煤化工空分设备流程特点及选择_

空分设备的氧气压力在 30 80 kPa 之间，可以选择 外压缩空分流程或氧气自增压空分流程［1］。早期的 外压缩空分流程通过提高空压机的排气压力，使出 空分设备的氧气压力达到气化炉的工艺要求，但此 流程能耗高。后改为产品氧气压力为 12 15 kPa 的 低压流程，出空分设备的低压氧气经氧压机增压至 所需压力再被送入用户管网。该方法需增加氧压机
加压流化床相对于常压流化床具有气化强度 高、设备尺寸小的特点，并且随着压力的提高，耗 氧量下降，生产率和干煤气热值提高。因此流化床 加压气化是煤气化的一个重要发展方向。典型的流 化床加压气化炉有德国的高温温克勒气化炉 （ HTW 气 化 炉 ） 、 灰 熔 聚 技 术 的 U-Gas 气 化 炉、 KＲW 气化炉和中科院山西煤炭化学研究所的 ICC
·27·
量和蒸汽耗量较水煤浆气化工艺低，但干法进料提 高气化压力有限，因此气化炉操作压力不高，一般 为 2 4 MPa。 2. 2 煤气化技术所需氧气、氮气产品规格
采用 GE 水煤浆气化技术和航天炉气化技术生 产合成 氨、 尿 素 所 需 的 氧 气、 氮 气 产 品 规 格， 见 表 2。 2. 3 氧气的实现形式
全年运行仪表空压机系统，空压站提供
2 加压煤气化技术配套空分设备流程与 特点
2. 1 煤气化技术特点 由于气化炉的生产能力与压力的平方根成正
比，单台常压气化炉气化能力较低，提高压力有利 于提高气化炉的单炉生产能力。高温、高压的气化 方法，可以提高碳转化率，因此目前新建气化炉多 为加压气化炉，压力一般在 10 MPa 以下。
0. 425 0. 445 0. 009
6 0. 45
液氮洗用氮气，从压力塔抽取的 压力氮经高压氮压机压缩
工艺用氮气，从低压塔抽取的 氮气经低压氮压机压缩
液氧
若干
99. 6% O2
—
—
进贮槽
液氮
若干
≤10 × 10 － 6 O2
—
—
进贮槽
仪表空气 3600 露点≤ － 40 ℃ ，干燥，无油
—
0. 8
气化炉。上述几种气化炉的中试压力一般不大于 3 MPa。
气流床加压气化分为水煤浆加压熔渣气化和粉 煤加压熔渣气化。水煤浆加压气化工艺有美国德士 古发展公司的 Texaco 炉 （ GE 炉） ，美国道化学公 司在德士古煤气化基础上发展的两段式 Destec 炉 （ E-Gas 炉） ，华东理工大学等自主开发的多喷嘴对 置式水煤浆气化炉。气化压力根据工艺需要进行选 择，操作压力等级一般在 2. 5 10 MPa 之间，方 便下游多种压力工艺气体使用。如用于合成甲醇、 醋酸生产，6 7 MPa 压力较适宜，这样后序工艺 不需再增压，节省中间压缩的工序，降低能耗； 而 生产合成 氨，一 般 压 力 为 8. 5 10 MPa 较 适 宜。 水煤浆加压气化工艺的原料煤经磨制成水煤浆后泵 送进气化炉，有利于提高气化炉压力，对氧气的压 力要求高，不需要输送气化原料煤用的氮气或二氧 化碳，对氮气产量要求低。
上述两种煤气化技术的气化炉压力都不高，一 般不高于 25 kPa，考虑到管网的压力损失，要求出
收稿日期： 2013-02-17 作者简介： 谭芳，女，1980 年生，硕士，2005 年毕业于上海大学运筹学与控制论专业，现在杭州杭氧股份有限公司设 计院流程室工作，主要从事空分流程的设计与计算工作。
·26·
我国缺油少气相对富煤的能源现状，奠定了煤 化工行业在我国经济领域举足轻重的地位。煤气化 是清洁利用煤炭资源的重要途径和手段。空分设备 为煤化工行业提供作为气化剂的氧气、合成原料气 的氧气和氮气以及输送气。不同的煤气化工艺的工 作温度和压力不同，决定了配套空分设备的氧气、 氮气产品的压力和产量等不同，也决定了煤化工行 业空分设备流程的有所不同。
* 专题综述*
煤化工空分设备流程特点及选择
谭芳
（ 杭州杭氧股份有限公司设计院，浙江省杭州市中山北路 592 号弘元大厦 310014）
摘要： 简介常压煤气化技术配套空分设备的流程特点，从煤气化技术对氧气、氮气产品规格
