大型低温空分装置：技术现状及前景趋势

廖治鹏

中国空分设备公司   杭州市东新路462号   邮编：310004

【摘要】本文结合大型低温空分装置流程的发展，简要介绍了几种常用空分流程的特点、空分流程的发展趋势和低温空分装置的一些技术现状及其发展的前景趋势。

关键词：低温空分流程；能耗；容量；技术；发展；趋势

1．引言

空气分离的方法可分为低温和非低温两种，其中非低温空气分离方法包括吸附、膜分离、化学分离法。由于目前在大规模制取氧、氮气液产品，尤其是在制取高纯度产品方面，低温分离法具有无法取代的竞争优势，而且只有低温分离法才具有可同时生产氩或（和）其它稀有气体产品能力，故低温法在空气分离的工业应用中占据非常重要的地位。1998年杭州第二届国际低温与制冷会议上，BOC专家特约作了报告，指出“3000～4000t/d氧这样的大型空分装置，毫无疑问只能使用低温装置”。

世界科技与经济飞速发展，各行业对氧氮氩的需求急增，用量越来越大，促使空分装置越造越大。现国外低温空分装置的特点是：

●      巨型化

●      填料塔

●      无氢制氩

●      内压缩

●      气液并产

●      高自动化

●      高可靠性

●      低能耗

●      长周期

低温空气分离装置近十年内在技术上取得了长足进步和发展，氧、氩提取率进一步提高，产品单位能耗进一步降低，系统可靠性也更有保证。在流程组织、机器、单元设备结构改进优化后，空分装置的技术经济指标也随之得到明显提高。空分设备的发展历程，是工艺流程和主要部机结构不断革新优化的过程，是单位能耗不断降低的过程。随着市场竞争的日益激烈，业主对空分设备的要求也越来越高，越来越严格，这就要求我们使空分流程和空分设备达到最佳化。本文将结合大型低温空分装置流程的发展，简要介绍了几种常用空分流程的特点、空分流程的发展趋势和低温空分装置的一些技术现状及其发展的前景趋势。

2．大型低温空分流程的近况

不同的空分流程有不同的特点、不同的适用场合和性能价格比。产品规格书是选择工艺流程的基础，产品种类（O2­、N2、Ar、Ke、Xe）、产品状态（气体、液体）产量、压力、纯度、变工况要求等是选择工艺流程所需要考虑的基本因素。

    我们知道，一个工艺流程能否实现，主要取决于三个方面：

●      冷量的数量和质量（即冷量的温度等级）能够满足要求；

●      精馏能够实现；

●      热交换系统的合理组织，能够将产品的低温冷量尽可能转换成同质量的

 加工空气的低温冷量，并尽可能减少其不可逆损失。

只要解决了上述三个方面的问题，就可以实现满足不同产品规格书要求的各种工艺流程。当然，对于一套空分装置来说，其技术经济指标是否先进和合理，还应对阻力、温差、膨胀机进出口状态等参数进行多方案计算、比较和分析，确定正确合理的参数匹配，求得最佳的性能价格比；还应解决预冷、净化、压缩、储存、控制等各方面的问题；还取决于机器、单元设备结构、阀门等配套设备的可靠性和先进性。

空分流程一般的定性概念是：膨胀空气进下塔的常规外压缩流程要高于膨胀空气进上塔的常规外压缩流程；膨胀空气进下塔的内压缩流程要高于膨胀空气进上塔的内压缩流程；膨胀空气进下塔的外压缩流程要高于膨胀空气进下塔的内压缩流程；膨胀空气进上塔的外压缩流程要高于膨胀空气进上塔的内压缩流程；液氧单泵内压缩流程要高于液氧液氮双泵内压缩流程（均指空气循环）。

