蔣 旭，江楚標(biāo)，徐偉民，丁友勝，趙小瑩

(中空能源有限公司設(shè)計(jì)研究院，杭州濱江 310051)

隨著我國(guó)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(xiàng)目日益增多，與之配套的空分設(shè)備需求也越來(lái)越多。目前我國(guó)空分設(shè)備的產(chǎn)能已達(dá)600萬(wàn)Nm3/h，隨著市場(chǎng)需求的進(jìn)一步擴(kuò)大，其規(guī)模將會(huì)不斷邁上新臺(tái)階。

國(guó)內(nèi)空分技術(shù)的發(fā)展已有近50年的歷史，尤其近十年來(lái)的進(jìn)步異常迅猛，近十年來(lái)以杭氧為代表的國(guó)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(guó)產(chǎn)空分設(shè)備在特大型空分規(guī)模上同世界領(lǐng)先企業(yè)的差距進(jìn)一步縮小。具有代表性的是開(kāi)封空分德州40000 Nm3/h空分設(shè)備，中國(guó)空分包鋼40000 Nm3/h空分設(shè)備(EPC)，杭氧北臺(tái)50000 Nm3/h空分設(shè)備、杭氧寶鋼60000 Nm3/h空分設(shè)備，杭氧廣西盛隆8萬(wàn)等級(jí)空分設(shè)備，杭氧伊朗12萬(wàn)及杭氧神華寧煤10萬(wàn)等級(jí)空分設(shè)備，在我國(guó)空分設(shè)備技術(shù)發(fā)展和壯大當(dāng)中具有里程碑式意義。

增大單套空分設(shè)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(hù)量，而且可以減少金屬材料及能源的消耗。總的投資和消耗會(huì)降低不少，這對(duì)于氣體投資者及空分用戶(hù)來(lái)說(shuō)，意義重大。

1 國(guó)外空分設(shè)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(guò)去10年的大發(fā)展打開(kāi)了工業(yè)氣體行業(yè)的新局面，國(guó)際主要?dú)怏w生產(chǎn)商的數(shù)量從7個(gè)降至4個(gè)。過(guò)去10年來(lái)規(guī)模最大的收購(gòu)包括Linde收購(gòu)AGA Group和BOC，以及Air Liquide收購(gòu)Messer，這些活動(dòng)大大整合了區(qū)域市場(chǎng)。

自從1902年由德國(guó)林德公司設(shè)計(jì)制造出第一臺(tái)制氧機(jī)以來(lái)，空分設(shè)備不斷實(shí)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(shù)已經(jīng)日臻成熟。當(dāng)前大型空分設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)是大型化、高純度、全提取、低能耗、自動(dòng)化。

國(guó)外空分設(shè)備制造商經(jīng)過(guò)激烈的競(jìng)爭(zhēng)之后，以法液空、林德、APCI、普萊克斯為主。其中法液空聲稱(chēng)可以制造18萬(wàn)等級(jí)特大型空分設(shè)備，其于2005年為加拿大長(zhǎng)湖化工項(xiàng)目配套的113880 Nm3/h為目前已有業(yè)績(jī)的最大裝置。林德公司投運(yùn)的最大設(shè)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(lǐng)域。APCI在北美有運(yùn)行9萬(wàn)等級(jí)的裝置。普萊克斯2007年為江蘇鎮(zhèn)江索普集團(tuán)醋酸項(xiàng)目配套的90000 Nm3/h設(shè)備，也使其躋身國(guó)外大型空分裝置制造商行列。

在技術(shù)特點(diǎn)方面各有所長(zhǎng)，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(jī)、填料下塔等工藝的應(yīng)用推動(dòng)了空分技術(shù)的發(fā)展。

