大型低溫空分裝置.doc

大型低溫空分裝置：技術(shù)現(xiàn)狀及前景趨勢中國空分設(shè)備公司 摘 要：本文結(jié)合大型低溫空分裝置流程的發(fā)展，簡要介紹了幾種常用空分流程的特點(diǎn)、空分流程的發(fā)展趨勢和低溫空分裝置的一些技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展的前景趨勢。 關(guān)鍵詞：低溫空分流程；能耗；容量；技術(shù)；發(fā)展；趨勢 1引言 空氣分離的方法可分為低溫和非低溫兩種，其中非低溫空氣分離方法包括吸附、膜分離、化學(xué)分離法。由于目前在大規(guī)模制取氧、氮?dú)庖寒a(chǎn)品，尤其是在制取高純度產(chǎn)品方面，低溫分離法具有無法取代的競爭優(yōu)勢，而且只有低溫分離法才具有可同時生產(chǎn)氬或（和）其它稀有氣體產(chǎn)品能力，故低溫法在空氣分離的工業(yè)應(yīng)用中占據(jù)非常重要的地位。1998年杭州第二屆國際低溫與制冷會議上，BOC專家特約作了報(bào)告，指出“30004000t/d氧這樣的大型空分裝置，毫無疑問只能使用低溫裝置”。 世界科技與經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，各行業(yè)對氧氮?dú)宓男枨蠹痹觯昧吭絹碓酱?，促使空分裝置越造越大。現(xiàn)國外低溫空分裝置的特點(diǎn)是： 巨型化 填料塔 無氫制氬 內(nèi)壓縮 氣液并產(chǎn) 高自動化 高可靠性 低能耗 長周期 低溫空氣分離裝置近十年內(nèi)在技術(shù)上取得了長足進(jìn)步和發(fā)展，氧、氬提取率進(jìn)一步提高，產(chǎn)品單位能耗進(jìn)一步降低，系統(tǒng)可靠性也更有保證。在流程組織、機(jī)器、單元設(shè)備結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化后，空分裝置的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也隨之得到明顯提高?？辗衷O(shè)備的發(fā)展歷程，是工藝流程和主要部機(jī)結(jié)構(gòu)不斷革新優(yōu)化的過程，是單位能耗不斷降低的過程。隨著市場競爭的日益激烈，業(yè)主對空分設(shè)備的要求也越來越高，越來越嚴(yán)格，這就要求我們使空分流程和空分設(shè)備達(dá)到最佳化。本文將結(jié)合大型低溫空分裝置流程的發(fā)展，簡要介紹了幾種常用空分流程的特點(diǎn)、空分流程的發(fā)展趨勢和低溫空分裝置的一些技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展的前景趨勢。 2大型低溫空分流程的近況 不同的空分流程有不同的特點(diǎn)、不同的適用場合和性能價(jià)格比。產(chǎn)品規(guī)格書是選擇工藝流程的基礎(chǔ)，產(chǎn)品種類（O2­、N2、Ar、Ke、Xe）、產(chǎn)品狀態(tài)（氣體、液體）產(chǎn)量、壓力、純度、變工況要求等是選擇工藝流程所需要考慮的基本因素。我們知道，一個工藝流程能否實(shí)現(xiàn)，主要取決于三個方面： 冷量的數(shù)量和質(zhì)量（即冷量的溫度等級）能夠滿足要求； 精餾能夠?qū)崿F(xiàn)； 熱交換系統(tǒng)的合理組織，能夠?qū)a(chǎn)品的低溫冷量盡可能轉(zhuǎn)換成同質(zhì)量的 加工空氣的低溫冷量，并盡可能減少其不可逆損失。 只要解決了上述三個方面的問題，就可以實(shí)現(xiàn)滿足不同產(chǎn)品規(guī)格書要求的各種工藝流程。