蔣 旭，厲彥忠

（1.中空能源設(shè)備有限公司，浙江 杭州 310051；2.西安交通大學(xué)能動(dòng)學(xué)院，陜西 西安 710049）

0 引言

隨著能源化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，當(dāng)前大型煤化工業(yè)、大型化肥、大型鋼鐵冶煉以及集中園區(qū)式供氣的項(xiàng)目越來(lái)越多，相應(yīng)的配套空分需求也與日俱增。大型及特大型內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備已成為主流產(chǎn)品，合理組織空分流程，使之達(dá)到最優(yōu)化，降低了總的投資和消耗[1]。

空分設(shè)備的原料是空氣，主要消耗的是電耗或者能源，能源消耗一般占到生產(chǎn)成本的80%以上，合理組織并設(shè)計(jì)空分設(shè)備會(huì)降低生產(chǎn)成本，從而節(jié)約能耗。而空分設(shè)備所消耗的能源是由不可逆過(guò)程引起的，盡管每一個(gè)可逆過(guò)程中所消耗的能量方式不同，但是都會(huì)產(chǎn)生有效能的損失，因而從設(shè)計(jì)角度，使得裝置在理論上已經(jīng)處于最優(yōu)化的狀態(tài)，有效能得到最大程度的利用，這對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)意義很大。

1 內(nèi)壓縮流程能耗影響因素

在能源轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移、傳遞和使用的過(guò)程中，可以有效地利用有效能發(fā)揮其功效，可無(wú)效地?fù)p失，也就是通常所說(shuō)的有效能損失，有效能的損失是不可逆的?？辗衷O(shè)備的有效能輸入，主要用空壓機(jī)電耗、原料空氣所帶入的有效能、水泵消耗的電能、各種泵所消耗的電耗及電加熱器消耗的電能。其損失主要存在于傳熱過(guò)程、壓縮或膨脹過(guò)程、節(jié)流過(guò)程、精餾過(guò)程中。

內(nèi)壓縮空分流程在外壓縮流程能夠?qū)崿F(xiàn)的條件下能耗要往往較外壓縮空分流程高（外壓縮機(jī)器效率低時(shí)內(nèi)壓較外壓能耗低或者持平）。從設(shè)計(jì)角度，如果將外壓縮空分流程的能耗組成簡(jiǎn)單分為產(chǎn)品外壓縮能耗、膨脹制冷能耗、精餾能耗、液體產(chǎn)品液化能耗四部分，內(nèi)壓縮空分流程若不考慮部分產(chǎn)品外壓縮部分，僅僅考慮產(chǎn)品內(nèi)壓縮部分，則其能耗組成也可以分為四部分：產(chǎn)品增壓復(fù)熱能耗、膨脹制冷能耗、精餾能耗、液體產(chǎn)品液化能耗，以下詳細(xì)分析各因素的影響[2]。

1.1 增壓復(fù)熱能耗

內(nèi)壓縮從本質(zhì)上說(shuō)屬于間接壓縮，復(fù)熱流體對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行熱值傳遞，在一定背壓下增加其內(nèi)能。

復(fù)熱有普通復(fù)熱和增壓復(fù)熱兩種；普通復(fù)熱為氣換熱；增壓復(fù)熱為含有相變的熱值高流體復(fù)熱低產(chǎn)品流體。氣體介質(zhì)的壓力越高，復(fù)熱品質(zhì)越高，冷卻品質(zhì)越低，增壓復(fù)熱采用熱值品質(zhì)較高的介質(zhì)復(fù)熱熱值品質(zhì)較低的介質(zhì)，即壓力等級(jí)要求要高一檔[3]。

1.2 膨脹制冷能耗

膨脹制冷能耗包括熱端冷損能耗和裝置冷損及制冷產(chǎn)液能耗三部分。

熱端溫差越大冷量回收越少，損失就大，導(dǎo)致制冷能耗增大，但是熱端溫差擴(kuò)大后，最小溫差也被擴(kuò)大，對(duì)換熱有利，從而可以減小增壓復(fù)熱流體或者增大膨脹空氣的中抽量，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)液量增大。

