蔣 旭，江楚標，徐偉民，丁友勝，趙小瑩

(中空能源有限公司設計研究院，杭州濱江 310051)

隨著我國能源化工產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展，煤化工、化肥、鋼鐵和有色金屬冶煉以及集中園區(qū)式供氣項目日益增多，與之配套的空分設備需求也越來越多。目前我國空分設備的產(chǎn)能已達600萬Nm3/h，隨著市場需求的進一步擴大，其規(guī)模將會不斷邁上新臺階。

國內(nèi)空分技術的發(fā)展已有近50年的歷史，尤其近十年來的進步異常迅猛，近十年來以杭氧為代表的國內(nèi)空分制造商一次又一次攻城略地，節(jié)節(jié)攀升，使得國產(chǎn)空分設備在特大型空分規(guī)模上同世界領先企業(yè)的差距進一步縮小。具有代表性的是開封空分德州40000 Nm3/h空分設備，中國空分包鋼40000 Nm3/h空分設備(EPC)，杭氧北臺50000 Nm3/h空分設備、杭氧寶鋼60000 Nm3/h空分設備，杭氧廣西盛隆8萬等級空分設備，杭氧伊朗12萬及杭氧神華寧煤10萬等級空分設備，在我國空分設備技術發(fā)展和壯大當中具有里程碑式意義。

增大單套空分設備的制氧規(guī)模，不僅可以減少一次投資，節(jié)省能耗，縮小占地面積，減輕操作人員的工作維護量，而且可以減少金屬材料及能源的消耗?？偟耐顿Y和消耗會降低不少，這對于氣體投資者及空分用戶來說，意義重大。

1 國外空分設備供貨商發(fā)展現(xiàn)狀

深冷分離氣體行業(yè)的發(fā)展已有一百多年的歷史，過去10年的大發(fā)展打開了工業(yè)氣體行業(yè)的新局面，國際主要氣體生產(chǎn)商的數(shù)量從7個降至4個。過去10年來規(guī)模最大的收購包括Linde收購AGA Group和BOC，以及Air Liquide收購Messer，這些活動大大整合了區(qū)域市場。

自從1902年由德國林德公司設計制造出第一臺制氧機以來，空分設備不斷實現(xiàn)突破，其規(guī)模上由小到大，流程上從高壓到低壓，從傳統(tǒng)外壓縮到新型內(nèi)壓縮，從制取單一產(chǎn)品到全提取制取稀有氣體裝置等，技術已經(jīng)日臻成熟。當前大型空分設備的發(fā)展趨勢是大型化、高純度、全提取、低能耗、自動化。

國外空分設備制造商經(jīng)過激烈的競爭之后，以法液空、林德、APCI、普萊克斯為主。其中法液空聲稱可以制造18萬等級特大型空分設備，其于2005年為加拿大長湖化工項目配套的113880 Nm3/h為目前已有業(yè)績的最大裝置。林德公司投運的最大設備為沙特阿拉伯工業(yè)氣體公司的105000 Nm3/h，主要用于石油化工領域。APCI在北美有運行9萬等級的裝置。普萊克斯2007年為江蘇鎮(zhèn)江索普集團醋酸項目配套的90000 Nm3/h設備，也使其躋身國外大型空分裝置制造商行列。

在技術特點方面各有所長，例如法液空的徑向流吸附器，林德、APCI等的降膜主冷，林德公司的全提取稀有氣體工藝，APCI的電子工業(yè)用制氮工藝，以及各家公司汽提閥工藝、液體膨脹機、填料下塔等工藝的應用推動了空分技術的發(fā)展。

2 國內(nèi)空分設備發(fā)展現(xiàn)狀

近幾年，國內(nèi)主要空分設備生產(chǎn)廠家正在研發(fā)制造大型乃至特大型空分設備，且已取得很大進展。在單機制氧能力不斷擴大的同時，空分設備的流程和配置不斷更新，能耗不斷降低，工作壓力也不斷降低，由于流程和配置的不斷改進，大型空分設備的單位制氧電耗由 0.6 kWh/m3降至 0.4 kWh/m3，氧提取率上升為97% ～99%，氬提取率上升到55% ～90%，大加溫周期由1 a增至3 a以上。

20世紀80年代后，我國空分行業(yè)緊跟世界先進水平，提升了自己的競爭力，提前進行了技術儲備。從1996年開始，我國空分行業(yè)開始引進國外先進的流程和計算軟件，并進行了二次開發(fā)，引進了一些先進的加工設備和檢驗設備，對廠房進行了擴建以適應中大型空分設備的加工，在軟件和硬件設施上都為空分行業(yè)的騰飛做好了準備。如今軟件應用上已同世界領先企業(yè)相同，但在制造、實驗、經(jīng)驗積累及理論研究方面差距仍然很大。2002年至今這10余年當中，空分裝置不斷大型化，步入了8～12萬等級攻堅期。

