王希奋，徐鹏，陈爱军，香承志
（伊犁新天煤化工有限责任公司，新疆 伊宁835000）
［摘 要］伊犁新天煤化工有限责任公司煤制天然气装置配套3套51 000 m3/h杭氧空分装置，自2020年达产以来2套在运空分装置一直按约110%负荷运行，2021年9月底空分装置C增压机推力瓦下瓦振值偏高，压缩机厂家分析后认为是空压机组高负荷（110%）长周期运行造成了增压机驱动端轴瓦磨损，建议（要求）空分装置负荷不超过105%；2021年10月煤制天然气装置大修完成后，空分装置A/B按105%负荷运行实际氧气提取率及天然气产量均出现下降。通过对空分装置设计工况与实际工况的对比分析，认为是低压氮气用量、装置空气用量及液氮采出量较设计值偏大较多所致。为此，2022年9月装置大修期间实施了污氮气回收利用技改，新增1台离心式污氮气压缩机，用污氮气替代部分装置空气和低压氮气。技改后，2套在运空分装置氧气提取率基本上达到设计要求，保证了新天煤化年度经营目标的顺利完成。
［关键词］煤制天然气装置；空分装置；氧气提取率低；原因分析；优化改进；污氮气回收利用；污氮气压缩机；改进效果
［中图分类号］TB657.7 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2025）02-0070-04
0 引 言
伊犁新天煤化工有限责任公司（简称新天煤化）20×108 m3/a煤制天然气装置（化工主装置分为A、B两个系列）配套3套51 000 m3/h（标态，下同）杭氧空分装置（A/B/C，两开一备），3套空分装置生产工艺相同，均采用分子筛吸附净化、增压透平膨胀机制冷、无氢制氩、氧氮内压缩流程。设计空分装置向气化系统提供5.1 MPa高压氧气126 000 m3/h，并提供全厂氮气、仪表空气、装置空气等。新天煤化空分装置自2020年达产后，2套在运空分装置一直按约110%的负荷运行，单套空分装置空压机进气量为291 500 m3/h、氧气产量为55 000 m3/h，实际生产中气化系统氧气用量110 000 m3/h时天然气（SNG）产量就可以达到274 km3/h（设计100%负荷下天然气产量为250 km3/h）。2021年9月底，空分装置C增压机推力瓦下瓦振值偏高且仍有上涨趋势，存在增压机损坏及联锁跳车的风险，于是新天煤化投用备用空分装置A，空分装置C停车检查，检查发现增压机轴瓦有磨损。于是与压缩机（增压机）厂家取得联系，并将相关运行数据发至压缩机厂家，厂家分析后认为，是空压机组高负荷（110%负荷）长周期运行造成了增压机驱动端轴瓦磨损，并给出了如下建议（要求）：空分装置A负荷不超过105%、空压机组进气量不超过278 250 m3/h，空分装置B负荷不超过100%（其增压机轴振值有上涨趋势）、空压机组进气量不超过265 000 m3/h。
2021年10月煤制天然气装置大修完成后，新天煤化将2套在运空分装置空压机组进气量均调整至278 250 m3/h，重启后的单套空分装置（A/B）氧气产量由大修前的55 000 m3/h降至约51 000 m3/h，2套空分装置氧气产量较大检修前减少8 000 m3/h，气化系统氧气负荷随之降低，天然气产量也随之降低——煤制天然气装置总氧负荷1 080 001 m3/h时化工主装置A系列、B系列天然气瞬时产量分别为137 km3/h、132 km3/h，按照空压机组厂家的建议将煤制天然气装置总氧负荷控制在102 000 m3/h时化工主装置A/B系列天然气瞬时产量均为127 km3/h。
单套空分装置以105%负荷运行时，氧气产量应为51000×105%=53 550 m3/h，而实际上氧气产量只有约51 000 m3/h，少产氧气约2 550 m3/h，2套空分装置存在同样的问题，氧气总产量较设计值少约5 100 m3/h。为此，对空分装置氧气产量减少的原因进行分析，制定并实施污氮气回收利用技改，技改后空分装置氧气产量得以提高，天然气产量达到生产经营目标要求。以下对有关情况作一介绍。
1 空分装置工艺流程简述
空气经自洁式空气过滤器除杂后，由空压机提压至0.55 MPa后进入空气冷却塔冷却，之后进入分子筛吸附器去除水分，分子筛吸附器出口空气分为4路（由4条管线引出），第一路作为全厂仪表空气，第二路（主气流）引至空分冷箱低压板翅式换热器，第三路去空气增压机增压端，第四路外送作为全厂装置空气。其中，直接进入冷箱的主气流，先在低压板翅式换热器中与从精馏塔上塔来的气态产品换热冷却至接近于空气的露点，然后进入精馏塔下塔底部进行首次分离；送入空气增压机的空气，从增压机中部抽出一股2.8 MPa的空气进入增压透平膨胀机组的增压端增压，增压后的气体被冷却器冷却至常温后进入冷箱，在高压板翅式换热器中再次冷却，然后去增压透平膨胀机组的膨胀端膨胀，膨胀后的含湿空气进入气液分离器，出气液分离器的空气与出低压板翅式换热器的低压空气汇合后，一起进入精馏塔下塔精馏，从气液分离器抽出的液空也送入精馏塔下塔，最终空气增压机出口约7.2 MPa的高压空气经空气增压机末级冷器冷却至常温后进入冷箱的高压板翅式换热器中，与精馏塔出来的高压液氧换热，使液氧汽化成气体产品，冷却后的空气经膨胀后大部分进入精馏塔下塔中部作为回流液，另一部分减压后进入精馏塔上塔中部作为回流液。在精馏塔下塔顶部引出0.48 MPa的低压氮气，低压氮气经低压板翅式换热器加热后送出冷箱；从精馏塔上塔下部抽出液氧，大部分液氧经高压液氧泵增压至5.5 MPa后进入高压板翅式换热器汽化并复热至常温（大气温度）后作为产品高压氧气送出。