制冷產(chǎn)液能耗一般有液體產(chǎn)品的量來(lái)定。當(dāng)液體產(chǎn)品的量大時(shí)，所需的制冷產(chǎn)液能耗也大，由于低溫膨脹機(jī)是在低溫段抽出，所以一般強(qiáng)化制冷流路在高溫段設(shè)置低溫冷氣機(jī)組或者高溫膨脹機(jī)，將冷量傳遞給熱流體，一方面降低換熱器高溫段不可逆損失，實(shí)現(xiàn)降低能耗；另一方面有外加冷源的低溫制冷循環(huán)，由于進(jìn)氣溫度降低而循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性提高，因?yàn)槠湓谳^高溫度下的制冷量通過(guò)低溫制冷循不被轉(zhuǎn)移到低溫下，而同樣數(shù)量的冷量在低溫下的品質(zhì)更高，即獲得同樣多的冷量，溫度越低消耗的功越多。

對(duì)于內(nèi)壓縮流程而言，一般不考慮膨脹機(jī)葉輪增大帶來(lái)的附加投資，因?yàn)樵鰪?qiáng)制冷流路，增大熱端溫差，對(duì)換熱有利，一般是節(jié)省能耗的，同時(shí)中抽溫度盡可能低，這樣有利于高溫段換熱，實(shí)現(xiàn)節(jié)省能耗。

1.3 精餾能耗

精餾效率影響的另一可變因素是進(jìn)出料抽口及量的設(shè)定。產(chǎn)品抽口一般是固定的，可變抽口有污氮?dú)獬榭?，污液氮抽口及進(jìn)料口，貧液空抽口及進(jìn)料口，對(duì)于氮?dú)庋h(huán)（下塔抽氮量大）還需要將液氮與液空混合后進(jìn)入污液氮與液空進(jìn)料口之間（進(jìn)料與組分純度接近），以使得上塔頂部下流液體均衡，對(duì)提氬有利。

帶氬裝置由于富氧液空與氬氣有氣液置換（冷凝器相變換熱），本質(zhì)上破壞了上塔精餾（但是氬組分除去后，有利于提高氧組分的純度，從而量也增加，所以制氬系統(tǒng)對(duì)制氧有增效作用），導(dǎo)致液空蒸氣進(jìn)料口以上液氣比急劇減??；液氬進(jìn)料口以下液氣比急劇增大。而在精餾過(guò)程中液氮洗滌氬氣和氧氣，液氬洗滌氧氣，氬餾分抽口區(qū)以上段回流液不足，從而導(dǎo)致氬組分大量放散入污氮當(dāng)中，從而導(dǎo)致氬提取率大幅下降[4]，如圖1所示。

在保證空分設(shè)備正常精餾工況的換熱溫差下，上塔的壓力盡可能要低，這樣有效能損失最小，同時(shí)壓力越低，精餾能耗也低。

圖1 帶氬裝置冷凝器相變換熱圖

1.4 液體產(chǎn)品液化能耗

制冷流路和液化流路，制冷流路同時(shí)會(huì)機(jī)后帶液，附帶產(chǎn)一股高品質(zhì)的低壓液體產(chǎn)品，這樣避免像中高壓液體產(chǎn)品節(jié)流后出現(xiàn)一定程度的氣化那樣會(huì)有損失，所以一般膨脹機(jī)都要求最大程度帶液。

2 能耗因素影響分析

以4.8萬(wàn)等級(jí)空分設(shè)備為例，產(chǎn)品規(guī)格如表1所列。所有氧氣、氮?dú)?、氬氣產(chǎn)品執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為：氧產(chǎn)品執(zhí)行JB/T8693-1998，一等品；氮產(chǎn)品執(zhí)行GB/T8979-1996，一等品；液氬產(chǎn)品執(zhí)行GB/T10624-1995特等品。

表1 4.8萬(wàn)等級(jí)空分設(shè)備產(chǎn)品規(guī)格

2.1 最佳復(fù)熱壓力區(qū)