2．1工艺流程的分类

◆    欧美空分装置的流程分类（表1）

表1：欧美空分流程的分类

附注：

①    国内目前常用流程。欧美已经很少在15000NM3O2/h容量以上的空分装置上使用常规流程；

②    利用冷凝蒸发器的位能，使出冷箱氧压达0.1-- 0.2Mpa，降低系统能耗；

武钢30000空分、马钢35000空分、宝钢72000空分装置即是此流程。

③    此流程是法液空专利，液氧被液氧泵压缩到0.7-- 1.3Mpa出冷箱，再进入氧气透平压缩机，适宜于要求高压产品的用户；

④    产品氧气以3.0Mpa以上压力出冷箱；

⑤    有空气单压、空气双压、空气叁压、氮压缩多种流程；

⑥    生产大量高压氮的空分流程；渭化40000空分即是此流程。

◆国内空分装置的流程分类

行业分法：偏重使用的参数

●冶金型：气氧以0.03Mpa压力出冷箱，经氧压机压缩至3.0Mpa送出；

●化工型：液泵将液氧压至10.０Mpa，复热后送出

代代分法：偏重流程中某个局部的改进，忽视流程整体的改进。

●第一代：铝带盘蓄冷器的高低压流程；

●第二代：铝带盘蓄冷器或石头蓄冷器的全低压流程；

●第三代：带产品气盘管的石头蓄冷器的全低压流程；

●第四代：切换板式主换热器的全低压流程；

●第五代：分子筛吸附、增压透平膨胀机、DCS控制的全低压流程；

●第六代：规整填料上塔、全精馏制氩的全低压流程；

●第七代：内压缩流程。

2．2膨胀空气进上塔的常规空分流程

此空分流程是采用分子筛净化、增压透平膨胀机制冷、膨胀空气进上塔的常规空分装置，典型的膨胀空气进上塔空分装置工艺流程图如图1，所示其工艺流程特点：

●    装置输出的氧气为常压（P=15～20Kpa），需采用氧气透平压缩机将出冷箱的常压

氧气压缩到所需要的压力。

●    氩的提取率取决于进上塔的膨胀空气量。进上塔的膨胀空气量少，氩的提取率高；进上塔的膨胀空气量增大，氩的提取率随之下降；进上塔的膨胀空气量达到某一限制时，氩的提取率将大幅度降低。

●    液体产量受到限制。为了多生产液体，膨胀空气量势必增大，氩的提取率就会降低，这是一对矛盾。当液体产量超过某一界限时会影响氩的提取率，更会使氩的提取率大幅度降低。另外由于上塔对膨胀空气量的限制，膨胀空气要采取旁通，液体产量依靠低压空气膨胀制冷循环获得，能耗很高。

●    氧气提取率可达99%以上，在控制液体产量使进上塔的膨胀空气量小于加工空气量的10%以内时，氩的提取率可大于80%，单位制氧+压氧（P=3.0MPa）能耗≤0.568kwh/m3。

                                 图1 膨胀空气进上塔的常规空分流程

2．3膨胀空气进下塔的空分流程

原料空气经预冷后进入纯化器组，在其中除去水分、二氧化碳、乙炔和某些有害组分，然后到膨胀机增压机进行全量增压。增压气经水冷却后进入冷箱内主换热器，被返流气体冷却到一定温度后，大部分正流空气进入膨胀机膨胀，提供装置所需要的冷量，少部分在主换热器下部继续冷却，出主换热器后与膨胀后空气汇合，进入下塔参与精馏过程。膨胀空气进下塔的空分流程如图2，其所示其工艺流程特点：

●    原料空气的压力要比常规流程高。根据需生产液体量的多少及膨胀机的效率和增压机的增压比，空气出空透的压力约在8.5～10bar之间变化。

●    原料空气中的氩基本上都进入液空，然后被送入上塔，因此可以得到很高的氩提取率。根据氧纯度和氧提取率的不同（现代空分装置，氧纯度均在99.6%及以上，氧提取率均在99%左右，因此变化不大），这种流程氩的提取率可以达到90～92%，这是膨胀空气进上塔的流程不可能达到的。

●    以30000Nm3/h空分装置为例，对膨胀空气进上塔和膨胀空气进下塔两种不同流程进行了详细的流程计算、精馏计算及技术经济比较。对于30000Nm3/h空分装置：膨胀空气进上塔流程，氩提取率按72%计算，氩产量为1100m3/h；膨胀空气进下塔流程，氩提取率按90%计算，氩产量为1290m3/h，后者比前者氩产量增多190 Nm3/h。然而，膨胀空气进上塔流程与膨胀空气进下塔流程相比，由于后者空压机排压比前者高，后者每小时要多消耗～2100KW的电能（0.9Mpa排压比0.64Mpa排压，空压机轴功率高～2100KW）

●    膨胀空气进下塔的流程比膨胀空气进上塔的流程更容易取消冷冻机。这是因为膨胀空气进下塔的流程加工空气压力高，进纯化器空气压力也高，所以空气中含水少，分子筛对二氧化碳的动吸附值也会提高，可减少分子筛量及再生气量，这为取消冷冻机无疑提供了更好的条件。

图2  膨胀空气进下塔流程示意图

2．4氧气自增压的空分流程

在常规的增压膨胀机制冷、分子筛吸附净化的空分流程的基础上，加上一台利用主冷液氧液面高度的氧气增压器（即辅助冷凝器），使出冷箱的氧气压力达到1.7～2.0bar的空分流程称为氧气自增压流程。

