A 作者:张立峰(杭州锦华气体设备有限公司副总经理)
关键词:气体分离;超大型空分;液化天然气;全提取;煤层气;油库气;沼气
中图分类号:TB657.7 文献标识码:A
前言
气体分离设备制造行业的兴起,最早始于1903年,由德国科学家卡尔·林德教授发明设计的第一套10m3/h制氧空气分离设备。距今已经有100多年的历史了,在这100多年中,随着科学技术的不断发展和新技术的不断涌现,气体分离行业在世界各地纷纷开枝散叶,深冷技术也是日趋完善。而我国的气体分离行业是新中国成立后才建立和发展起来的一门新兴工业,发展到今天也不过50多年的历史,然而在世界的气体分离行业中却也已经取得了举足轻重的地位。由最初的一枝独秀——杭州制氧机厂,到杭氧、开空、川空的三足鼎立,再到现在深冷企业的百花齐放,再加上林德、法液空等大型跨国气体企业的加入,使得国内气体行业的发展异常的繁荣。然而随着国内气体行业的不断兴盛,行业内部的竞争也会随之愈演愈烈。如果国内气体企业只是在传统气体领域内长期相互竞争,大打价格战,必然会导致产品质量的不断下降,同时设备制造企业的合法利润也会得不到保障,最终会导致气体行业的混乱。
气体分离技术在我国的发展虽然只有50多年,然而制造能力已经由建国初期的几十立方设备发展到现在的几万等级的大型空分设备。目前国内的气体分离技术已经基本成熟,那么对其将来的发展又该何去何从?现结合近几年来,我国气体分离行业的发展状况,从不同角度对中国不同气体行业的发展进行一个较为广泛的探讨,以求为中国气体行业的可持续性发展寻求更多的契机。
1. 超大型空分技术的研发
随着我国化工、冶金、电力,特别是煤化工的不断发展,对40000Nm3/h等级以上的大型、超大型空分的需求市场越来越大。
目前法液空、林德、APCI等大型跨国空分企业都将超大型空分的发展目标聚焦在100000Nm3/h~150000Nm3/h等级,甚至法液空声称可以制造180000Nm3/h等级的超大型空分设备。但是针对我国目前的国情和国内空分企业的实力,最好不要盲目的跟风,因为对于超大空分,一方面我们没有国外市场,另一方面国内的大型空分市场也 主要集中在40000Nm3/h~100000Nm3/h等级之内。而40000Nm3/h ~60000Nm3/h等级的大型空分技术,现在国内已经非常成熟。所以对于目前超大型空分设备的研发我们应该将精力主要集中在80000Nm3/h ~100000Nm3/h等级之内。
目前,国内已经开车运行成功的最大空分设备为杭州制氧机厂生产的60000Nm3/h等级的大型空分设备。虽然,杭氧和开空都已经对80000Nm3/h等级的超大型空分设备的生产制造进行了技术储备,但是仍有许多技术问题需要解决。
1.1 运输问题
超限设备的运输问题是制约国内大型空分制造的一个关键因素。因为80000Nm3/h等级以上的空分设备,许多单体设备直径都在五米以上,陆路运输难以实现,所以部分设备要在港口或用户现场进行生产制造,这样就会增加很大一部分制造费用。所以如何提高设备的效率,减少无效空间 ,缩小设备体积,也可是我们下一步需要研究的一个方向。
1.2原料离心空压机的选型问题
针对80000Nm3/h等级的超大型空分装置,空压机的排气量需要达到430000Nm3/h。如此大的排气量,空压机选型就很困难。于是就需要采用轴流加离心式的压缩机。如此,压缩机的造价和能耗就会很高。但是随着离心机技术的快速升级,现在曼透和西门子离心机厂家已经研发出了可以应用于90000Nm3/h等级空分设备上的离心机,极大地降低了设备制造成本和能耗,也为超大型空分设备的发展解决了一个大难题。
