大型国产化空分装置优化与应用

　大型国产化空分装置的优化与应用

　鉴 定 资 料

　世林化工有限责任公司

　二 O 一三年五月

　目 录

　一、课题背景…………………………………………………1

　二、研发的主要内容和目标………………………………..3

　三、研发的过程……………………………………………..3

　四、技术创新点……………………………………………..4

　工 作 报 告

　一、课题背景

　? 近年来，随着中国经济持续稳定地增长，冶金行业和化工行业对氧气的需求量大幅度增加，除了需要鼓风即吹入空气之外，还需要供应大量纯度为99%以上的氧气。工业对高纯度氧气的需求，无法直接从自然界直接汲取，在电解法和分离法等制取氧气的方法中，用廉价的空气作为原料气制取高纯度氧气的深度分离法，越来越得到人们的重视和发展。

　 鄂尔多斯市乌审旗世林化工有限责任公司4×30万吨/年煤制甲醇项目（一期），利用巴彦高勒煤矿的资源，采用西安热工研究院自主开发的两段式干煤粉加压气化技术，利用纯度99.6%以上的氧气与干煤粉发生化学反应生产甲醇原料气。世林化工空分装置的设计生产能力为正常24000N.m3/h，最大28000N.m3/h的氧气，生产26000N.m3/h的低压氮气，满足年产30万吨甲醇的生产能力需要。该空分装置采用深冷法空气分离技术，通过过滤、压缩、冷却、纯化（净化）、热交换、精馏等过程，利用氧气、氮气沸点的不同，把氧气从空气中分离出来，同时副产液氧、液氮等副产品。自2011年10月开始压缩机组试车，2012年5月产出合格的氧氮产品以来，我们发现设计、制造和安装方面存在如下缺陷：

　空压机的推力轴承温度设计指标为＜105℃，实际达到109℃，

　压力越高导致温度越高，使压缩机不能达到设计负荷。

　2、空压机密封气排气管线漏油严重，影响空压机的进气量和运行安全，制约空分装置的氧气产量。

　 3、增压机机间串气严重，减低了增压机的做功效率，且增压机轴振动过大，末级压力远不能到设计值，使得增压机负荷受到很大的影响。

　4、由于纯化器内分子筛吸附效果不好，造成纯化器出口CO2含

　量偏高，换热器堵塞，换热效果变差，制约系统高负荷生产。

　为提高空分装置的生产能力，促进系统高负荷稳定生产，必须提高空压机打气量，解决增压机机间串气，增大增压机负荷，提高纯化器分子筛吸附效果，才能给分馏系统稳定满负荷运行提供必要的保证，提高企业的经济效益。

　二、研发的主要内容和目标

　确定研发的内容

　降低空压机推力轴承温度，提高空压机的打气量。

　解决空压机密封气漏油问题。

　解决增压机机间串气严重和轴振动过大的问题。

　4、纯化器的优化设计。

　5、工艺系统核算与设计。

　确定研发的工艺技术指标

　1、空压机的推力轴承温度＜105℃，进一步提高空压机打气量。

　2、空压机密封气排气管线无漏油。

　3、增压机进气量提高，轴振动明显减小，末级压力达到设计值。

　4、纯化器出口CO2含量≤0.5ppm。

　5、装置氧气生产能力接近或者达到最大设计值28000N.m3/h。

　三、研发的过程

　本项目改造的目的是利用现有压缩机组、纯化器等设备，通过检修和改造，满足生产需要。改造的内容为空压机各级叶轮级间数据测试和检修，增压机机间密封改造和增压机一级叶轮修复，纯化器内部结构的计算和设计，分子筛的装填，明确分工，分清责任。