由图3可见，它是一个分子筛常温吸附净化空气、膨胀空气进下塔、带氧气增压器的空分流程，并采用了填料上塔、全精馏提氩技术。设置氧气增压器的目的，是为用氧压力不高的用户能直接使用出空分设备的氧气，或者是降低氧气再加压时的投资和压缩功耗。

●    这两种流程的组合。它保留了带氧气增压器流程和膨胀空气进下塔流程两种流程各自的优点，从而使该流程组合的技术经济指标得到了提升。

●    利用主冷液氧柱的高度H，使氧气增压器中的液氧静压提高，从而使出氧气增压器的氧气压力相应提高。液氧柱高度H由主冷的液面高度H1及主冷液氧抽口到氧气增压器液氧增压器液氧进口之间的垂直液柱高度H2两部分组成。

●    大型空分设备主冷与氧气增压器安装位置的高度差，可使出冷箱的氧气压力提高到2bar以上。然而，利用氧气增压器所能达到的氧气压力，不仅与这个高度差有关，还必须保证氧气增压器中液氧沸腾与空气冷凝之间有必要的温差。一般来说，这个温差制约了氧气压力的提高。

●    带氧气增压器的空分流程的核心问题是：精馏组织。因为入塔的饱和蒸汽和过热空气的比例大大减少，增加了一股氧气量1.30倍的液体空气，使得精馏组织更为复杂化。

图3  带氧气增压器的空分流程示意图

2．5液氧内压缩空气膨胀空分流程

来自主冷凝蒸发器的液氧被液氧泵压缩到所需要的压力，然后在换热器中被汽化和复热。为了使加压后液氧的低温冷量能够转换成为同一质量等级（或同一低温级）的冷量，使装置实现能量（冷量）的平衡，必须要有一股逆向流动的压缩空气在换热器中与加压后的液氧进行换热。在使液氧汽化和复热的同时，这股压缩空气则被冷却和液化，然后送入塔内参与精馏，使加压后液氧的低温冷量被吸收和保存下来，如此循环不断，达到最经济的目的。由于热动力学的原因，这股压缩空气必须在增压机中被压缩到高于液氧的压力（在有些装置中，这股压缩空气的压力也可以低于液氧的压力，这取决于各公司的习惯和他们各自的技术经济分析）。见图4。

液氧泵内压缩空气膨胀流程有以下几个主要优点：

●    由于用液氧泵和一台高压空气压缩机取代了价格昂贵的氧气透平压缩机，可使投资降低。这个优点在电费较低的地区尤其有吸引力；

●    由于液氧泵和空气增压机的备品配件比氧压机的备品配件价格低，因而可使维护保养成本降低；

●    使用液氧泵内压缩后，无高温气氧压缩，因此安全性更好，装置也更可靠；

●    用干燥空气增压机取代氧气透平压缩机后，由于增压机在某些情况下可以和原料空压机拼成一个机组，因而占地减少、安装费用省、操作方便、控制简化等等。

●    液氧泵的氧气压力比氧透压缩机组更容易调节；

                          图4  液氧内压缩空气膨胀空分流程示意图

2．6液氧内压缩氮气膨胀空分流程

对高压氮气有大量需求的化工过程，常用这种以氮气作为再循环介质的内压缩流程，这样可以减少一台运动设备，因而可以节省投资。以氮气作为再循环介质的内压缩流程见图5。

利用高压氮来使加压液氧汽化复热并回收其低温冷量的缺点是：由于氮气的冷凝温度比空气低，氮气的潜热比空气小，这就意味着为汽化同样数量的加压液氧，需要被压缩的氮气量要比空气量更多，而且，氮气的压力要高于空气的压力。由于被压缩的氮气来自冷箱，在冷箱里的氮气流路有压力损失，因此，循环氮压机的吸入压力要低于相应的增压空气压缩机的吸入压力，这意味着氮压机的压缩比要大于增压空气压缩机的压缩比。因此，在同样规模的内压缩流程中，氮压机的尺寸要比增压空气压缩机的尺寸大，耗功也要高一些。

                      图5 液氧内压缩氮气膨胀空分流程示意图

3．空分装置能耗

大型低温空分装置单位氧气的能耗在近来的5年内取得了长足的进步，单位能耗在过去的5年内下降了约6%，现在我们可预测：随着现在技术进步的速度，单位氧气能耗将在2010年到达0.28—0.30KWh/Nm3.（见图6）。

空分装置能耗下降的原因

●    原料空压机的电耗下降和增压膨胀机会收能量的增加。由于原料空压机和增压膨胀机使用三元流技术和计算机流体动力设计程序，使叶轮和密封的效率得到了前所未有的提高。

