丁傳琪

(中國(guó)空分設(shè)備有限公司，浙江杭州 310051)

0 引言

近年來(lái)，內(nèi)壓縮空分流程以其安全性和產(chǎn)品的多樣性越來(lái)越受到冶金及化工企業(yè)的推崇。另一方面，內(nèi)壓縮流程的組織形式富含變化，在制定技術(shù)方案階段往往可根據(jù)用戶的實(shí)際需求，包括產(chǎn)品種類、產(chǎn)品產(chǎn)量、壓力等級(jí)等，對(duì)常規(guī)內(nèi)壓縮流程組織形式做出相應(yīng)的優(yōu)化，來(lái)尋求最符合用戶產(chǎn)品要求的流程組織，以達(dá)到減少投資、節(jié)能降耗的目的。本文將通過(guò)一個(gè)實(shí)例，從最初獲取用戶產(chǎn)品要求開始，分析并選取兩種流程組織形式進(jìn)行比較，來(lái)共同探討如何選取適合的內(nèi)壓縮流程組織形式。

1 要求

某5000 Nm3/h空分出口項(xiàng)目，用戶產(chǎn)品要求見表1，氧產(chǎn)品要求采用內(nèi)壓縮。

表1 產(chǎn)品規(guī)格Table1 Products specification

2 分析

產(chǎn)品要求中，氧氣壓力0.25 MPa，靠主冷液氧自增壓已無(wú)法達(dá)到，需采用液氧泵。兩種氮?dú)猱a(chǎn)品中，2000 Nm3/h氮?dú)釯I產(chǎn)品可由下塔頂部抽取壓力氮?dú)猥@得;氮?dú)猱a(chǎn)品I可抽取上塔頂部低壓氮?dú)饨?jīng)氮壓機(jī)外壓縮得到。下塔氮純度要求高，氮?dú)釯I和液氮產(chǎn)品均取自下塔頂部，要求下塔有較大的回流比，會(huì)造成上塔回流液減少，降低上塔回流比，影響上塔氧產(chǎn)品提取率。液體產(chǎn)品比例小，所需冷量相比常規(guī)內(nèi)壓縮流程少，膨脹量不會(huì)很大。

根據(jù)以上分析結(jié)果，認(rèn)為本裝置雖然上塔回流比會(huì)偏小，但總體液體產(chǎn)量少，膨脹量不大，可考慮采用膨脹空氣進(jìn)上塔流程，充分利用上塔精餾潛力。另外，采用膨脹空氣進(jìn)上塔流程，將減少內(nèi)壓縮流程中增壓機(jī)的排氣量，相比常規(guī)增壓機(jī)中抽膨脹空氣進(jìn)下塔流程能耗會(huì)有明顯降低。換一個(gè)思路分析，本裝置氧氣產(chǎn)品壓力低，只有0.25 MPa，與其換熱的高壓空氣壓力估計(jì)也在幾MPa左右，如果采用增壓機(jī)增壓，則需1級(jí)或2級(jí)葉輪的增壓機(jī)，設(shè)備投資將增加。這時(shí)我們想到能否取消增壓機(jī)，而采用空壓機(jī)多加一級(jí)葉輪將原料空氣一壓到底的方式來(lái)簡(jiǎn)化流程。另外，空壓機(jī)排壓的提高使空氣中飽和含濕量減少，這對(duì)于分子篩吸附器的吸附工況是有利的。然而，隨著排壓的提高也將使空壓機(jī)能耗增加，這時(shí)我們可考慮采用膨脹空氣進(jìn)下塔的流程組織形式來(lái)提高裝置整體的提取率，通過(guò)降低空壓機(jī)排氣量來(lái)控制能耗指標(biāo)。

由此，通過(guò)分析得出兩種相對(duì)合理且可行的內(nèi)壓縮流程組織:第一種，膨脹空氣進(jìn)上塔流程;第二種，空壓機(jī)一壓到底，膨脹空氣進(jìn)下塔流程。

3 比較

3.1 流程比較

膨脹空氣進(jìn)上塔流程:出分子篩純化系統(tǒng)的空氣除去用作儀表空氣部分外，其余分三路:第一路空氣直接進(jìn)入主換熱器，被返流出來(lái)的氣體冷卻接近露點(diǎn)抽出，直接進(jìn)下塔參與精餾;第二路空氣進(jìn)入空氣增壓機(jī)組增壓后進(jìn)入主換熱器，被液化后節(jié)流進(jìn)下塔參與精餾;第三路空氣進(jìn)入增壓透平膨脹機(jī)增壓，經(jīng)主換熱器冷卻至一定溫度后去膨脹機(jī)膨脹，膨脹后進(jìn)上塔參與精餾。

圖1 膨脹空氣進(jìn)上塔流程Fig.1 Process of expanded air feed to low pressure column

空壓機(jī)一壓到底，膨脹空氣進(jìn)下塔流程:出分子篩純化系統(tǒng)的空氣除去用作儀表空氣部分外，其余分三路:第一路空氣直接進(jìn)入主換熱器，被返流出來(lái)的氣體冷卻接近露點(diǎn)抽出，經(jīng)節(jié)流進(jìn)下塔參與精餾;第二路空氣進(jìn)入空氣膨脹機(jī)增壓端增壓，進(jìn)入主換熱器被液化后節(jié)流進(jìn)下塔參與精餾;第三路空氣經(jīng)主換熱器冷卻至一定溫度后進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹 端膨脹，膨脹后進(jìn)下塔參與精餾。