　1、2012年2月，对空压机推力瓦温度高、密封气管线漏油、增压机机间串气严重等联系沈鼓厂家进行技术交流，讨论解决方案。

　2、2012年3月，确定空压机密封气漏油检修方案，利用停车机会进行改造实施。

　3、2012年5月，组织车间技术人员，确定分子筛纯化器末期CO2超标的原因，核对纯化器填料填装数量、再生气量、程序时间等。

　4、2012年6月，对纯化器程序进行优化，利用停车机会进行程序调试，检查纯化器填料填装情况。

　5、2012年7月确定空压机推力瓦温度高技术改造方案并利用停车机会进行改造。

　6、2013年3月，联系沈鼓技术人员对增压机机间密封进行改造，同时检查修复增压机一级叶轮。

　7、2013年5月，对压缩机组、分馏运行情况等进行检测，完成空分装置考核测试工作。

　四、技术创新点

　1、空压机级间优化和推力瓦温度高的处理改造。

　2、密封气排气漏油的处理改造。

　3、增压机机间密封的改造。

　 4、纯化器的优化和设计。

　大型国产化空分装置的优化与应用

　技 术 研 究 报 告

　世林化工有限责任公司

　二 O 一三年五月

　目 录

　一、项目研究的意义………………………………………..5

　二、工艺技术方案研发………………………………………5

　一、项目研究意义

　空分装置作为化工企业的龙头工序，提供合格足量的氧气对系统的稳定运行和高产低耗影响较大，为充分挖掘空分装置的生产潜力，我们抓住关键设备和关键环节进行技术攻关，通过提高压缩机组的打气量、提高分子筛的吸附性能，使空分装置的生产能力大幅度提高，促进了生产装置水平的提高。

　二、工艺技术方案研发

　1、空气分离技术简介

　深冷法空气分离技术的过程为：空气通过自洁式空气过滤器，把机械颗粒和粉尘等除去，经过空气压缩机压缩至0.52MPa进入分子筛纯化器，除去CO2,乙炔等碳氢化合物，再经增压机加压至6.9MPa进入分馏塔，空气在分馏塔内经过部分冷凝和部分蒸发，分离出氧气、氮气、液氧、液氮，液氧经过高压换热器吸热后以气体形式进入气化系统供两段式干煤粉加压气化炉气化生产甲醇原料气。

　纯化器的纯化过程是深冷法空气分离技术的关键步骤，因为空气是多组分的混合气体，除含有氧气、氮气及氩气等稀有气体组分外，还含有水蒸汽、二氧化碳、乙炔及其它碳氢化合物，并含有少量灰尘等固体杂质。这些杂质随空气进入空压机与空气分离装置中会带来较大的危害。固体杂质会磨损空压机的运转部件，堵塞冷却器，降低冷却效率及空压机的等温效率，而水蒸气和二氧化碳在加工空气冷却的过程中会首先冻结析出，将堵塞设备及气体通道，致使空分装置无法正常生产，我们常通过分子筛的吸附来清除水分、二氧化碳、乙炔和其他碳氢化合物。

　压缩机组的设计优化实施过程

　（1）、压缩机组生产原理

　在离心式压缩机中，高速旋转的叶轮给予气体的离心力作用，在离心力作用下，气体被甩到工作轮后面的扩压器中去。而在工作轮中间形成稀薄地带，前面的气体从工作轮中间的进部份进入叶轮，由于工作轮不断旋转，气体能连续不断地被甩出去，从而保持了气压机中气体的连续流动。气体因离心作用增加了压力，还可以很大的速度离开工作轮，气体经扩压器逐渐降低了速度，动能转变为静压能，进一步增加了压力。如果一个工作叶轮得到的压力还不够，可通过使多级叶轮串联起来工作的办法来达到对出口压力的要求。

　（2）、实施过程

　 本套空分系统压缩机组采用沈鼓的MCO1404型空压机和3BCL457型增压机，自2011年10月试车以来，在运行中发现存在大量的问题，通过我车间工程技术人员的分析论证，主要解决了以下问题，并取得了明显的成效。