2.1 杭州杭氧股份有限公司

杭氧股份始建于1950年(原名浙江鐵工廠)，1958年改名為杭州制氧機廠，1995年建立杭州制氧機集團有限公司，2000年合資組建了杭州杭氧科技有限公司，2002年變更為杭州杭氧股份有限公司，之后融資上市。

杭氧股份的空分裝置在我國空分市場占有率一直保持在50%左右，處于國內(nèi)同行業(yè)領先地位。其自行設計、制造的國內(nèi)首套60000 Nm3/h O2大型空分設備已于2006年成功開車，目前最大裝置規(guī)模為80000 Nm3/h，120000 Nm3/h的裝置正在設計之中。

到目前為止，杭氧在全國各地共投資氣體公司25家，其中10家已順利投產(chǎn)運營。項目進行中充分發(fā)揮了杭氧專業(yè)技術優(yōu)勢，使氣體公司生產(chǎn)運營成本最低化、效益最大化。杭氧目前為國內(nèi)領先企業(yè)，國產(chǎn)空分的第一梯隊。

2.2 川空集團

川空是后起之秀，在國內(nèi)市場同樣占據(jù)較大的份額，但是川空在近些年逐漸偏離主業(yè)，主要傾向LNG，在技術上無大的進步，空分市場競爭激烈，技術更新快速，一旦落后將會逐漸淡出，這一點應當引起警惕。目前最大裝置制氧量為55000 Nm3/h，川空目前為國產(chǎn)空分的第二梯隊。

2.3 開封空分集團有限公司

原名開封空分設備廠，1997年改制為國有獨資公司，2004年整體轉讓給深圳市金信安投資公司、廣東大頂?shù)V業(yè)公司、廣東明珠公司，之后被永煤收購。目前該公司自行設計生產(chǎn)的最大裝置制氧量為60000 Nm3/h。開封空分人員復雜，虧損較大，目前為國產(chǎn)空分的第二梯隊。

第三梯隊有中空能源、河南開元、開封黃河;第四梯隊為蘇氧、上海啟元、開封迪爾、開封賽普、杭州福斯達等近20家中小公司;第三和第四梯隊中部分企業(yè)發(fā)展?jié)摿薮螅型ㄟ^技術引進、融資壯大和擴大制造能力在幾年內(nèi)快速發(fā)展進入國內(nèi)空分第二梯隊。

3 空分流程形式和分類

空分設備流程按壓力分高壓流程、中壓流程、低壓流程;按用途分冶金型、化工型;按產(chǎn)品種類分雙高流程、單高流程、全液體流程、液化裝置等;按產(chǎn)品的壓縮方式分內(nèi)壓縮流程［雙泵內(nèi)壓縮和單泵內(nèi)壓縮流程(空氣循環(huán)、氮氣循環(huán))］、外壓縮流程。

2002～2012年，我國空分設備行業(yè)共生產(chǎn)大中型空分設備1500余套，其中冶金(鋼鐵和有色)工業(yè)占空分設備套數(shù)約為30%;用于化工行業(yè)(以甲醇、二甲醚、合成氨為代表)、造紙、玻璃、制藥等占到70%。

空分裝置的消耗所在:1.外壓縮的消耗:空壓機、氧壓機、氮壓機;2.內(nèi)壓縮的消耗:空壓機、增壓機、氮壓機(若有)。

其它小的輔助設備:水泵、蒸汽加熱器、液體泵、油泵、DCS等。

以下以鋼鐵行業(yè)為例，簡單介紹冶金型空分裝置配套及特點，鋼鐵企業(yè)配套的空分裝置產(chǎn)品一般要求:1.氧氣壓力3.0 ～12.0 MPa(G)，純度99.6%O2;2.氮氣壓力3.0 ～12.0 MPa(G)，純度 ＜10 ×10－6O2;3.液體比例占氧產(chǎn)品的 ～5%，～8%，～15%，～20%，～25%，～30%。

針對用氧要求，現(xiàn)在國內(nèi)冶金及化工行業(yè)配套的空分裝置基本如下:

1.10000～70000 Nm3/h O2的空分裝置基本為國產(chǎn)，70000 Nm3/h O2以上以進口為主。

2.外壓縮流程的配置基本相同:1)空壓機及過濾系統(tǒng):采用國產(chǎn)或進口機器配國產(chǎn)自潔式過濾器;2)氮水預冷系統(tǒng):充分利用干燥氮氣的冷量，降低冷凍水溫度，取消冷水機組(或帶備用冷水機組);3)純化系統(tǒng):采用電加熱或蒸汽加熱，自動切換;采用分子篩+氧化鋁雙層床結構，延長分子篩的壽命，臥式或者立式徑向流;4)制冷系統(tǒng):2臺國產(chǎn)膨脹機，1用1備;5)換熱系統(tǒng):國產(chǎn)低壓板式;6)主精餾系統(tǒng):篩板下塔(或者填料下塔)，規(guī)整填料上塔，板翅式主冷(單層或者多層);7)制氬系統(tǒng):規(guī)整填料氬塔，全精餾三塔制氬;8)壓氧系統(tǒng):國產(chǎn)氧透或氧活塞;9)壓氮系統(tǒng):國產(chǎn)氮透或氮活塞;10)儀控系統(tǒng):國產(chǎn)或進口DCS。外壓縮流程的優(yōu)點是:配套要求低，配套機組或閥門價格低、投資少。

3.內(nèi)壓縮流程的配置變化相對較多:1)空壓機及過濾系統(tǒng):采用國產(chǎn)或進口機器配國產(chǎn)自潔式過濾器，增壓機一般為進口;2)氮水預冷系統(tǒng):充分利用干燥氮氣的冷量，降低冷凍水溫度，取消冷水機組(或帶備用冷水機組);3)純化系統(tǒng):采用電加熱或蒸汽加熱，自動切換;采用分子篩+氧化鋁雙層床結構，延長分子篩的壽命;4)制冷系統(tǒng):2臺國產(chǎn)膨脹機，1用1備;或者1臺進口膨脹機;或者1臺進口加1臺國產(chǎn)膨脹機，大型內(nèi)壓配置液體膨脹機;5)換熱系統(tǒng):高低混合國產(chǎn)大板式或者高低混合進口大板式或者分體式(低壓板式用國產(chǎn)，高壓板式用進口)，同時配套液體泵加壓;6)主精餾系統(tǒng):篩板下塔(大型為填料塔)，規(guī)整填料上塔，板翅式主冷(單層或者多層，國外多用降膜主冷);7)制氬系統(tǒng):規(guī)整填料氬塔，全精餾三塔制氬;8)壓氮系統(tǒng):國產(chǎn)氮透或氮活塞;9)儀控系統(tǒng):國產(chǎn)或進口DCS。

內(nèi)壓縮流程的特點是:產(chǎn)品提取率高，安全性好，占地面積少，配套要求高，可以帶大量的液體。

4 國產(chǎn)空分設備主要業(yè)績

表1為國產(chǎn)空分供貨商代表性業(yè)績。

表1 國產(chǎn)空分業(yè)績表Table1 The table of domestic extra-large ASU

以上業(yè)績涉及鋼鐵、煤化工、大型化肥、煤電聯(lián)產(chǎn)等不同行業(yè)。

5 核心單元設備的配套

1.壓縮機組:空壓機、增壓機及一拖二驅動汽輪機是成套空分設備投資和能耗的關鍵部分。6萬等級以上空分單臺投資均采用進口產(chǎn)品，目前曼透平公司和西門子公司的離心機可滿足10萬等級以下配套，軸流+離心可滿足20萬等級以下配套。陜鼓和沈鼓軸流+離心可滿足配套10萬等級以下配套。汽輪機進口曼透平、西門子均可配套;國產(chǎn)杭汽可滿足配套。

2.分子篩純化器:國內(nèi)空分設備供貨商一般選擇加長臥式吸附器或者立式徑向流吸附器來解決。其難點在高度方向上防偏流，以及吸附劑的更換;做流場分析時尤其模型要選正確，否則會與實際運行不符合;對于內(nèi)分配器均須采用微分法精確計算，防止塔變高后偏流。

分子篩純化器對于超限塔徑，采用現(xiàn)場制作，8～12萬等級空分設備所配套的臥式分子篩純化器的直徑4.6～6.2 m，長22～28 m，采用高效分子篩可以使塔徑控制在4.8 m以下，采用廠內(nèi)制作。

3.膨脹機:進口膨脹機選用ACD、CRYOSTAR、ATLAS等產(chǎn)品，膨脹機國外目前可以做到配套160000 Nm3/h等級的空分設備;對于節(jié)能要求較高的客戶(內(nèi)壓縮4萬等級以上)可以配套液體膨脹機，其節(jié)省能耗約2%左右。

4.下塔:方案是采用填料塔，國外目前對于6萬以上下塔均采用填料塔，可以利用蘇爾壽成熟的填料技術，將上塔分為兩段(從主冷分及氬餾分抽口分兩種)，降低塔的整體高度，同時粗氬塔冷凝器的高度也跟著降低。