的要求，氧气、氮 气 的 实 现 形 式 等 方 面， 介 绍 加 压 煤 气 化 技 术 配 套 空 分 设 备 的 流 程 特 点 及 其
压力等级 8 8. 2 MPa 高压氮气
表 4 不同规格氮气在煤化工中的用途
流量
正常： 5000 m3 / h 最大： 15000 m3 / h
用途 甲醇装置、净化装置、烯烃分离、MTBE + 丁烯 － 1、富余
0. 8 0. 85 MPa 低压氮气
表 2 采用 GE 水煤浆气化技术和航天炉气化技术生产 合成氨、尿素所需氧气、氮气产品规格
气化技术 生产规模 使用煤种
氧气产品
GE 水煤浆气化技术
40 万 t / a 合成氨、 70 万 t / a 尿素
新疆长焰煤、不黏煤
纯度： ≥99. 6% O2 ， 产量： 55000 m3 / h， 出界区压力： 8. 7 MPa
粉煤加压气化工艺有荷兰 Shell 公司的 Shell 炉 （ SCGP 炉） ，德国 Krupp-Kpppers 公司的 Prenflo 炉， 被西门子收购的 GSP 炉和国内西安热工研究院开 发的两段式干煤粉加压气化工艺，华东理工大学等 自主开发的四喷嘴对置式干粉煤加压气化工艺以及 航天十一所研发的盘管式水冷壁气化炉 （ 航天炉 HT-L） 。其优势在于干法供料、热效率较高，耗氧
参数 床层形式 给料形式 氧煤比 / （ kg / kg） 氧煤比 / （ m3 / t） 相应的煤种
BGL
固定床 干法
（ 块煤） 0. 52 364 烟煤
表 3 典型加压气化炉氧耗的比较
HTW
U-gas
KＲW
GSP
Shell
流化床 干法
（ 碎煤） 0. 54
378
褐煤
流化床 干法
（ 碎煤） 0. 6
不同的气化炉因工艺和适应的煤种不同，对氧 的需求也不同 （ 见表 3） 。从表 3 可以看出，气流 床的耗氧量最高，其次是流化床，而固定床的耗氧 量最低。这意味着，对于同等规模的煤化工装置， 采用气流床工艺技术需配套的空分设备规模最大。 氧气的压力由气化炉的压力决定，由液氧经液氧泵 加压后，经主换热器复热后出冷箱得到。
2. 4 氮气的实现形式 煤化工行业中，氮气较氧气的用途多，氮气的
用量和压力等级也比氧气复杂。氮气一般有以下作 用： 一是作为合成气的原料气，如合成氨的原料 气； 二是作为净化的溶剂，如合成氨中液氮洗工 序，氮气脱除来自低温甲醇洗工序后的净化工艺气 中的一氧化碳、甲烷、氩等杂质； 三是作为气力输
送载气和吹扫气； 四是作为惰性气体起保护和置换 作用； 五是对设备起密封作用。后三种用途的氮气 使用相当广泛，相应的压力要求也不同。如中煤陕 西榆林能源化工有限公司 2011 年新建的 180 万 t / a 煤制甲醇并进一步加工 60 万 t / a 烯烃项目，需要 三种压力的氮气 （ 见表 4） 。
的投资成本。采用氧气自增压空分流程，产品氧气 出空分设备的压力可达到 20 200 kPa 之间。此流 程既不增加能耗，又节省了投资，且操作简单，非 常适合上述两种煤气化技术。如某化肥公司 2012 年 新建的 30 万 t / a 合成氨、52 万 t / a 尿素工程利用 就近褐煤，采用恩德炉气化技术，配套空分设备就 是采用液氧自增压流程，其参数见表 1。
1 常压煤气化技术配套空分设备流程与 特点
1. 1 煤气化技术特点 常压固定床无烟煤 （ 或焦炭） 富氧连续气化
技术以富氧空气为气化剂，连续气化无烟煤或焦 炭，是对常压固定床间歇式气化技术的改进。恩德 粉煤气化技术属流化床气化炉，是在温克勒气化炉 技术上改进的，气化炉内压力控制在 14 kPa 左右， 为常压下操作，适用于气化褐煤、长焰煤、不黏煤 和弱黏煤，因此适合于就近有褐煤的中、小型氮肥 厂，以替代无烟煤和焦炭等高成本的原料。一般使 用氧含量高于 50% 的富氧空气或氧气。富氧空气 一般由空气鼓风机提供的空气与空分设备生产的纯 度为 99% 以上的氧气混合得到。 1. 2 配套空分设备的流程特点