　 ①、解决了空压机的推力轴承温度高的问题。温度过高使得空压机负荷受到很大影响。压缩机设计出口压力为0.535MPa，而实际压力在0.510MPa的时候轴承温度已经接近109℃，使得空压机打气量受到很大的影响，严重制约分馏系统的负荷。我们本着积极稳妥的原则通过论证，计算。制定了检修方案。在2012年7月对空压机组进行改造，通过检查各级间密封间隙和计算，调整止推轴承间隙，以降低推力轴承温度。同时针对轴承温度过高又做了2处改进：a、将推力瓦进回油管线加大，使油量加大。将进油孔由φ10mm扩大到φ15mm，将回油孔由φ15mm扩大到φ22mm，后来又扩大到φ30mm。b、并将进轴承油压由原来的0.10MPa改为0.12MPa，扩大进油量。这也为轴承温度的降低提供的必要的支持。

　 ②、对压缩机组密封排气漏油进行改造。根据现场的漏油情况排查和联系厂家技术人员交流，我们认识造成问题的原因为：a、缺少排烟风机导致回油不畅通；b、密封气压力过高造成油气夹带过大。空压机和增压机正常转速后，由于油箱没有排油烟风机，油气不能及时带走，使空压机和增压机的轴承箱形不成负压，密封气排气口出现严重喷油，且4.8MPa蒸汽管线温度高达430℃以上，密封气排气口正好在蒸汽管线上边，油滴在上面，容易造成保温棉和铝皮上面的油着火。我车间针对此问题，积极组织技术人员进行讨论和与沈鼓技术人员进行沟通，做了如下改造：a、针对排气口滴油问题，将空压机和增压机的密封气排放管线由水平管线，加一弯头竖直向上，并在上面加防雨帽，水平管上加一管线，并加阀门，用于排油。并在底部用油桶收集废油，供回收再利用。b、针对密封气压力过高问题，与厂家技术人员沟通后，将远设计的密封气压力0.15～0.25MPa降低为80KPa。同时在汽轮机正常转速后，将原来做密封气的仪表空气阀门管线阀门关小，压力控制为80KPa左右。c、油站排油烟管线口由向下改为向上，并加排油烟风机，使油气及时排走，使轴承箱形成负压，密封气排气管不排油。同时这也使得油路管线畅通，循环量加大，也起到一定的降低油温作用。

　③、对增压机密封气串气严重的问题，对增压机机间密封进行改造。我车间针对此问题，多次联系沈鼓技术人员进行讨论论证，于2013年3月初将原来的梳齿式密封改为可接触碳环密封，减少级间串气，减少气体损失，从而提高增压机的排气量。另外也对增压机叶轮进行了检查，修复了一级叶轮磨损的问题，使得增压机的进气量和振动值都有了明显好转。

　3、纯化器设计优化实施过程

　（1）、吸附法吸附机理

　吸附法净化空气分为吸附和解析两个过程，吸附是水分、二氧化碳、乙炔和其他碳氢化合物在分子筛表面浓聚的过程，解析是当吸附达到饱和时，吸附质从吸附剂表面脱离，从而恢复吸附剂的使用能力的过程。

　吸附剂的吸附能力可以由静吸附容量和动吸附容量来表示，静吸附容量实质是在吸附达到平衡时的最大吸附量，而动吸附量则与吸附带长度及移动速度有关，操作中一般以动吸附容量为依据，掌握好吸附器的最长工作时间非常关键。

　一般情况下影响动吸附容量的因素有：

　a、温度：吸附容量随温度的升高而降低。

　b、压力：压力升高，吸附容量增加。

　c、流体的流速：流体的流速高，吸附质在吸附床层内停留时间过短，吸附效果差。

　d、吸附剂的再生完善程度：吸附剂的解吸越彻底，吸附过程中的吸附容量越大。当再生温度高、压力低以及解吸气体中吸附质的含量越小，吸附剂的再生越完善。

　e、吸附剂床层高度：保证吸附层有足够的高度十分必要。

　（2）、实施过程

　自2012年3月份纯化系统自运行以来经常出现末期CO2偏高的问题。我车间对此问题多次技术查阅资料、联系厂家等，经过技术论证，在以下方面进来了攻关和改造，取得了较好的效果。