2 氧气提取率计算
2.1 氧气提取率算式
X=qvo·Φo/（qvk·Φk）×100%（式中：X——氧气提取率，%；qvo——氧气产量，m3/h；Φo——产品氧气纯度，%；qvK——加工空气量，m3/h；ΦK——空气中氧含量，%）。
2.2 氧气提取率计算
2021年10月煤制天然气装置大修重启后，100%负荷下单套空分装置设计工况与2套在运空分装置（A/B）实际工况的对比见表1。
1）空分装置100%负荷下氧气提取率设计值：X=（51000×99.87%）/（265000×20.95%）×100%=91.74%。
2）空分装置100%负荷下氧气提取率实际值：① 空分装置A之XA=（51510×99.165%） /（272500×20.95%）×100%=89.47%；② 空分装置B之XB=（50112×98.92%）/（266190×20.95%）×100%=88.89%。
3 空分装置设计工况与实际工况的对比分析
100%负荷运行时空分装置A实际氧气提取率较设计值小91.74%-89.47%=2.27%，100%负荷运行时空分装置B实际氧气提取率较设计值小91.74%-88.89%=2.85%，即实际运行中2套空分装置的氧气提取率均较设计值低很多。空分装置设计工况与实际工况（见表1）的对比分析如下。
1）空分装置低压氮气提取率高（即低压氮气采出量多）。低压氮气原设计为运行3套空分装置外送，低压氮气外送量为26000×3=78 000 m3/h，而新天煤化煤制天然气装置实际运行中因氧气耗量较设计值少，运行2套空分装置即可满足煤制天然气装置105%负荷对氧气的需求量。实际运行中，100%负荷下空分装置A低压氮气采出量为39 445 m3/h，较设计值多出39445-26000=13 445 m3/h；100%负荷下空分装置B低压氮气采出量为34 194 m3/h，较设计值多出34194-26000=8 194 m3/h。空分装置低压氮气提取率高（即低压氮气采出量多），造成精馏塔内物料平衡、冷量平衡与设计参数有偏差，进而影响氧气提取率。
2）空分装置分离系统氧气提取率低。实际运行中，空分装置A外送污氮气中氧气含量为1.224%，较设计值0.390%高0.834%，100%负荷下空分装置A外送污氮气总量为146 832 m3/h，则经污氮气携带走的氧气量较设计值多出146832×0.834%=1 224.58 m3/h；空分装置B外送污氮气中氧气含量为1.130%，较设计值高0.74%，100%负荷下空分装置B外送污氮气总量为146 868 m3/h，则经污氮气携带走的氧气量较设计值多出146868×0.74%=1 086.82 m3/h。由此造成空分装置A/B分离系统氧气提取率低。
3）空分装置液氮采出量较设计量高出较多。原设计100%负荷下单套空分装置液氮采出量为200 m3/h（折标气），实际运行中2套空分装置液氮采出量均为3 100 m3/h（折标气）。空分装置分离系统液氮采出量大，导致分离系统冷量损失大，造成氧气提取率低。
4）外送装置空气量较设计值大。原设计100%负荷下单套空分装置装置空气外送量为4 718 m3/h，实际运行中，空分装置A装置空气外送量为15 473 m3/h，较设计值多出15473-4718=10 755 m3/h，因装置空气在分子筛出口进低压板翅式换热器管线上引出，则实际进入分离系统的氧气量减少了10755×20.95%=2 253.17 m3/h；空分装置B装置空气外送量为10 580 m3/h，较设计值多出10580-4718=5 862 m3/h，因装置空气在分子筛出口进低压板翅式换热器管线上引出，则实际进入分离系统的氧气量减少了5862×20.95%=1 228.09 m3/h。由此造成分离系统氧气提取率低。
5）粗氩气中氧含量较设计值高。原设计100%负荷下粗氩气中氧含量为2.500%，实际运行中，空分装置A粗氩气中氧含量（分析值）为10.213%，粗氩气中氧气损耗较设计值多出460×10.213%-1220×2.500%=16.48 m3/h；空分装置B粗氩气中氧含量（分析值）为9.500%，粗氩气中氧气损耗较设计值多1220×（9.500%-2.500%）=85.4 m3/h。
4 氧气提取率低的原因分析
更多内容详见《中氮肥》2025年第2期