丁傳琪

(中國空分設(shè)備有限公司，浙江杭州 310051)

0 引言

近年來，內(nèi)壓縮空分流程以其安全性和產(chǎn)品的多樣性越來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)用戶的實際需求，包括產(chǎn)品種類、產(chǎn)品產(chǎn)量、壓力等級等，對常規(guī)內(nèi)壓縮流程組織形式做出相應(yīng)的優(yōu)化，來尋求最符合用戶產(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。本文將通過一個實例，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行比較，來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法達(dá)到，需采用液氧泵。兩種氮氣產(chǎn)品中，2000 Nm3/h氮氣II產(chǎn)品可由下塔頂部抽取壓力氮氣獲得;氮氣產(chǎn)品I可抽取上塔頂部低壓氮氣經(jīng)氮壓機外壓縮得到。下塔氮純度要求高，氮氣II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上塔流程，充分利用上塔精餾潛力。另外，采用膨脹空氣進上塔流程，將減少內(nèi)壓縮流程中增壓機的排氣量，相比常規(guī)增壓機中抽膨脹空氣進下塔流程能耗會有明顯降低。換一個思路分析，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也在幾MPa左右，如果采用增壓機增壓，則需1級或2級葉輪的增壓機，設(shè)備投資將增加。這時我們想到能否取消增壓機，而采用空壓機多加一級葉輪將原料空氣一壓到底的方式來簡化流程。另外，空壓機排壓的提高使空氣中飽和含濕量減少，這對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能耗增加，這時我們可考慮采用膨脹空氣進下塔的流程組織形式來提高裝置整體的提取率，通過降低空壓機排氣量來控制能耗指標(biāo)。

由此，通過分析得出兩種相對合理且可行的內(nèi)壓縮流程組織:第一種，膨脹空氣進上塔流程;第二種，空壓機一壓到底，膨脹空氣進下塔流程。

3 比較

3.1 流程比較

膨脹空氣進上塔流程: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:第一路空氣直接進入主換熱器，被返流出來的氣體冷卻接近露點抽出，直接進下塔參與精餾;第二路空氣進入空氣增壓機組增壓后進入主換熱器，被液化后節(jié)流進下塔參與精餾;第三路空氣進入增壓透平膨脹機增壓，經(jīng)主換熱器冷卻至一定溫度后去膨脹機膨脹，膨脹后進上塔參與精餾。

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

空壓機一壓到底，膨脹空氣進下塔流程: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:第一路空氣直接進入主換熱器，被返流出來的氣體冷卻接近露點抽出，經(jīng)節(jié)流進下塔參與精餾;第二路空氣進入空氣膨脹機增壓端增壓，進入主換熱器被液化后節(jié)流進下塔參與精餾;第三路空氣經(jīng)主換熱器冷卻至一定溫度后進入膨脹機膨脹 端膨脹，膨脹后進下塔參與精餾。

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

3.2 主要配套機組比較

表2 主空壓機 (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Table3 Booster air compressor

表4 透平膨脹機組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算所得的裝置終端電機功率消耗 (包括氮壓機功耗)，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

通過詳細(xì)的流程計算以及各項數(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。

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

空壓機一壓到底，膨脹空氣進下塔流程:通過流程的優(yōu)化，取消了獨立的增壓機，采用多一級葉輪的空壓機來替代。從流程組織上來看，工藝流程得到進一步簡化，機組間的配管將十分簡便。從設(shè)備投資上看，目前國產(chǎn)空壓機制造工藝成熟，運行性能穩(wěn)定，價格上與同時購置空壓機、增壓機兩臺機組相比有明顯優(yōu)勢。另外，采用膨脹空氣進下塔流程，空壓機排氣量較膨脹空氣進上塔流程減少約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，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)要高于膨脹空氣進上塔流程，即使當(dāng)液氮產(chǎn)量提至350 kg/h時，其單位產(chǎn)品能耗指標(biāo)約為0.2456 kW/Nm3，依然比膨脹空氣進上塔流程要高出約4%。

總之，無論采用哪種流程組織形式都必須對各自流程的優(yōu)缺點做出全面充分的考量，最終還是要依據(jù)用戶的實際需求和操作習(xí)慣來選取最適合的流程。本文通過舉以上這個例子，也正是想表明這一點。目前，內(nèi)壓縮流程在空分工藝中的運用已十分廣泛，各個行業(yè)廠家對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，才更需要我們對此有更深刻的認(rèn)識，只有通過多優(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)或氮氣循環(huán)流程，有時我們甚至采用雙膨脹機流程;若下塔抽取較多壓力氮氣、液氮產(chǎn)品或氮純度要求很高時，往往采用膨脹空氣進下塔流程……，而這些流程各自又有著諸多的變化，這些都需要我們在今后的流程開發(fā)設(shè)計中進一步探討。

［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.新編制氧工問答 ［G］.北京:冶金工業(yè)出版社，2004.