●    磁轴承的使用，减少了增压膨胀机的摩擦损失，提高了增压效率和膨胀效率。

●    空气纯化技术的使用，减少了装置的能量损失和设备的投资。

●    大型真空钎接的多股流高效换热器，改善了换热效果。现在高压、中压、低压多股流的换热都集中在一个换热单元内进行，使得冷量损失减小、换热系数增大、换热面积减少、板式造价降低。

●    浴式主冷凝蒸发器降低了下塔的操作压力。浴式主冷凝蒸发器降可在0.4K的温差下工作，与1.0K—1.5K的工作温差，可使空压机的电耗降低3%—4%。但此种需要格外小心主冷液氧碳氢化合物的含量

●    高效换热器的使用；填料的使用；冷冻机的取消；

图6  空分装置的单位氧能耗随年份变化图

4．空分装置容量

法国液化空气公司2002年3月得到3550t/dO2（约110000Nm3O2/h）的订单；

100000 Nm3O2/h以上等级的空分多在化工、石油系统，冶金系统的单套装置容量相对要小一些。国内空分在2004年的最大单台容量是52000Nm3O2/h。

低温空分装置的容量发展趋势如图7。根据现在的发展趋势，低温空分装置的最大容量在2010年可达到135000—150000 Nm3O2/h。而单套的吸附空分装置（PSA）或膜式空分装置到2004年还没有超过15000 Nm3O2/h

    低温空分装置到现在为止已表现出良的可靠性和安全性

                      图7  空分装置的容量随年份变化图

5．技术的综合趋势

就象分子筛取代切换板式、填料塔取代筛板塔一样，每一次设备的更新将引起空分技术的新发展，促成了现代空分的先进性，安庆性和可靠性。空分技术的未来发展趋势主要表现在入下方面：

●    装置往150000 Nm3O2/h容量和0.28—0.30KWh/Nm3能耗方向发展

●    氧提取率达99.0%，氩提取率达92—94%

●    PSA取代分子筛位置趋势，实现富氧空气进空分装置。

●    产品氧、氮液体泵内压缩。

内压缩流程具有安全性好、一次投资较低、维护使用方便、管理费用低等优点，虽然能耗指标较高，仍然是低温法大型空分装置的主要发展方向，这种趋势值得引起我们关注。

●    空气预冷系统不带冷冻机 

当产品的N2：O2＜ 1：1时，可取消冷水机组；

●    无热再生吸附技术

美国APCI变压解吸技术(无热再生)作为专利技术已应用于空分装置的分子筛净化系统中，由于不需加热即可将吸附剂再生，可使空分装置节能2%～3%。此无热再生技术必将取代现在的分子筛加温再生技术。

●    磁轴承液体膨胀机

磁轴承的应用可降低透平膨胀机的摩擦损失，可以进一步提高膨胀机的效率。当膨胀机效率达到88%—90%；增压比达到1.76，氩提取率可提高出5%；

●    膜式主冷      

与浴式冷凝蒸发器相比，膜式主冷的使用可以使主冷温差从 (1.0～1．5)K降低至0．4K，能耗减少3％—4％，但膜式主冷对安全性的要求很高。如果膜式主冷的安全性能得到保障，它将在未来的发展趋势中取代板翅式主冷。

●    规整填料在空分下塔    

由于规整填料的压降小，规整填料在空分下塔的使用也在增加。通过这些技术改进，在过去五年中外压缩流程制氧机的能耗减少了6％，可以预计2010年的单位氧耗将减小至(0.28—0.3)kWh/m3（见图6）。

●    负荷跟踪调节           

氧产量从70%到105%，只需30—40分钟的调整时间，甚至在更短的时间内完成。

●    FCS现场总线控制技术  

现场总线控制FCS取代现在的集中分散控制DCS，是未来空分装置控制方式的必然趋势。这是IT技术的发展给控制系统带来的必然的发展。

参考文献：
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[2]A．R Smith，J．Klosek，A review of air separation technologies and their integration with energy conversion process，Fuel Process Teclnology 70(2001)
[3]Walter F·Castle，Large-scale air separation systems：cryogenic，PSA，membrane methods，Proceedings ofICCR’98
[4]Jianguo Xu and Rakesh Agrawal，Advanced cryogenic air separation plants for carbonaceous fuel—based ammonia synthesis，Procccdings ofICm’98
[5]Robert M Thorogood，Devdopments in cryogenic air separation technology，Proceedings of ICEC 17，1998

[6]廖治鹏、林文强《大型内压缩流程空分设备的安全探讨》，北京：《气体分离》2005年第1期。