2 國(guó)內(nèi)空分設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

近幾年，國(guó)內(nèi)主要空分設(shè)備生產(chǎn)廠家正在研發(fā)制造大型乃至特大型空分設(shè)備，且已取得很大進(jìn)展。在單機(jī)制氧能力不斷擴(kuò)大的同時(shí)，空分設(shè)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(jìn)，大型空分設(shè)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(jì)80年代后，我國(guó)空分行業(yè)緊跟世界先進(jìn)水平，提升了自己的競(jìng)爭(zhēng)力，提前進(jìn)行了技術(shù)儲(chǔ)備。從1996年開(kāi)始，我國(guó)空分行業(yè)開(kāi)始引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的流程和計(jì)算軟件，并進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，引進(jìn)了一些先進(jìn)的加工設(shè)備和檢驗(yàn)設(shè)備，對(duì)廠房進(jìn)行了擴(kuò)建以適應(yīng)中大型空分設(shè)備的加工，在軟件和硬件設(shè)施上都為空分行業(yè)的騰飛做好了準(zhǔn)備。如今軟件應(yīng)用上已同世界領(lǐng)先企業(yè)相同，但在制造、實(shí)驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)積累及理論研究方面差距仍然很大。2002年至今這10余年當(dāng)中，空分裝置不斷大型化，步入了8～12萬(wàn)等級(jí)攻堅(jiān)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(jī)廠，1995年建立杭州制氧機(jī)集團(tuán)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(guó)空分市場(chǎng)占有率一直保持在50%左右，處于國(guó)內(nèi)同行業(yè)領(lǐng)先地位。其自行設(shè)計(jì)、制造的國(guó)內(nèi)首套60000 Nm3/h O2大型空分設(shè)備已于2006年成功開(kāi)車(chē)，目前最大裝置規(guī)模為80000 Nm3/h，120000 Nm3/h的裝置正在設(shè)計(jì)之中。

到目前為止，杭氧在全國(guó)各地共投資氣體公司25家，其中10家已順利投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)。項(xiàng)目進(jìn)行中充分發(fā)揮了杭氧專(zhuān)業(yè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使氣體公司生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本最低化、效益最大化。杭氧目前為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)，國(guó)產(chǎn)空分的第一梯隊(duì)。

2.2 川空集團(tuán)

川空是后起之秀，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)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(shù)上無(wú)大的進(jìn)步，空分市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，技術(shù)更新快速，一旦落后將會(huì)逐漸淡出，這一點(diǎn)應(yīng)當(dāng)引起警惕。目前最大裝置制氧量為55000 Nm3/h，川空目前為國(guó)產(chǎn)空分的第二梯隊(duì)。

2.3 開(kāi)封空分集團(tuán)有限公司

原名開(kāi)封空分設(shè)備廠，1997年改制為國(guó)有獨(dú)資公司，2004年整體轉(zhuǎn)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(gòu)。目前該公司自行設(shè)計(jì)生產(chǎn)的最大裝置制氧量為60000 Nm3/h。開(kāi)封空分人員復(fù)雜，虧損較大，目前為國(guó)產(chǎn)空分的第二梯隊(duì)。

第三梯隊(duì)有中空能源、河南開(kāi)元、開(kāi)封黃河;第四梯隊(duì)為蘇氧、上海啟元、開(kāi)封迪爾、開(kāi)封賽普、杭州福斯達(dá)等近20家中小公司;第三和第四梯隊(duì)中部分企業(yè)發(fā)展?jié)摿薮?，有望通過(guò)技術(shù)引進(jìn)、融資壯大和擴(kuò)大制造能力在幾年內(nèi)快速發(fā)展進(jìn)入國(guó)內(nèi)空分第二梯隊(duì)。

3 空分流程形式和分類(lèi)

空分設(shè)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(lèi)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?dú)庋h(huán))］、外壓縮流程。

2002～2012年，我國(guó)空分設(shè)備行業(yè)共生產(chǎn)大中型空分設(shè)備1500余套，其中冶金(鋼鐵和有色)工業(yè)占空分設(shè)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(jī)、氧壓機(jī)、氮壓機(jī);2.內(nèi)壓縮的消耗:空壓機(jī)、增壓機(jī)、氮壓機(jī)(若有)。

其它小的輔助設(shè)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(jiǎn)單介紹冶金型空分裝置配套及特點(diǎn)，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?dú)鈮毫?.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(duì)用氧要求，現(xiàn)在國(guó)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(guó)產(chǎn)，70000 Nm3/h O2以上以進(jìn)口為主。

2.外壓縮流程的配置基本相同:1)空壓機(jī)及過(guò)濾系統(tǒng):采用國(guó)產(chǎn)或進(jìn)口機(jī)器配國(guó)產(chǎn)自潔式過(guò)濾器;2)氮水預(yù)冷系統(tǒng):充分利用干燥氮?dú)獾睦淞浚档屠鋬鏊疁囟?，取消冷水機(jī)組(或帶備用冷水機(jī)組);3)純化系統(tǒng):采用電加熱或蒸汽加熱，自動(dòng)切換;采用分子篩+氧化鋁雙層床結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)分子篩的壽命，臥式或者立式徑向流;4)制冷系統(tǒng):2臺(tái)國(guó)產(chǎn)膨脹機(jī)，1用1備;5)換熱系統(tǒng):國(guó)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(guó)產(chǎn)氧透或氧活塞;9)壓氮系統(tǒng):國(guó)產(chǎn)氮透或氮活塞;10)儀控系統(tǒng):國(guó)產(chǎn)或進(jìn)口DCS。外壓縮流程的優(yōu)點(diǎn)是:配套要求低，配套機(jī)組或閥門(mén)價(jià)格低、投資少。