當(dāng)然，對于一套空分裝置來說，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是否先進(jìn)和合理，還應(yīng)對阻力、溫差、膨脹機(jī)進(jìn)出口狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行多方案計(jì)算、比較和分析，確定正確合理的參數(shù)匹配，求得最佳的性能價(jià)格比；還應(yīng)解決預(yù)冷、凈化、壓縮、儲存、控制等各方面的問題；還取決于機(jī)器、單元設(shè)備結(jié)構(gòu)、閥門等配套設(shè)備的可靠性和先進(jìn)性。 空分流程一般的定性概念是：膨脹空氣進(jìn)下塔的常規(guī)外壓縮流程要高于膨脹空氣進(jìn)上塔的常規(guī)外壓縮流程；膨脹空氣進(jìn)下塔的內(nèi)壓縮流程要高于膨脹空氣進(jìn)上塔的內(nèi)壓縮流程；膨脹空氣進(jìn)下塔的外壓縮流程要高于膨脹空氣進(jìn)下塔的內(nèi)壓縮流程；膨脹空氣進(jìn)上塔的外壓縮流程要高于膨脹空氣進(jìn)上塔的內(nèi)壓縮流程；液氧單泵內(nèi)壓縮流程要高于液氧液氮雙泵內(nèi)壓縮流程（均指空氣循環(huán)）。 21工藝流程的分類 歐美空分裝置的流程分類（表1） 表1：歐美空分流程的分類 流程類型具體流程 膨脹空氣進(jìn)上塔的空分流程1、常規(guī)流程（國內(nèi)說的第六代空分流程） 2、帶氧氣增壓器的空分流程 3、部分內(nèi)壓縮和氧氣壓縮機(jī)的空分流程 4、內(nèi)壓縮流程 膨脹空氣進(jìn)下塔的空分流程5、氬提取率高、液體產(chǎn)品率高的空分流程 6、氬提取率高、液體產(chǎn)品率高帶氧氣增壓器的 空分流程 7、內(nèi)壓縮流程 氮循環(huán)制冷的內(nèi)壓縮空分流程8、氮循環(huán)制冷的內(nèi)壓縮空分流程附注： 國內(nèi)目前常用流程。歐美已經(jīng)很少在15000NM3O2/h容量以上的空分裝置上使用常規(guī)流程； 利用冷凝蒸發(fā)器的位能，使出冷箱氧壓達(dá)0.1- 0.2Mpa，降低系統(tǒng)能耗； 武鋼30000空分、馬鋼35000空分、寶鋼72000空分裝置即是此流程。 此流程是法液空專利，液氧被液氧泵壓縮到0.7- 1.3Mpa出冷箱，再進(jìn)入氧氣透平壓縮機(jī)，適宜于要求高壓產(chǎn)品的用戶； 產(chǎn)品氧氣以3.0Mpa以上壓力出冷箱； 有空氣單壓、空氣雙壓、空氣叁壓、氮壓縮多種流程； 生產(chǎn)大量高壓氮的空分流程；渭化40000空分即是此流程。 國內(nèi)空分裝置的流程分類 行業(yè)分法：偏重使用的參數(shù) 冶金型：氣氧以0.03Mpa壓力出冷箱，經(jīng)氧壓機(jī)壓縮至3.0Mpa送出； 化工型：液泵將液氧壓至10.Mpa，復(fù)熱后送出 代代分法：偏重流程中某個局部的改進(jìn)，忽視流程整體的改進(jìn)。 第一代：鋁帶盤蓄冷器的高低壓流程； 第二代：鋁帶盤蓄冷器或石頭蓄冷器的全低壓流程； 第三代：帶產(chǎn)品氣盤管的石頭蓄冷器的全低壓流程； 第四代：切換板式主換熱器的全低壓流程； 第五代：分子篩吸附、增壓透平膨脹機(jī)、DCS控制的全低壓流程； 第六代：規(guī)整填料上塔、全精餾制氬的全低壓流程； 第七代：內(nèi)壓縮流程。 22膨脹空氣進(jìn)上塔的常規(guī)空分流程 此空分流程是采用分子篩凈化、增雇鈣腳蛘突評洹蛘涂掌纖某嬋輾腫爸茫湫偷吶蛘涂掌纖輾腫爸霉樟鞒掏既繽?，所示其工藝流程特點(diǎn)： 裝置輸出的氧氣為常壓（P=1520Kpa），需采用氧氣透平壓縮機(jī)將出冷箱的常壓 氧氣壓縮到所需要的壓力。 