1.3自制设备的一些技术问题
在我国空分技术发展的历史上,每一代空分技术的革新都是由单体设备的技术改进所促进的。随着空分规模的不断增大,单体设备的尺寸已经不仅仅是简单的等比例放大,一些单体设备的结构也需要进一步的改进[1]。目前行业里探讨最多的主要有以下几个方面:第一,立式径向流分子筛吸附器的开发推广[2];第二,规整填料下塔的开发利用;第三,卧式或多层主冷凝蒸发器[3]的开发以及膜式主冷安全性的再探讨;第四,高压板式换热器的国产化[4],等等。对于超大型空分设备的研发,这些问题也都需要我们不断地去研究解决。
2 天然气液化及冷能利用
天然气,作为一种优质、高效的清洁能源气体,在能源消耗份额中已经占据着越来越大的比重。然而我国的天然气在一次消费中所占的比重却不足2%,远远低于世界25%和亚洲8.8%的平均水平,所以在国内来说液化天然气还是具有巨大的增长潜力的【5】。而深冷技术在天然气方面的应用主要在于以下两个方面。
2.1 天然气液化技术
当天然气在一个大气压下,冷却至约-162℃时,天然气由气态转变成液态,称为液化天然气(LNG)。天然气液化的主要目的:①分离提纯;② 调峰;③ 便于储存运输。其体积约为等量气态天然气体积的1/625,重量仅为水的45%。在储存和大量地远距离运输方面与天然气相比具有非常大的优势。随着我国经济的快速发展,天然气需求也将大幅度增长,LNG的优势也将越来越明显。
早在60年代,国家科委就制订了 LNG 发展规划,60年代中期完成了工业性试验,四川石油管理局威远化工厂拥有国内最早的天然气深冷分离及液化的工业生产装置。然而,我国目前的天然气液化技术还远远落后于国外的技术水平,主要还是以中小型的液化装置为主。随着我国LNG需求量的不断增大,对于气体分离行业来说,开发大规模的天然气液化装置也是一个很有潜力的发展方向。
2.2 LNG冷能利用
LNG的终端用户在最终使用LNG的时候,使用的仍然是气态的天然气,那么对于终端用户来说由LNG转化为气态天然气的这部分冷能的利用也有着非常大的潜力。并且随着LNG冷能利用技术研究的不断深入,冷能利用的方向也逐步的走向多元化【6】。比如:冷能发电、空气分离、冷库、海水淡化、液化二氧化碳制取干冰等等。但是目前的大多数研究还只停留在简单的冷能利用上,而没有考虑冷能的有效利用,因为不同温度段的LNG,其冷能的品级是不一样的。所以,如何将这部分冷能逐级、有效地利用也应该作为我们下一步对LNG冷能利用的一个研究方向。
3 全提取技术的推广
空气中的成分,除了78.1%的氮气和20.9%的氧气外,含量最多的就是0.9%的氩气,除此之外还有0.1%的水、二氧化碳、其他的惰性气体和一些杂质气体。其中氦、氖、氩、氪、氙等稀有气体在工业发展中的起着非常重要的作用,氪和氙还被称为“黄金气体”,具有非常高的工业价值。/Page/
目前国内的全精馏无氢制氩技术【7】已经非常成熟,氩的提取率已经达到了90%以上,技术水平也已经达到了世界水平。然而随着40000Nm3/h等级以上超大型空分设备的不断涌现,氦、氖、氪、氙等惰性气体的含量也已经不可忽视。早在1991年,武钢就从德国林德公司引进了一套为30000Nm3/h配套的氪氙连续生产装置,产品纯度达到了99.999%【7】。而我国深冷行业在全提取方面的工业技术还并不是很完善,并且由于整个系统非常复杂,普通大型空分设备的用户也并不热衷于这方面的投资。所以全提取设备的开发还需要争取稀有气体最终用户的加入。鉴于此,对于我国全提取设备的开发,首先应将稀有气体提纯设备从空分设备独立出来。先从空分设备中制取高浓度的氦、氖粗混合气和氪、氙粗混合气;然后再分别进入独立的提纯装置进一步提纯,从而得到高纯度的氦、氖、氪、氙气体【8】,这样既能保障氧氮用户的利益,又能促进稀有气体技术的灵活的发展。
