(營口鋼鐵有限公司，遼寧營口，115000)

制氧裝置是化工生產中石油煉制、鋼鐵加工生產等行業(yè)的配套項目，其主要作用是為生產提供所需的氧氣、氮氣、氬氣。本文以我公司20000Nm3/h(氧)制氧裝置為例，根據(jù)生產實例做工藝簡析。

1 裝置主要技術性能

1.1 產量及純度

表1 制氧裝置產品明細表

注：1)Nm3/h系指0℃,101.3kP。(下同)；2)壓力以冷箱出口0米標高計算；3)空分裝置調節(jié)范圍75%～105%。

1.2 運轉周期

兩次大加溫間隔期要大于2年。

1.3 裝置加溫解凍時間

裝置加溫解凍時間約36小時。

1.4 裝置啟動時間

從膨脹機啟動到氧產品達到純度指標約36小時。

2 生產原理簡介

制氧裝置的主要原料是空氣，因為空氣中大約包含有21%的氧氣。空氣是一種均勻的多組分混合氣體，它的主要成分是氧、氮和氬，此外還有微量的氫及氖、氦、氪、氙等稀有性氣體。空氣中的氮氣與氧氣均勻地混在一起，在常溫下要使它們分離是很困難的。首要條件是要將空氣液化，空氣一般均以氣體狀態(tài)存在，要使空氣液化必須將空氣冷到-141℃ 以下才有可能。

在標準大氣壓下，氧、氮、氬的沸點分別是-183℃、-196℃和-186℃，氧和氮的沸點相差約13℃，氬和氮的沸點相差約10℃，它們之間的沸點差使通過低溫液化，然后精餾把它們分離成為可能。所以制氧的基本原理就是利用低溫精餾法，將空氣冷凝成液體，按各組分蒸發(fā)溫度的不同將空氣分離。同時氧、氮、氬無論是在氣態(tài)還是液態(tài)都能以任何比例均勻地混合在一起，因此，采用在一定的壓力下多次的部分蒸發(fā)和多次的部分冷凝的方法實現(xiàn)氧氣、氮氣、氬氣的分離。

3 流程組成及主要設備詳解

本套制氧裝置采用了當前先進的全低壓、常溫分子篩凈化空氣、增壓透平膨脹機制冷、上塔采用規(guī)整填料技術及全精餾(無氫)制氬的外壓縮流程。

3.1 原料空氣壓縮

利用壓縮機將空氣壓縮到工藝要求的壓力送至下一工序，壓縮機前設置自潔式空氣過濾器，清除掉空氣中的雜質，且該過濾器能夠實現(xiàn)濾筒的自清潔。MCO1004型空壓機主要部件包括空壓機、電機、變速器、氣體冷卻器和潤滑油系統(tǒng)?？諌簷C由單缸3段4級組成，設置2臺中間冷卻器，輸送能力為108000Nm3/h，出口壓力為0.615MPa，電機功率為10000kW。

3.2 空氣預冷和純化系統(tǒng)

空氣自原料空壓機出來后送入空氣冷卻塔進行冷卻?？諝饫鋮s塔的給水分為兩段,冷卻塔的下段使用的是循環(huán)水,而冷卻塔的上段則使用經氮水塔冷卻后的低溫水?？諝饫鋮s系統(tǒng)采用噴淋式空冷塔，可有效地清除原料空氣中對分子篩有害的酸性物質，保證分子篩的有效使用壽命?？諝庠谇逑吹耐瑫r，又得到冷卻。

空氣經過空氣冷卻塔冷卻后，溫度降至17℃以下，進入切換使用的分子篩吸附器MS1201(或MS1202)，空氣中的二氧化碳、部分碳氫化合物及殘留的水蒸氣被吸附[1]。分子篩吸附器為兩只切換使用，其中一只工作時，另一只再生。吸附器的工作時間為4小時，切換周期為8個小時，定時自動切換。

分子篩系統(tǒng)是空分裝置的關鍵單元之一，空氣是多組分的混合氣體，除氧、氮及稀有氣體外，還含有水蒸汽、二氧化碳等，隨空氣進入空壓機，繼而進入空分設備是非常有害的。水分和二氧化碳會隨著空氣溫度的下降，從空氣中析出，凍結和堵塞氣體通道。故必須利用分子篩純化器將水分和二氧化碳清除掉。分子篩吸附器采用雙層床結構，底層為活性氧化鋁，上層為13X分子篩。每個分子篩吸附器內裝有16噸的活性氧化鋁和22噸的13X分子篩。底層活性氧化鋁床層可有效地保護分子篩，延長分子篩使用壽命，同時采用雙層床也使純化器再生阻力下降，再生溫度降低，節(jié)約了再生能耗。

3.3 制冷、換熱和精餾

空氣經凈化后，由于分子篩的吸附熱，溫度升至24℃， 然后分三路：一小路空氣被抽出作為儀表空氣。一路空氣直接進入主換熱器，在主換熱器E1中與返流氣體(純氧、純氮、污氮)換熱達到接近空氣液化溫度-173℃后出主換熱器冷端并分為兩股，一股直接進入下塔C1，另一股去液氧蒸發(fā)器蒸發(fā)液氧，液化后的液空分兩股，一股節(jié)流進入下塔C1，另一股通過過冷器E2進入上塔。而另一路空氣去增壓機增壓后進入主換熱器，在主換熱器內被返流冷氣體冷卻至-108℃時抽出進入膨脹機ET401A(或ET401B)膨脹冷卻，膨脹后的空氣送入上塔C2。該部分空氣在膨脹機膨脹端從壓力0.75MPa膨脹至45kPa，推動膨脹機高速轉動，并通過與膨脹端同軸的增壓端對外輸出機械功，此過程為一絕熱等熵過程，等熵效率可達85%，在熵值不增加的情況下，焓值大幅下降，溫度下降50℃，為空氣液化提供冷量，并彌補裝置的冷量損失。