氬的提取率取決于進(jìn)上塔的膨脹空氣量。進(jìn)上塔的膨脹空氣量少，氬的提取率高；進(jìn)上塔的膨脹空氣量增大，氬的提取率隨之下降；進(jìn)上塔的膨脹空氣量達(dá)到某一限制時，氬的提取率將大幅度降低。 液體產(chǎn)量受到限制。為了多生產(chǎn)液體，膨脹空氣量勢必增大，氬的提取率就會降低，這是一對矛盾。當(dāng)液體產(chǎn)量超過某一界限時會影響氬的提取率，更會使氬的提取率大幅度降低。另外由于上塔對膨脹空氣量的限制，膨脹空氣要采取旁通，液體產(chǎn)量依靠低壓空氣膨脹制冷循環(huán)獲得，能耗很高。 氧氣提取率可達(dá)99%以上，在控制液體產(chǎn)量使進(jìn)上塔的膨脹空氣量小于加工空氣量的10%以內(nèi)時，氬的提取率可大于80%，單位制氧+壓氧（P=3.0MPa）能耗0.568kwh/m3。 圖1 膨脹空氣進(jìn)上塔的常規(guī)空分流程 23膨脹空氣進(jìn)下塔的空分流程 原料空氣經(jīng)預(yù)冷后進(jìn)入純化器組，在其中除去水分、二氧化碳、乙炔和某些有害組分，然后到膨脹機(jī)增壓機(jī)進(jìn)行全量增壓。增壓氣經(jīng)水冷卻后進(jìn)入冷箱內(nèi)主換熱器，被返流氣體冷卻到一定溫度后，大部分正流空氣進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹，提供裝置所需要的冷量，少部分在主換熱器下部繼續(xù)冷卻，出主換熱器后與膨脹后空氣匯合，進(jìn)入下塔參與精餾過程。膨脹空氣進(jìn)下塔的空分流程如圖2，其所示其工藝流程特點(diǎn)： 原料空氣的壓力要比常規(guī)流程高。根據(jù)需生產(chǎn)液體量的多少及膨脹機(jī)的效率和增壓機(jī)的增壓比，空氣出空透的壓力約在8.510bar之間變化。 原料空氣中的氬基本上都進(jìn)入液空，然后被送入上塔，因此可以得到很高的氬提取率。根據(jù)氧純度和氧提取率的不同（現(xiàn)代空分裝置，氧純度均在99.6%及以上，氧提取率均在99%左右，因此變化不大），這種流程氬的提取率可以達(dá)到9092%，這是膨脹空氣進(jìn)上塔的流程不可能達(dá)到的。 以30000Nm3/h空分裝置為例，對膨脹空氣進(jìn)上塔和膨脹空氣進(jìn)下塔兩種不同流程進(jìn)行了詳細(xì)的流程計(jì)算、精餾計(jì)算及技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。對于30000Nm3/h空分裝置：膨脹空氣進(jìn)上塔流程，氬提取率按72%計(jì)算，氬產(chǎn)量為1100m3/h；膨脹空氣進(jìn)下塔流程，氬提取率按90%計(jì)算，氬產(chǎn)量為1290m3/h，后者比前者氬產(chǎn)量增多190 Nm3/h。然而，膨脹空氣進(jìn)上塔流程與膨脹空氣進(jìn)下塔流程相比，由于后者空壓機(jī)排壓比前者高，后者每小時要多消耗2100KW的電能（0.9Mpa排壓比0.64Mpa排壓，空壓機(jī)軸功率高2100KW） 膨脹空氣進(jìn)下塔的流程比膨脹空氣進(jìn)上塔的流程更容易取消冷凍機(jī)。這是因?yàn)榕蛎浛諝膺M(jìn)下塔的流程加工空氣壓力高，進(jìn)純化器空氣壓力也高，所以空氣中含水少，分子篩對二氧化碳的動吸附值也會提高，可減少分子篩量及再生氣量，這為取消冷凍機(jī)無疑提供了更好的條件。 圖2 膨脹空氣進(jìn)下塔流程示意圖 24氧氣自增壓的空分流程 在常規(guī)的增壓膨脹機(jī)制冷、分子篩吸附凈化的空分流程的基礎(chǔ)上，加上一臺利用主冷液氧液面高度的氧氣增壓器（即輔助冷凝器），使出冷箱的氧氣壓力達(dá)到1.72.0bar的空分流程稱為氧氣自增壓流程。 