目前我国在高纯稀有气体制取技术上,已经进行了大量的理论研究,但是真正的大规模工业化生产还有待进一步的推广。
4 气体分离技术在其他领域的应用
随着我国气体分离技术的不断发展,在其他新领域的应用也在不断地拓展。尤其是随着人类环保意识和节能意识的不断增强,气体分离技术在这两个领域里更是有着非常广阔的前景。以下,我们就简单列举几个气体分离技术在环保、能源气体方面的实际应用。
4.1 煤层气液化技术
煤层气俗称“瓦斯”,其主要成分是CH4(甲烷),是主要存在于煤矿的伴生气体,也是天然气存在形态的一种。以前我国煤矿企业对于煤层气的处理,大多是火炬燃烧或直排,特别是一些小型私人煤矿,直排现象非常严重。CH4也是一种非常严重的温室效应气体,其温室效应相当于CO2的21倍,对臭氧层的破坏效应是CO2的7倍。所以,从环保角度讲,对煤层气的回收利用是刻不容缓的。
另外,随着我国国民经济的快速增长,中国对能源的需求量将日益增大。目前,中国已经成为石油、液化天然气的纯进口国。从资源利用的角度,
开发应用煤层气也已成为必然趋势。我国目前对于煤层气的利用途径主要有:民用、发电、工业燃料、化工、汽车燃料等。煤层气开发不仅可以在一定程度上缓解能源供给不足的矛盾,而且煤层气的产业开发和利用也会为煤炭、石油企业带来新的利润增长点。
虽然煤层气的主要成分和天然气一样都是CH4,我们都可以采用深冷技术将其液化为LNG【9,10】,再进行利用。但是与天然气比较,煤层气的开发利用还是存在几个难点的。首先,是气源的不稳定性。煤层气的不稳定性一方面在于气量的不稳定性,另一方面还在于组分的不稳定性。这就要求深冷装置的设计不能只针对一个设计点,对于不同气源的处理应该更加灵活。其次,一些煤层气中不同程度的含有部分氧气,对压缩机的防爆要求就非常高。这也为煤层气压缩机的设计增加了难度。再有,就是对于超低浓度煤层气(CH4含量≤5%)的回收利用。单纯的通过液化回收利用已经不太现实,所以我们还需要结合其他的技术进行处理,比如吸附、辅助燃烧等【11】。
4.2 油库气的捕集
随着我国机动车数量快速增长,汽油消耗量也随之快速增加。同时由于汽油挥发性较强,每年由油库排入大气的油库气也相当惊人。一方面,造成了能源的极大浪费;另一方面,油库气是由多种碳氢化合物组成的挥发性有机物VOCs,它们是造成光化学污染的主要原因之一,因为它们在强烈的光照下,和氮氧化物之间发生光化学反应产生光化学烟雾,严重危害人体健康和生态安全,其中某些成分还具有致癌作用,危害人体健康。
因此,如何处理油库气,已成为我国环保部门“减排”指标主要控制对象之一。其控制指标需要将C3以上烷烃的排空含量控制在ppm级。这一要求,按常规采用一般的吸收或吸附的方法是无法达到的。因此如何控制油气对我国大气环境质量的影响,已成为国内科技界当前十分紧迫的任务。
2008年由杭州锦华气体设备有限公司与空军后勤部油料科研究所合作,将深冷技术应用于油气的回收,研发出第一套适用于石化行业的油气回收装置。该装置将油库气中的油气液化提纯回收,将剩余合格气体排放大气。不仅避免了能源浪费,而且减少了油库气排放对大气的污染。是气体分离技术在节能环保领域的又一个技术创新。
