型空分设备的空白,还进一步推动了特大型空分设备的技术进步。
从“十一五”规划及2020远景规划来看,虽然空分行业仍将持续
一个较长的快速发展阶段,但从空分行业技术发展情况来看,比较重大的技术突破都是首先由国外先进企业完成的。
值得深思的是,中国在成为空分设备制造大国之后,如何成为空分设备设计的强国,从而真正奠定中国空分在世界空分的领先地位,将是每一个空分人为之努力奋斗的目标。
三、内压缩流程是近期国内大型空分国产化的最佳选择
1.内外压缩流程简介
一般空分装置外压缩流程生产的氧气、氮气来自上塔的低压的氧、氮气体,经换热器复热后出空分冷箱,绝对压力为0.12MPa。
然后由氧气压缩机将它压缩至所需要的压力(3.1MPa供给用户。
液氧内压缩流程是从冷凝蒸发器抽取液氧产品,经液氧泵压缩至所需要的压力(约3.1MPa,再经换热器复热、气化后供给用户。
即它是在冷箱内压缩至所需压力的。
与外压缩流程相比,有以下特点:
1不需要氧气压缩机。
由于将液体压缩到相同的压力所消耗的
功率比压缩相同量的气体要小得多。
并且液氧泵的体积小,结构简单,费用要比氧气压缩机要小得多。
2液氧压缩要比气氧压缩安全得多。
3由于有大量液氧不断从主冷中排出,碳氢化合物不易在主冷中浓缩,有利于设备的安全运行。
4由于液氧复热、气化时的压力高,换热器的氧通道需要承受高压,因此换热器的成本将有所提高。
5液氧气化的冷量充足,在换热器的热端温差较大,即冷损相对较大,为了保持冷量平衡,要求空气的压力较高,空压机的能耗有所增加。
以10000Nm3/h空分装置内压流程和外压流程的性能比较,来说明内压缩流程的性能的优劣。
2.内外压缩流程的性能比较
10000Nm3/h空分装置内压流程和外压流程的比较。
(1空分装置产品及消耗1产品规格
表110000Nm3/h空分装置产品规格
产品名称内压缩产量/(m3/h外压缩产量/(m3/h
纯度压力/MPa(G出界区温度
/℃氧气1000010000≥99.6%O22.8常温氮气30003000≤100PPmO2,0.75常温液氩
320
320
≤2PPmO2≤3PPmN2
0.1
-184
注:
测量单位Nm3/h是在0℃,0.1013MPa(A情况下测得的.称为标态流量。
2空分装置的消耗
10000Nm3/h空分装置水、电、蒸汽消耗。
表210000Nm3/h空分装置主要消耗
序号项目内压缩轴功率
/kW
外压缩轴功率
/kW
备注
1
空气过滤器
0.15
0.15
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2空压机42504500
3空气增压机23503.1油泵电动机1515一用一备
3.2加热器5
54空气预冷、纯化系统
4.1冷却水泵3737一用一备4.2冷冻水泵18.518.5一用一备4.3电加热器270
270
一用一备
5增压透平膨胀机组5.1油泵电动机2.22.2
一用一备
6分馏塔系统6.1液氧泵16一用一备6.2液氩泵15一用一备6.3液氮泵1
一用一备7氧压机850×2两用一备
8氮压机
3209
仪控系统实际使用功率
2020合计
70006888注:
内压缩空压机和空气增压机公用一台汽轮机;外压缩空压机用一台汽轮机,氧、氮压机电动机驱动。
表310000Nm3/h空分装置水耗
序号项目
内压缩/(t/h
外压缩/(t/h
备注
1原料空压机+增压机
1.1原料空压机570600
1.2空气增压机3201.3汽轮机~
~2预冷系统2.1冷却水1401402.2冷冻水30
30
3增压透平膨胀机3.1增压机后冷却器15153.2膨胀机油站5
54氧压机120×25
氮压机80合计
10601110
表410000Nm3/h空分装置蒸汽消耗
蒸汽参数项目内压缩
外压缩
备注
3.5MPa(G,420℃
汽轮机
单位制氧能耗(包括压氧压氮能耗
内压流程单位制氧电耗:
≤0.638kW·h/m3·O2。
外压流程单位制氧电耗:
≤0.628kW·h/m3·O2。
注:
(1液氧、液氮产品不同时生产。
(2单位制氧电耗中按标准将液体产品乘3计入氧产量。
(3功率消耗按各机组轴功率计算.
(4产品均指在标准状态下(0℃,101.3kPa气体流量。
四、结束语
从10000Nm3/h空分装置内压流程和外压流程的性能比较可以看出,空压机增加的能耗与液氧泵减少的能耗大致相抵,或略有增加。
设备费用也大体相当,或略有减少。
但从安全性和可靠性方面来看,内压缩流程有它的优越性,随着变频液体泵的采用,产品氧气、氮气量的调节非常灵活。
产品纯度的稳定性也较
好,是目前国际上采用较多的流程。
针对我国还没有大型空压机、氧压机或者大型空压机、氧压机可靠性不过关的实际情况,我国大型空分设备国产化采用内压缩流程是比较合适的。
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