由圖3可見，它是一個分子篩常溫吸附凈化空氣、膨脹空氣進(jìn)下塔、帶氧氣增壓器的空分流程，并采用了填料上塔、全精餾提氬技術(shù)。設(shè)置氧氣增壓器的目的，是為用氧壓力不高的用戶能直接使用出空分設(shè)備的氧氣，或者是降低氧氣再加壓時的投資和壓縮功耗。 這兩種流程的組合。它保留了帶氧氣增壓器流程和膨脹空氣進(jìn)下塔流程兩種流程各自的優(yōu)點(diǎn)，從而使該流程組合的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)得到了提升。 利用主冷液氧柱的高度H，使氧氣增壓器中的液氧靜壓提高，從而使出氧氣增壓器的氧氣壓力相應(yīng)提高。液氧柱高度H由主冷的液面高度H1及主冷液氧抽口到氧氣增壓器液氧增壓器液氧進(jìn)口之間的垂直液柱高度H2兩部分組成。 大型空分設(shè)備主冷與氧氣增壓器安裝位置的高度差，可使出冷箱的氧氣壓力提高到2bar以上。然而，利用氧氣增壓器所能達(dá)到的氧氣壓力，不僅與這個高度差有關(guān)，還必須保證氧氣增壓器中液氧沸騰與空氣冷凝之間有必要的溫差。一般來說，這個溫差制約了氧氣壓力的提高。 帶氧氣增壓器的空分流程的核心問題是：精餾組織。因?yàn)槿胨娘柡驼羝瓦^熱空氣的比例大大減少，增加了一股氧氣量1.30倍的液體空氣，使得精餾組織更為復(fù)雜化。 圖3 帶氧氣增壓器的空分流程示意圖 25液氧內(nèi)壓縮空氣膨脹空分流程 來自主冷凝蒸發(fā)器的液氧被液氧泵壓縮到所需要的壓力，然后在換熱器中被汽化和復(fù)熱。為了使加壓后液氧的低溫冷量能夠轉(zhuǎn)換成為同一質(zhì)量等級（或同一低溫級）的冷量，使裝置實(shí)現(xiàn)能量（冷量）的平衡，必須要有一股逆向流動的壓縮空氣在換熱器中與加壓后的液氧進(jìn)行換熱。在使液氧汽化和復(fù)熱的同時，這股壓縮空氣則被冷卻和液化，然后送入塔內(nèi)參與精餾，使加壓后液氧的低溫冷量被吸收和保存下來，如此循環(huán)不斷，達(dá)到最經(jīng)濟(jì)的目的。由于熱動力學(xué)的原因，這股壓縮空氣必須在增壓機(jī)中被壓縮到高于液氧的壓力（在有些裝置中，這股壓縮空氣的壓力也可以低于液氧的壓力，這取決于各公司的習(xí)慣和他們各自的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析）。見圖4。 液氧泵內(nèi)壓縮空氣膨脹流程有以下幾個主要優(yōu)點(diǎn)： 由于用液氧泵和一臺高壓空氣壓縮機(jī)取代了價(jià)格昂貴的氧氣透平壓縮機(jī)，可使投資降低。這個優(yōu)點(diǎn)在電費(fèi)較低的地區(qū)尤其有吸引力； 由于液氧泵和空氣增壓機(jī)的備品配件比氧壓機(jī)的備品配件價(jià)格低，因而可使維護(hù)保養(yǎng)成本降低； 使用液氧泵內(nèi)壓縮后，無高溫氣氧壓縮，因此安全性更好，裝置也更可靠； 用干燥空氣增壓機(jī)取代氧氣透平壓縮機(jī)后，由于增壓機(jī)在某些情況下可以和原料空壓機(jī)拼成一個機(jī)組，因而占地減少、安裝費(fèi)用省、操作方便、控制簡化等等。 液氧泵的氧氣壓力比氧透壓縮機(jī)組更容易調(diào)節(jié)； 圖4 液氧內(nèi)壓縮空氣膨脹空分流程示意圖 26液氧內(nèi)壓縮氮?dú)馀蛎浛辗至鞒?對高壓氮?dú)庥写罅啃枨蟮幕み^程，常用這種以氮?dú)庾鳛樵傺h(huán)介質(zhì)的內(nèi)壓縮流程，這樣可以減少一臺運(yùn)動設(shè)備，因而可以節(jié)省投資。