3.內(nèi)壓縮流程的配置變化相對(duì)較多:1)空壓機(jī)及過(guò)濾系統(tǒng):采用國(guó)產(chǎn)或進(jìn)口機(jī)器配國(guó)產(chǎn)自潔式過(guò)濾器，增壓機(jī)一般為進(jìn)口;2)氮水預(yù)冷系統(tǒng):充分利用干燥氮?dú)獾睦淞浚档屠鋬鏊疁囟?，取消冷水機(jī)組(或帶備用冷水機(jī)組);3)純化系統(tǒng):采用電加熱或蒸汽加熱，自動(dòng)切換;采用分子篩+氧化鋁雙層床結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)分子篩的壽命;4)制冷系統(tǒng):2臺(tái)國(guó)產(chǎn)膨脹機(jī)，1用1備;或者1臺(tái)進(jìn)口膨脹機(jī);或者1臺(tái)進(jìn)口加1臺(tái)國(guó)產(chǎn)膨脹機(jī)，大型內(nèi)壓配置液體膨脹機(jī);5)換熱系統(tǒng):高低混合國(guó)產(chǎn)大板式或者高低混合進(jìn)口大板式或者分體式(低壓板式用國(guó)產(chǎn)，高壓板式用進(jìn)口)，同時(shí)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(guó)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(guó)產(chǎn)氮透或氮活塞;9)儀控系統(tǒng):國(guó)產(chǎn)或進(jìn)口DCS。

內(nèi)壓縮流程的特點(diǎn)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(guó)產(chǎn)空分設(shè)備主要業(yè)績(jī)

表1為國(guó)產(chǎn)空分供貨商代表性業(yè)績(jī)。

表1 國(guó)產(chǎn)空分業(yè)績(jī)表Table1 The table of domestic extra-large ASU

以上業(yè)績(jī)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(shè)備的配套

1.壓縮機(jī)組:空壓機(jī)、增壓機(jī)及一拖二驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)是成套空分設(shè)備投資和能耗的關(guān)鍵部分。6萬(wàn)等級(jí)以上空分單臺(tái)投資均采用進(jìn)口產(chǎn)品，目前曼透平公司和西門(mén)子公司的離心機(jī)可滿(mǎn)足10萬(wàn)等級(jí)以下配套，軸流+離心可滿(mǎn)足20萬(wàn)等級(jí)以下配套。陜鼓和沈鼓軸流+離心可滿(mǎn)足配套10萬(wàn)等級(jí)以下配套。汽輪機(jī)進(jìn)口曼透平、西門(mén)子均可配套;國(guó)產(chǎn)杭汽可滿(mǎn)足配套。

2.分子篩純化器:國(guó)內(nèi)空分設(shè)備供貨商一般選擇加長(zhǎng)臥式吸附器或者立式徑向流吸附器來(lái)解決。其難點(diǎn)在高度方向上防偏流，以及吸附劑的更換;做流場(chǎng)分析時(shí)尤其模型要選正確，否則會(huì)與實(shí)際運(yùn)行不符合;對(duì)于內(nèi)分配器均須采用微分法精確計(jì)算，防止塔變高后偏流。

分子篩純化器對(duì)于超限塔徑，采用現(xiàn)場(chǎng)制作，8～12萬(wàn)等級(jí)空分設(shè)備所配套的臥式分子篩純化器的直徑4.6～6.2 m，長(zhǎng)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(jī):進(jìn)口膨脹機(jī)選用ACD、CRYOSTAR、ATLAS等產(chǎn)品，膨脹機(jī)國(guó)外目前可以做到配套160000 Nm3/h等級(jí)的空分設(shè)備;對(duì)于節(jié)能要求較高的客戶(hù)(內(nèi)壓縮4萬(wàn)等級(jí)以上)可以配套液體膨脹機(jī)，其節(jié)省能耗約2%左右。

4.下塔:方案是采用填料塔，國(guó)外目前對(duì)于6萬(wàn)以上下塔均采用填料塔，可以利用蘇爾壽成熟的填料技術(shù)，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(shí)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(fù)雜)，或者三層、四層立式主冷(頂部設(shè)置液氧罐，最后一層液面與進(jìn)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(mǎn)足特大型空分設(shè)備配套需求。