　①、优化纯化器筒体的内径与吸附剂层高度比，经过查找资料和计算，发现纯化器填料高度偏低，气体在纯化器内流速过快，吸附效果差，应增加分子筛，在2012年6月份利用系统检修机会，对纯化调料适当补充，同时发现床层有一定的起伏，对床层进行了平整。填装完成后，制定了分子式活化方案，通过提高分子筛床层的高度，增加分子筛的阻力，延长了气体在纯化器内的停留时间，提高了吸附性能。

　②、降低气体进入纯化器分子筛的进口温度，对纯化器进口管道进行保温，气体进口温度从18℃降至16℃，通过降低纯化器气体进口温度，从而降低吸附温度，提高吸附容量。

　③、对分子筛自控程序进行优化。在试车阶段，为确保加温彻底和防止蒸汽系统波动，我车间纯化系统在再生加热时采用蒸汽加热器和电加热器低负荷运行的模式，而原设计为单一模式，这就使得分子筛的各步骤切换的时间和实际有较大差别。我们车间通过计算加工空气量和填料数量等，结合实际运行情况，将纯化器的加温、冷吹时间由原设计的4800s、7380s改为4700s、7500s，并将并联步骤时间进行了缩短150s，既保证了分子筛再生效果又不增加吸附负担。同时通过计算实际加工空气量，将再生污氮气气量由设计值29000N.m3/h更改为31000N.m3/h。其次对运行程序污染气阀门切换程序进行优化，防止气量大负担波动。

　上述措施的实施，提高了分子筛的吸附性能，增加了空分装置的氧气产能。

　大型国产化空分装置的优化与应用

　试 验 及 工 业 应 用 报告

　世林化工有限责任公司

　二 O 一三年五月

　目 录

　 一、试验的目的……………………………………………..12

　二、试验条件………………………………………………..12

　三、试验内容………………………………………………..12

　四、研发的组织措施………………………………………..12

　五、调试及工业试验情况…………………………………..13

　试验及工业应用报告

　鄂尔多斯市乌审旗化工有限责任公司空分车间于2013年5月8日对28000N.m3/h空分装置（四川空分设备（集团）有限责任公司制造）进行了连续24的性能测试。

　一、试验的目的1、通过测试，确定空压机组负荷是否能够增加。

　2、通过测试，确定增压机负荷是否增加。

　3、通过测试，确定纯化器设备运行正常。

　4、通过分析对空分装置进行全面的考核。

　二、试验条件

　1、空压机、增压机、纯化器改造完成，安装工程通过验收合格。

　2、改造项目编制试车方案，分子筛活化方案和事故应急预案。

　三、试验内容

　1、空压压机推力轴承温度和压缩机组打气量。

　2、增压机进气量、末级排气压力和振动情况。

　3、测试纯化器出口气体成分。

　4测试空分装置生产能力。

　四、研发的组织实施

　1、对车间人员进行合理分工，保证按期完成试验。

　2、改造工程完成后，进行现场验收。

　3、设立专人负责详细记录各项工艺指标和试验过程。

　4、根据现场收集的原始记录写出试验报告。

　五、调试及工业应用情况

　1、空压机推力瓦温度及空压机性能测试情况

　目的：通过测试检测空压机推力瓦温度和空压机负荷进行考核。

　空压机推力瓦温度情况一览表

　时间 TIAS01120

　（℃） TIAS01121

　（℃） TIAS01122（℃） TIAS01123（℃） 0:00 82 63 66 100 2:00 82 63 66 100 4:00 83 64 67 100 6:00 84 64 67 100 8:00 84 64 68 101 10:00 85 65 68 102 12:00 86 66 69 103 14:00 86 66 69 104 16:00 85 65 68 103 18:00 85 65 68 102 20:00 85 64 67 102 22:00 84 64 66 101

　结论：空压机推力瓦温度较以前有了明显好转，低于设计报警值105℃，取得了明显的效果。但目前仍然偏高，主要为循环水管网设计问题，我车间将在以后利用停车机会再进行改造。