以氮?dú)庾鳛樵傺h(huán)介質(zhì)的內(nèi)壓縮流程見圖5。 利用高壓氮來使加壓液氧汽化復(fù)熱并回收其低溫冷量的缺點(diǎn)是：由于氮?dú)獾睦淠郎囟缺瓤諝獾?，氮?dú)獾臐摕岜瓤諝庑。@就意味著為汽化同樣數(shù)量的加壓液氧，需要被壓縮的氮?dú)饬恳瓤諝饬扛?，而且，氮?dú)獾膲毫σ哂诳諝獾膲毫?。由于被壓縮的氮?dú)鈦碜岳湎?，在冷箱里的氮?dú)饬髀酚袎毫p失，因此，循環(huán)氮壓機(jī)的吸入壓力要低于相應(yīng)的增壓空氣壓縮機(jī)的吸入壓力，這意味著氮壓機(jī)的壓縮比要大于增壓空氣壓縮機(jī)的壓縮比。因此，在同樣規(guī)模的內(nèi)壓縮流程中，氮壓機(jī)的尺寸要比增壓空氣壓縮機(jī)的尺寸大，耗功也要高一些。 圖5 液氧內(nèi)壓縮氮?dú)馀蛎浛辗至鞒淌疽鈭D 3空分裝置能耗 大型低溫空分裝置單位氧氣的能耗在近來的5年內(nèi)取得了長足的進(jìn)步，單位能耗在過去的5年內(nèi)下降了約6%，現(xiàn)在我們可預(yù)測：隨著現(xiàn)在技術(shù)進(jìn)步的速度，單位氧氣能耗將在2010年到達(dá)0.280.30KWh/Nm3.（見圖6）。 空分裝置能耗下降的原因 原料空壓機(jī)的電耗下降和增壓膨脹機(jī)會收能量的增加。由于原料空壓機(jī)和增壓膨脹機(jī)使用三元流技術(shù)和計(jì)算機(jī)流體動力設(shè)計(jì)程序，使葉輪和密封的效率得到了前所未有的提高。 磁軸承的使用，減少了增壓膨脹機(jī)的摩擦損失，提高了增壓效率和膨脹效率。 空氣純化技術(shù)的使用，減少了裝置的能量損失和設(shè)備的投資。 大型真空釬接的多股流高效換熱器，改善了換熱效果。現(xiàn)在高壓、中壓、低壓多股流的換熱都集中在一個換熱單元內(nèi)進(jìn)行，使得冷量損失減小、換熱系數(shù)增大、換熱面積減少、板式造價(jià)降低。 浴式主冷凝蒸發(fā)器降低了下塔的操作壓力。浴式主冷凝蒸發(fā)器降可在0.4K的溫差下工作，與1.0K1.5K的工作溫差，可使空壓機(jī)的電耗降低3%4%。但此種需要格外小心主冷液氧碳?xì)浠衔锏暮?高效換熱器的使用；填料的使用；冷凍機(jī)的取消； 圖6 空分裝置的單位氧能耗隨年份變化圖 4空分裝置容量 法國液化空氣公司2002年3月得到3550t/dO2（約110000Nm3O2/h）的訂單； 100000 Nm3O2/h以上等級的空分多在化工、石油系統(tǒng)，冶金系統(tǒng)的單套裝置容量相對要小一些。國內(nèi)空分在2004年的最大單臺容量是52000Nm3O2/h。 低溫空分裝置的容量發(fā)展趨勢如圖7。根據(jù)現(xiàn)在的發(fā)展趨勢，低溫空分裝置的最大容量在2010年可達(dá)到135000150000 Nm3O2/h。而單套的吸附空分裝置（PSA）或膜式空分裝置到2004年還沒有超過15000 Nm3O2/h低溫空分裝置到現(xiàn)在為止已表現(xiàn)出良的可靠性和安全性 圖7 空分裝置的容量隨年份變化圖 5技術(shù)的綜合趨勢 就象分子篩取代切換板式、填料塔取代篩板塔一樣，每一次設(shè)備的更新將引起空分技術(shù)的新發(fā)展，促成了現(xiàn)代空分的先進(jìn)性，安慶性和可靠性。空分技術(shù)的未來發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在入下方面： 裝置往150000 Nm3O2/h容量和0.280.30KWh/Nm3能耗方向發(fā)展 氧提取率達(dá)99.0%，氬提取率達(dá)9294% PSA取代分子篩位置趨勢，實(shí)現(xiàn)富氧空氣進(jìn)空分裝置。 產(chǎn)品氧