6.低溫泵:CRYOSTAR、CRYOMEC、ACD 等國(guó)際知名品牌，且經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)和眾多用戶(hù)認(rèn)可的品牌，對(duì)于8到12萬(wàn)等級(jí)空分設(shè)備的配置要求完全可以滿(mǎn)足。目前杭氧在6 MPa等級(jí)液體泵的研發(fā)方面已經(jīng)取得進(jìn)展。

7.配套閥門(mén):高壓或者大壓差及氧氣閥門(mén)采用進(jìn)口，配套國(guó)外著名廠家產(chǎn)品，如冷箱內(nèi)低溫調(diào)節(jié)閥、高壓氧氣送出閥、放空閥采用 SAMSON、FLOWSERV等國(guó)際知名品牌，使得成套設(shè)備運(yùn)行及安全有保障。國(guó)產(chǎn)閥門(mén)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(guó)家經(jīng)濟(jì)的不斷高速發(fā)展，經(jīng)濟(jì)規(guī)模的壯大以及國(guó)家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，空分設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷的增加，市場(chǎng)的主要對(duì)象也在不斷地增加和變化。特別是在下述幾個(gè)領(lǐng)域?qū)ρ鯕?、氮?dú)猱a(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?lài)?guó)家支持對(duì)象，現(xiàn)階段處于發(fā)展初期，在寶鋼、榮成鋼廠、龍莽集團(tuán)已開(kāi)始中試或應(yīng)用，對(duì)氧氣、氮?dú)猱a(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(chēng)為綠色發(fā)電，是環(huán)保型工藝，屬?lài)?guó)家重點(diǎn)支持對(duì)象，現(xiàn)階段也處于發(fā)展初期，華能集團(tuán)在天津發(fā)電項(xiàng)目，華電集團(tuán)在浙江半山發(fā)電項(xiàng)目都采用IGCC綠色發(fā)電技術(shù)，一臺(tái)25萬(wàn)kW的中型發(fā)電機(jī)組就需要46000 m3/h的空分裝置。

煤化工、煤化肥領(lǐng)域:隨著世界石油的供應(yīng)緊張，中國(guó)的煤制甲醇、煤制二甲醚、煤制油、煤制烯烴技術(shù)處于高速發(fā)展階段，對(duì)氧氣、氮?dú)猱a(chǎn)品的需求是巨大的。一套60萬(wàn)t/a甲醇裝置就要配套80000 m3/h的氧氣，一套100萬(wàn) t/a煤制油裝置就要100000 m3/h的氧氣，一套80萬(wàn)t/a煤制二甲醚裝置就要配套86000 m3/h的氧氣，一套30萬(wàn)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(kāi)始幾年，相信仍然有10余年的黃金時(shí)期，同時(shí)國(guó)內(nèi)有條件的企業(yè)應(yīng)該積極投入跨國(guó)公司行列，以在世界市場(chǎng)中占有一定份額。

7 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)產(chǎn)空分供貨商以杭氧、川空、開(kāi)空、中空為代表，幾大廠家積極總結(jié)近幾年運(yùn)行的大型空分設(shè)備在流程組織、計(jì)算、設(shè)計(jì)、制造、配套、運(yùn)輸、安裝、開(kāi)車(chē)調(diào)試、運(yùn)行等各方面的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，大力開(kāi)發(fā)先進(jìn)流程，創(chuàng)新設(shè)計(jì)空分大型單體設(shè)備，如今已經(jīng)取得成功。

目前國(guó)外最大在運(yùn)行的空分設(shè)備是由法液空設(shè)計(jì)制造的12萬(wàn)等級(jí)空分設(shè)備，由林德公司設(shè)計(jì)制造的最大高純氮設(shè)備規(guī)模已達(dá)33萬(wàn)等級(jí)。國(guó)內(nèi)空分企業(yè)也在不斷開(kāi)拓進(jìn)取，積極響應(yīng)國(guó)家特大型空分設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的號(hào)召，加大自主研發(fā)力度，最大制造規(guī)模等級(jí)不斷破紀(jì)錄，當(dāng)然國(guó)產(chǎn)空分設(shè)備的每一次飛躍都與國(guó)內(nèi)客戶(hù)的信任與支持分不開(kāi)。

當(dāng)前從流程模擬計(jì)算方面不管?chē)?guó)產(chǎn)還是進(jìn)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(chǎng)制造的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，這方面國(guó)內(nèi)制造商還和國(guó)外的法液空、林德、空氣化工產(chǎn)品、普萊克斯等世界領(lǐng)先企業(yè)有差距，所以從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)更需要國(guó)產(chǎn)用戶(hù)的認(rèn)可和支持，共擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)，使國(guó)產(chǎn)空分設(shè)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(xiàn)。