　 空压机密封气漏油问题，经现场检查发现，没有滴油现象。油管线自增加排烟风机后，回油管线畅通，也为机组油温降低起到了一定作用。

　2、增压机性能测试情况

　目的：通过测试，对增压机负荷性能进行考核。

　增压机性能测试一览表

　 参数 改造前 改造后 XIA01102 -0.058mm -0.036mm XIA01103 -0.041mm -0.021mm TIAS01132 48℃ 47℃ TIAS01133 83℃ 84℃ TIAS01134 44℃ 42℃ TIAS01135 59℃ 59℃ TIAS01136 69℃ 69℃ TIAS01137 61℃ 61℃ TIAS01138 73℃ 73℃ TIAS01139 66℃ 66℃ VIA01108 55μm 12μm VIA01109 49μm 7μm VIA01110 20μm 18μm VIA01111 21μm 20μm FI01150 78400N.m3/h 82000N.m3/h FI01152 1.1MPa 1.2MPa FI01155 2.5MPa 2.6MPa FI01157 5.9MPa 6.9MPa 结论：改造后，增压机轴振动有了明显好转，增压机各级压力都有所提高，增压机进气量液有明显增加。

　3、纯化器系统运行情况

　目的：通过分析纯化器出口气体成分，观察运行参数是否达到设计要求。

　纯化器运行数据一览表

　时间 空分装置纯化器出口CO2分析（ppm） 时间 空分装置纯化器出口CO2分析（ppm） 0:00 0.24 12:00 0.24 2:00 0.20 14:00 0.28 4:00 0.28 16:00 0.36 6:00 0.32 18:00 0.24 8:00 0.24 20:00 0.28 10:00 0.20 22:00 0.26 结论：分子筛后CO2含量为0.30ppm左右，公司控制指标为1ppm，达到了≤0.5ppm的指标，同时末期未发现超标现象，合格。

　4、分馏氧气量变化情况

　目的：观察分馏系统氧气量是否达到设计范围。

　液氧泵运行数据一览表

　时间 液氧泵出口氧气压力（MPa） 液氧泵出口氧气流量（N.m3/h） 0:00 4.5 25500 2:00 4.5 26000 4:00 4.5 26500 6:00 4.5 27000 8:00 4.5 28000 10:00 4.5 27000 12:00 4.5 26500 14:00 4.5 26500 16:00 4.5 26500 18:00 4.5 26500 20:00 4.5 26500 22:00 4.5 26500 结论：通过氧泵氧气流量发现负荷能维持在26500～27000N.m3/h左右， 而以前仅在25000～25500N.m3/h左右，有了明显增加，能满足要求系统运行需要，且分馏系统运行稳定，氧纯度和主冷液位等指标合格。

　大型国产化空分装置的优化与应用

　效 益 分 析 报 告

　世林化工有限责任公司

　二 O 一三年五月

　一、经济效益：

　1、项目应用后，空分装置的生产稳定性和生产能力大幅度提高，单套空分装置的氧气产量由25500N.m3/h提高至27000N.m3/h左右。根据年运行300天计算，氧气价格为0.30元/m3，则年增加产值为：

　 （27000N.m3/h -25500N.m3/h）×24h×300×0.30元/m3=324万元

　改造增加费用

　序号 原材料名称 费用（单位：万元） 1 空压机推力瓦改造材料和施工费用 2.5 2 空压机密封气改造费用 1.3 3 增压机机间密封改造费用 2.0 4 分子筛检修和填装费用 2.5 5 分子筛进口管道保温 2.0 合计 10.3 3、年增加效益：

　324万元-10.3万元=313.7万元。

　二、社会效益：

　国内大型空分装置近年来发展较快，但由于个别关键设备考虑不细，导致实际设备运行时间比设计水平有一定差距。我车间对空压机、增压机、密封气排气、纯化吸附器等的改造，解决了制约我空分系统负荷的源头。这些改造提高了设备的使用寿命和运行可靠性，延长了系统运行周期，也提高了国产化程度，该改造项目值得在集团公司内推广。

　 三、环保效益：

　 对少量随密封气排气冒出的润滑油利用新加的排油管线进行了收集，供公司废油回收利用，具有一定的环保效益。

　20