主精餾塔分為兩個部分，上塔和下塔。上塔和下塔連接部位是主冷凝蒸發(fā)器，簡稱主冷。主冷為一板式換熱器，既是下塔的冷凝器又是上塔的蒸發(fā)器。在下塔，部分液化的高壓空氣在塔底向上流動，氮氣含量逐步提高，在主冷中被上塔的液氧液化，氮氣之所以能被液氧液化是由于上塔壓力低，40kPa左右，而下塔壓力在0.5MPa，故下塔氮氣的飽和溫度高于上塔液氧的飽和溫度。主冷氮側的液氮一部分通過V11進入下塔，作為下塔的回流液，另一部分在過冷器中被上塔頂部來的氮氣、污氮氣過冷，經過節(jié)流閥V3送入上塔頂部，作為上塔回流液。下塔底部含氧約38%的液空通過節(jié)流閥V1進入上塔中部，作為上塔的原料，亦給上塔提餾段提供回流液。

產品氧氣從上塔下部引出，經過冷器及主換熱器，回收冷量后，出冷箱，送至氧氣氣壓縮機[2]。液氧從上塔底部引出，在液氧自增壓器中自增壓并氣化后得到低壓氧氣，經主換熱器復熱后出冷箱進入用戶管網。進入貯槽的液氧產品從液氧自增壓器底部引出，部分經過冷器過冷后送往液氧貯槽。生產液氧還有一個主要作用就是連續(xù)排出液氧，防止液氧中碳氫化合物和乙炔濃縮超標。

污氮氣從上塔上部引出，經過冷器及主換熱器復熱后出冷箱，部分作為分子篩吸附器的再生氣體，部分進入水冷塔冷卻空冷塔的上部用水。

純氮氣從上塔頂部引出，經過冷器及主換熱器，回收冷量后，出冷箱，送至氮氣壓縮機。

在上塔中部，抽取一部分含氬約10%的餾分氣，到粗氬塔和精氬塔中。在粗氬塔中除去氧，在精氬塔中除去氮。得到含氧≤2ppm，含氮≤3ppm的高純氬產品。

3.4 產品氣壓縮外送系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要包括氧氣壓縮機、氮氣壓縮機、氧氣球罐、氮氣球罐以及產品氣調壓輸配系統(tǒng)組成。氧氣、氮氣自冷箱出來后分別通過氧氣壓縮機、氮氣壓縮機升壓至3.0MPa進入氧氣球罐、氮氣球罐[3]。氬氣經過液氬泵加壓并復熱后進去氬氣緩沖罐。球罐內氧氣、氮氣、氬氣經過調壓后分別送出中壓氧氣(1.6MPa)、中壓氮氣(1.6MPa)、低壓氮氣(0.8MPa)、中壓氬氣(1.6MPa)。

氮氣壓縮機為杭氧集團生產的5TYC55型氮氣壓縮機，該機組為整體齒輪型離心壓縮機，主要由主電機、壓縮機主機、供油裝置和氣體冷卻器組成。

氧氣壓縮采用氧氣透平壓縮機，型式為雙缸、8級壓縮、水平剖分式。和空壓機、氮壓機不同的是其壓縮介質為氧氣，氧氣是強烈的助燃氣體，由于氧氣的強氧化作用，純氧是一種危險性氣體。尤其在高純度、高壓力、高流速的壓縮機中，氧氣溫度的意外升高、外來雜質與流道的摩擦、與氧氣接觸的壁面含有橡膠或油脂等燃點較低的物質、轉子與靜止件的意外碰擦等都可能造成機毀人亡的重大事故。因此，對于透平氧壓機來說，一切問題的核心是安全防火問題。

氧氣壓縮機的安全措施主要有以下幾個方面：

3.4.1 材料的選擇

凡與氧氣接觸的金屬表面，均采用化學穩(wěn)定性好，不易氧化的材料制造。體積較大的鑄鐵件表面進行鍍銅處理。密封器采用燃點極高的銅鎳合金。其余與氧氣接觸的部件均采用不銹鋼制造。

3.4.2 零部件的清潔度

凡是與氧氣接觸的部件都要進行脫脂及清洗處理。以保證所有與氧氣接觸的部分均干凈無油。

3.4.3 限制氧氣的溫升

為了有效限制氧氣在壓縮過程中的溫度升高，氧壓機每段的壓比都不是很高，且段和段之間均設置中間冷卻器。當蝸殼溫度超過連鎖設定值(185℃)時，DCS控制系統(tǒng)會控制氧壓機自動停機，同時向氧壓機內噴入氮氣，避免事故的擴大。

3.4.4 防止氧氣泄漏

設置安全可靠的迷宮式油封、氣封，防止?jié)櫥瓦M入氣側和氧氣泄露。

3.4.5 防火墻

設置防火墻，把全部氧氣設備、管道、閥門用阻燃材料構成的墻體與外界隔離?，F(xiàn)場操作柜設在防火墻外。因此在氧壓機運轉期間，工作人員均在危險區(qū)外，可以避免發(fā)生意外的人傷事故。