4.3 沼气净化技术【12】
沼气是来源于太阳能的一种可再生能源,具有资源丰富、含碳量低的特点,加之在其生长过程中吸收大气中的CO2,因而用新技术开发利用沼气能不仅有助于减轻温室效应和促进生态良性循环,而且可替代部分石油、煤炭等化石燃料,成为解决能源与环境问题的重要途径。尤其是近几年来,随着人们环保意识的不断增强,人们开始利用各种方式来减少工农业生产对环境的破坏。
天然沼气的主要成分是CH4和CO2,一般CH4浓度在50%左右,是一种清洁的、具有较高热值的可燃气体,并且抗爆性能也比较好。但是由于甲烷浓度相对偏低,其燃烧热值远低于天然气(甲烷含量≥95%)的燃烧热值,所以沼气的可应用范围相对来说就比较窄。近十年来,随着沼气产业的不断拓展,沼气产量也在不断的增长,如何能够更广泛、更高效地利用沼气,已经成为我们所面临的一个重要课题。
如果能够结合气体分离技术,将沼气中的CH4含量提高到95%,同时将其中的一些杂质气体清除掉,特别是CO2,如果能够将其回收利用,那么沼气的经济价值就会更高。得到的95% CH4含量的沼气就可以直接并入天然气管网作为天然气使用。那么就可以把沼气的应用领域推广到所有天然气的可利用领域,比如:家用燃气、机动车燃料【13】、发电、化工原料等。沼气的产业化发展将会得到更大的发挥空间。
5结束语
我国气体分离行业的发展经历了建国以来50多年的风风雨雨,虽然在技术水平上、生产能力上都取得了巨大的进步,但同时我们也要看到我们现在所处的危机。目前,世界气体工业的市场基本被美、德、法、日等国家的大型跨国公司所垄断,并有向发展中国家继续扩张的趋势,尤其是在我国工业气体市场更加活跃。因此,在这种形势下,我国的工业气体行业就亟需发展壮大。发展创新,开拓新的应用领域是行业发展的根本;解决国内气体行业“散、小、乱、差”的问题,推进工业气体行业整合一体化发展也是重中之重。
参考文献:
【1】周智勇,大型空分设备技术现状及进展【J】.深冷技术,2007(5):1-5
【2】李剑锋,周寒秋,林秀娜.径向流分子筛吸附器流场数值模拟【J】.深冷技术,2010(2):49-52
【3】毛央平.新型高效冷凝蒸发器及其安全性分析 【J】.深冷技术,2004(1):5-7
【4】柳红霞,毛央平.高压板翅式换热器的设计开发【J】. 深冷技术,2007(4):21-24
【5】安静,LNG产业发展新思考【J】.气体分离,2010(3):25-26
【6】李静,李志红.LNG冷能利用现状及发展前景【J】. 天然气工业,2005(5):103-105
【7】黄青山,蔡善国.武钢30000m3/h空分设备氪氙生产系统浅析【J】.深冷技术,2005(2):26-29
【8】毛绍荣,朱朔元,周智勇. 现代空分设备技术与操作原理【M】. 杭州:杭州出版社,2005:251-260
【9】景兴鹏,刘瑛良,郑登峰 煤层气利用技术研究现状【J】. 陕西煤炭,2007(6):10-12
【10】李红艳,贾林祥 煤层气液化技术【J】中国煤气,2006,3(3)32-33
【11】杨仲卿,张 力,唐强 超低浓度煤层气能源化利用技术研究进展【J】. 天然气工业,2010,30(2):1-4
【12】宋灿辉,肖 波,史晓燕,杨小燕 沼气净化技术现状【J】. 中国沼气,2007,25(2):23-27
【13】尹 兵,陈路明,孔庆平 车用沼气提纯净化工艺技术研究【J】.现代化工,2009,29(11):28-33