5.主冷:采用臥式高效主冷(配管較復雜)，或者三層、四層立式主冷(頂部設置液氧罐，最后一層液面與進液閥聯(lián)鎖;氧氣升氣管路全走外面)，以及小溫差降膜主冷的研發(fā)，滿足特大型空分設備配套需求。

6.低溫泵:CRYOSTAR、CRYOMEC、ACD 等國際知名品牌，且經(jīng)過實踐檢驗和眾多用戶認可的品牌，對于8到12萬等級空分設備的配置要求完全可以滿足。目前杭氧在6 MPa等級液體泵的研發(fā)方面已經(jīng)取得進展。

7.配套閥門:高壓或者大壓差及氧氣閥門采用進口，配套國外著名廠家產(chǎn)品，如冷箱內(nèi)低溫調節(jié)閥、高壓氧氣送出閥、放空閥采用 SAMSON、FLOWSERV等國際知名品牌，使得成套設備運行及安全有保障。國產(chǎn)閥門目前發(fā)展混亂，層次比較低。

6 空分行業(yè)前景展望

隨著國家經(jīng)濟的不斷高速發(fā)展，經(jīng)濟規(guī)模的壯大以及國家產(chǎn)業(yè)結構的調整，空分設備的應用領域也在不斷的增加，市場的主要對象也在不斷地增加和變化。特別是在下述幾個領域對氧氣、氮氣產(chǎn)品的需求處于快速增加階段。

冶金行業(yè):熔融還原煉鐵、熔融還原冶煉有色金屬這種環(huán)保型新工藝屬國家支持對象，現(xiàn)階段處于發(fā)展初期，在寶鋼、榮成鋼廠、龍莽集團已開始中試或應用，對氧氣、氮氣產(chǎn)品的需求是傳統(tǒng)工藝的10倍左右，所以隨著熔融還原工藝的成熟、推廣，大型空分裝置的需求是不可想象的。

整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(IGCC):這種新工藝被稱為綠色發(fā)電，是環(huán)保型工藝，屬國家重點支持對象，現(xiàn)階段也處于發(fā)展初期，華能集團在天津發(fā)電項目，華電集團在浙江半山發(fā)電項目都采用IGCC綠色發(fā)電技術，一臺25萬kW的中型發(fā)電機組就需要46000 m3/h的空分裝置。

煤化工、煤化肥領域:隨著世界石油的供應緊張，中國的煤制甲醇、煤制二甲醚、煤制油、煤制烯烴技術處于高速發(fā)展階段，對氧氣、氮氣產(chǎn)品的需求是巨大的。一套60萬t/a甲醇裝置就要配套80000 m3/h的氧氣，一套100萬 t/a煤制油裝置就要100000 m3/h的氧氣，一套80萬t/a煤制二甲醚裝置就要配套86000 m3/h的氧氣，一套30萬t/a合成氨+甲醇裝置就要配套80000 m3/h的氧氣。

如今煤化工才剛開始幾年，相信仍然有10余年的黃金時期，同時國內(nèi)有條件的企業(yè)應該積極投入跨國公司行列，以在世界市場中占有一定份額。

7 結束語

國產(chǎn)空分供貨商以杭氧、川空、開空、中空為代表，幾大廠家積極總結近幾年運行的大型空分設備在流程組織、計算、設計、制造、配套、運輸、安裝、開車調試、運行等各方面的經(jīng)驗和教訓，大力開發(fā)先進流程，創(chuàng)新設計空分大型單體設備，如今已經(jīng)取得成功。

目前國外最大在運行的空分設備是由法液空設計制造的12萬等級空分設備，由林德公司設計制造的最大高純氮設備規(guī)模已達33萬等級。國內(nèi)空分企業(yè)也在不斷開拓進取，積極響應國家特大型空分設備國產(chǎn)化的號召，加大自主研發(fā)力度，最大制造規(guī)模等級不斷破紀錄，當然國產(chǎn)空分設備的每一次飛躍都與國內(nèi)客戶的信任與支持分不開。

當前從流程模擬計算方面不管國產(chǎn)還是進口差別都不大，制約空分大型化或者超大型化的瓶頸是大型塔器現(xiàn)場制造的相關經(jīng)驗，這方面國內(nèi)制造商還和國外的法液空、林德、空氣化工產(chǎn)品、普萊克斯等世界領先企業(yè)有差距，所以從這一點來說更需要國產(chǎn)用戶的認可和支持，共擔風險，使國產(chǎn)空分設備的特大型化不斷有新的飛躍，為民族氣體工業(yè)的崛起做出貢獻。