圖2 膨脹空氣進(jìn)下塔流程Fig.2 Process of expanded air feed to pressure column

3.2 主要配套機(jī)組比較

表2 主空壓機(jī) (包含儀表氣及各種損失)Table2 Main air compressor(incl.the instrument air and the loss)

表3 增壓機(jī)Table3 Booster air compressor

表4 透平膨脹機(jī)組Table4 Expansion turbine

3.3 能耗比較

表5 能耗比較Table5 Comparison of energy consumption

這里的能耗指軟件計(jì)算所得的裝置終端電機(jī)功率消耗 (包括氮壓機(jī)功耗)，能耗指標(biāo)指制取單位標(biāo)準(zhǔn)立方米氧、氮產(chǎn)品 (包括液體產(chǎn)品，液體產(chǎn)品按3倍氣體產(chǎn)品折算)所需能耗，比較結(jié)果如表5。

4 結(jié)論

通過(guò)詳細(xì)的流程計(jì)算以及各項(xiàng)數(shù)據(jù)的比較，我們可以發(fā)現(xiàn)，上述兩種流程組織形式都有著各自的特點(diǎn)。

膨脹空氣進(jìn)上塔流程:從比較中可以看出，此流程能耗指標(biāo)較膨脹空氣進(jìn)下塔流程低約7.5%，運(yùn)行成本較低，但從設(shè)備投資上來(lái)看，需多增加一臺(tái)小增壓機(jī)，投資成本略高。另外，從空壓機(jī)排氣量的比較中可以發(fā)現(xiàn)，采用膨脹空氣進(jìn)上塔流程，裝置的氧提取率偏低，只有90%左右。還有一點(diǎn)需要指出的是，采用膨脹空氣進(jìn)上塔流程，上塔的回流比已接近下限，故工況調(diào)節(jié)范圍相對(duì)較窄，液體產(chǎn)品的產(chǎn)量難以加大，上塔精餾效果對(duì)工況的變化于十分敏感。

空壓機(jī)一壓到底，膨脹空氣進(jìn)下塔流程:通過(guò)流程的優(yōu)化，取消了獨(dú)立的增壓機(jī)，采用多一級(jí)葉輪的空壓機(jī)來(lái)替代。從流程組織上來(lái)看，工藝流程得到進(jìn)一步簡(jiǎn)化，機(jī)組間的配管將十分簡(jiǎn)便。從設(shè)備投資上看，目前國(guó)產(chǎn)空壓機(jī)制造工藝成熟，運(yùn)行性能穩(wěn)定，價(jià)格上與同時(shí)購(gòu)置空壓機(jī)、增壓機(jī)兩臺(tái)機(jī)組相比有明顯優(yōu)勢(shì)。另外，采用膨脹空氣進(jìn)下塔流程，空壓機(jī)排氣量較膨脹空氣進(jìn)上塔流程減少約2100 Nm3/h，裝置氧提取率已達(dá)95%以上，且上塔回流比能夠得到充分保證，工況變負(fù)荷能力強(qiáng)，液體產(chǎn)品尤其是液氮產(chǎn)品產(chǎn)量有較大的調(diào)節(jié)空間。經(jīng)流程計(jì)算，在其他產(chǎn)品產(chǎn)量不變的情況下，液氮產(chǎn)量最大能達(dá)到約350 kg/h。但是，通過(guò)比較也發(fā)現(xiàn)，采用此流程組織的能耗指標(biāo)要高于膨脹空氣進(jìn)上塔流程，即使當(dāng)液氮產(chǎn)量提至350 kg/h時(shí)，其單位產(chǎn)品能耗指標(biāo)約為0.2456 kW/Nm3，依然比膨脹空氣進(jìn)上塔流程要高出約4%。

總之，無(wú)論采用哪種流程組織形式都必須對(duì)各自流程的優(yōu)缺點(diǎn)做出全面充分的考量，最終還是要依據(jù)用戶的實(shí)際需求和操作習(xí)慣來(lái)選取最適合的流程。本文通過(guò)舉以上這個(gè)例子，也正是想表明這一點(diǎn)。目前，內(nèi)壓縮流程在空分工藝中的運(yùn)用已十分廣泛，各個(gè)行業(yè)廠家對(duì)此也有著各自不同的理解。正是由于內(nèi)壓縮流程的靈活性與多變性，才更需要我們對(duì)此有更深刻的認(rèn)識(shí)，只有通過(guò)多優(yōu)化多比較才能找到最合適的流程組織。除了常規(guī)的內(nèi)壓縮流程之外，若液體產(chǎn)量所占比例很少，可考慮膨脹空氣進(jìn)上塔流程;若液體產(chǎn)量所占比例很大，可考慮空氣循環(huán)或氮?dú)庋h(huán)流程，有時(shí)我們甚至采用雙膨脹機(jī)流程;若下塔抽取較多壓力氮?dú)?、液氮產(chǎn)品或氮純度要求很高時(shí)，往往采用膨脹空氣進(jìn)下塔流程……，而這些流程各自又有著諸多的變化，這些都需要我們?cè)诮窈蟮牧鞒涕_發(fā)設(shè)計(jì)中進(jìn)一步探討。

［1］李化治.制氧技術(shù) ［M］.2版.北京:冶金工業(yè)出版社，2009.

［2］湯學(xué)忠，顧福民.新編制氧工問(wèn)答 ［G］.北京:冶金工業(yè)出版社，2004.