增壓機(jī)壓力4 MPa以上時(shí)，由于壓力增大，可能會(huì)引起機(jī)器跨檔（級(jí)數(shù)增多）而導(dǎo)致投資增加，所以在能耗相差不大的情況下，優(yōu)先按照機(jī)器的合理性及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行選擇增壓機(jī)末級(jí)排壓；增壓機(jī)壓力在4 MPa以下時(shí)，嚴(yán)格按照最佳點(diǎn)選取，如圖2所示。

圖2 最佳復(fù)熱壓力區(qū)

隨著壓力的增加，能耗先減小后增加，說(shuō)明存在一個(gè)能耗最小的壓力點(diǎn)，一般選擇一個(gè)壓力區(qū)域進(jìn)行壓力選擇，在能耗影響較小的情況下選擇較為合適的機(jī)組（投資與效率，機(jī)器是否跨檔，級(jí)數(shù)增多而導(dǎo)致投資增加等因素）。

流體都在超臨界壓力以上，增大流量可以復(fù)熱；臨界壓力以下有氣化段，要求復(fù)熱流體的氣化壓力必須高于被復(fù)熱流體的氣化壓力。對(duì)于超臨界狀態(tài)能耗影響因素不大，而在臨界壓力以下則影響較大，對(duì)于低壓內(nèi)壓縮需要單獨(dú)設(shè)置增壓機(jī)。

2.2 熱端溫差

熱端溫差影響裝置冷損，但是對(duì)低溫段的不可逆損失有平衡作用，所以需要合理選取，如表2所列。

表2 熱端溫差對(duì)低溫段不可逆損失的平衡

由此可看出隨著熱端溫差的增大，能耗先減小后增加，其中7 K左右出現(xiàn)最小值。同時(shí)隨著熱端溫差的增大，冷端溫差逐漸減小。

2.3 中抽溫度

隨著膨脹機(jī)中抽溫度的降低，膨脹機(jī)帶機(jī)后帶液逐漸增多，能耗也降低，當(dāng)帶液體接近10%時(shí)，能耗減少非常小。從膨脹機(jī)機(jī)后不帶液體到帶10%的液體，能耗相差2%左右，節(jié)能顯著。當(dāng)前帶大液體量膨脹機(jī)國(guó)外已有應(yīng)用，國(guó)內(nèi)一般控制在5%以內(nèi)。機(jī)后帶大液體量的中壓膨脹機(jī)已成影響內(nèi)壓縮流程能耗的一大因素。

2.4 積分溫差

不同積分溫差如表3所列。

表3 不同積分溫差

由此可看出，在滿足最小換熱溫差1 K的前提下，隨著換熱器積分溫差的增大，總能耗在增大，換熱器投資在減小。

一般工業(yè)應(yīng)用換熱最小溫差相變換熱要求1 K以上，非相變換熱1.5 K以上，以防止出現(xiàn)計(jì)算物性誤差及金屬熱阻過(guò)大而導(dǎo)致實(shí)際所需換熱器長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)而出現(xiàn)換熱面積不足現(xiàn)象。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著當(dāng)前煤化工的崛起，內(nèi)壓縮空分流程空分裝置是當(dāng)前的主流需求產(chǎn)品，內(nèi)壓縮空分流程較外壓縮空分流程形式多變，其換熱與制冷較其他流程要復(fù)雜的多[5]。而空分裝置的流程的組織與選擇非常重要，其決定流程能耗及其先進(jìn)性，最大程度減少不可逆損失，節(jié)約能源的消耗，所以研究?jī)?nèi)壓縮流程的綜合能耗影響因素，從設(shè)計(jì)角度，對(duì)于裝置的運(yùn)行及節(jié)能而言意義重大。

[1]張祉祐.低溫技術(shù)原理與裝置[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1985.

[2]蔣旭.化工型空分設(shè)備內(nèi)壓縮流程選擇[J].深冷技術(shù)，2011（7）：10-15.

[3]蔣旭，張淼，白寧莉.冶金型空分設(shè)備的流程選擇[J].低溫與特氣，2012（5）：6-10.

[4]黃建斌.工業(yè)氣體手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[5]蔣旭，丁友勝，厲彥忠，等.鋼廠應(yīng)用空分裝置的配套[J].通用機(jī)械，2013（11）：40-43.