Abstract： Here，the features of process of the air separation plant supporting the atmospheric coal gasification technique are briefed，and the features and selection of process of air separation plant supporting the pressurized coal gasification technique are described from the specification on gaseous oxygen and gaseous nitrogen required by the coal gasification technique and the realization form of the gaseous oxygen and gaseous nitrogen． Keywords： Air separation plant； Coal chemical； Coal gasification； Selection of process
纯度： ≤10 × 10 － 6 O2 ， 产量Ⅰ： 16000 m3 / h， 出界区压力： 8. 15 MPa； 产量Ⅱ： 30000 m3 / h， 出界区压力： 4 MPa； 产量Ⅲ： 20000 m3 / h， 出界区压力： 0. 45 MPa； 产量Ⅳ： 7000 m3 / h， 出界区压力： 0. 005 MPa
固定床加压气化炉的代表是德国鲁奇 （ Lurgi） 固定床碎煤加压气化炉和在鲁奇炉基础上改进的 BGL （ British Gas － Lurgi，英国燃气—鲁奇） 碎煤 熔渣气化炉。从上世纪 30 年代开始至今，德国鲁 奇公司先后开发了四代鲁奇炉，前三代鲁奇炉的设 计压力为 2. 5 4 MPa，第四代鲁奇炉 MK + 的设计 压力增大到 6 MPa，大大提高了气化炉的生产能力。 BGL 碎煤熔渣气化炉的操作压力为 2. 5 4 MPa。这 两类气化炉都具有较高的气氧比，因此耗氧量小。
表 1 为某化肥厂恩德炉煤气化装置配套的液氧自增压流程空分设备的主要参数
பைடு நூலகம்
产量 产品名称 / （ m3 / h）
纯度
出冷箱压力 / MPa
出空分界区压力 / MPa
备注
氧气
36000
99. 6% O2
0. 08
—
液氧自增压
高压氮气 35000 低压氮气 24000
≤10 × 10 － 6 O2 ≤10 × 10 － 6 O2
航天炉气化技术
30 万 t / a 合成氨、 52 万 t / a 尿素
兴安盟褐煤
纯度： ≥99. 6% O2 ， 产量： 30000 m3 / h， 出界区压力： 5. 1 MPa
氮气产品
纯度： ≤10 × 10 － 6 O2 ， 产量Ⅰ： 42000 m3 / h， 出界区压力： 6 MPa； 产量Ⅱ： 15000 m3 / h， 出界区压力： 0. 42 MPa
选择。
关键词： 空分设备; 煤化工; 煤气化; 流程选择
中图分类号： TB657. 7
文献标识码： A
Features and selection of process of coal chemical-purpose air separation plant
Tan Fang
（ Designing Institute，Hangzhou Hangyang Co． ，Ltd． ，Hongyuan Building，592# North Zhongshan Ｒoad，Hangzhou 310014，Zhejiang，P． Ｒ． China）
420
烟煤
流化床 干法
（ 碎煤） 0. 68
476
烟煤
气流床 干法
（ 粉煤） 0. 8
560
次烟煤
气流床 干法
（ 粉煤） 0. 86
602
烟煤
E-Gas 气流床 水煤浆 0. 89
623 次烟煤
Texaco 气流床 水煤浆
0. 9 630 烟煤
Prenflo
气流床 干法
（ 粉煤） 1. 03 721 次烟煤