蔣 旭,江楚標(biāo)
(中空能源設(shè)備有限公司,浙江杭州濱江區(qū)濱盛路1509號(hào)1204 310051)
氣體工業(yè)是伴隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)而發(fā)展的,其增長(zhǎng)率是GDP增長(zhǎng)率的1.25~1.5倍,我國(guó)實(shí)行的是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一個(gè)歷史時(shí)期,將維持GDP 7% ~8%的年增長(zhǎng)率,這就保證了氣體工業(yè)10%~12%的年增長(zhǎng)率。雖然國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展會(huì)有起伏,但那是波浪式前進(jìn)或螺旋式上升,不會(huì)出現(xiàn)類似鋼鐵工業(yè)的飽和點(diǎn),只要國(guó)民經(jīng)濟(jì)在增長(zhǎng),氣體工業(yè)就會(huì)不斷發(fā)展。
由于目前的煤化工裝置要求氧氣的壓力通常為4.0~9.0 MPa,所以煤化工型空分均采用內(nèi)壓縮流程。但是由于采用的煤氣化技術(shù)不同(主要是氣化爐型不同),煤制油、煤制天然氣、煤制甲醇、煤制烯烴等工藝路線,對(duì)需要的氧氣和氮?dú)鈹?shù)量、壓力、規(guī)格會(huì)有所不同,從而形成空分流程的多樣化。另外煤化工的空分設(shè)備通常要求提供高壓氧氣、高壓氮?dú)?、中壓氮?dú)狻⒌蛪旱獨(dú)?、儀表空氣、全化工廠用空氣、液氧、液氮等多種產(chǎn)品,尤其是對(duì)氮?dú)猱a(chǎn)品的需求較高,規(guī)格有的達(dá)6種之多。而且煤化工用氣量會(huì)在大范圍內(nèi)變化,甚至當(dāng)后續(xù)工藝停機(jī)時(shí),短時(shí)間內(nèi)用氮量也會(huì)增加幾倍。
所以合理選擇流程不僅可以降低投資、節(jié)省能耗,而且可使空分設(shè)備得以可靠連續(xù)地運(yùn)行,這樣對(duì)于生產(chǎn)及投資都具有很好的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性,同時(shí)這也是投資一套空分設(shè)備的最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)。
為了使加壓后液氧的低溫冷量能夠轉(zhuǎn)換成為同一低溫級(jí)的冷量,使空分設(shè)備實(shí)現(xiàn)能量平衡,必須要有一股逆向流動(dòng)的壓縮空氣在換熱器中與加壓后的液氧進(jìn)行換熱。在使液氧氣化和復(fù)熱的同時(shí),這股壓縮氣體則被冷卻和液化,然后送入塔內(nèi)參與精餾。根據(jù)熱力學(xué)原理,參與換熱的這股高壓氣體的壓力必須高于被壓縮液氧的壓力或者同處于超臨界狀態(tài),所以在內(nèi)壓縮流程中需設(shè)置一臺(tái)循環(huán)增壓機(jī)和一個(gè)高壓換熱器。根據(jù)循環(huán)增壓機(jī)壓縮的介質(zhì)不同,流程形式可分為空氣循環(huán)和氮?dú)庋h(huán)。
其中空氣循環(huán)又分為空氣循環(huán)單泵流程(液氧)和空氣循環(huán)雙泵流程(液氧和液氮),氮?dú)庋h(huán)只有一種形式,即氮?dú)庋h(huán)單泵流程[1],以下具體簡(jiǎn)介三種空分流程型式。
當(dāng)氣量在8000 Nm3/h(3.0 MPa時(shí))~20 000 Nm3/h(8.0 MPa時(shí))以上時(shí),氮?dú)馔钙綁嚎s機(jī)能夠滿足,流量小壓力高時(shí)整機(jī)效率較低,流量大時(shí)整機(jī)效率較高,此時(shí)應(yīng)當(dāng)采用氮?dú)馔鈮嚎s流程,因?yàn)槟芎纳系獨(dú)馔鈮嚎s要較采用內(nèi)壓縮占較大優(yōu)勢(shì)。
空氣循環(huán)單泵流程中高壓液氧與高壓空氣換熱,液化空氣進(jìn)塔后大部分為參加精餾,導(dǎo)致這部分空氣當(dāng)中的氮?dú)馕捶蛛x,從而導(dǎo)致下塔氮?dú)夥蛛x量較外壓縮(全氣相進(jìn)料,外壓縮流程或者氮?dú)庋h(huán)單泵流程,液氮回下塔,其相當(dāng)于全氣相)少20% ~30%(空氣循環(huán)雙泵流程)。所以空氣循環(huán)單泵流程的下塔抽氮量較全氣相進(jìn)料的下塔要少。
一般氣量在8000 Nm3/h(3.0 MPa時(shí))~20 000 Nm3/h(8.0 MPa時(shí))以下時(shí),采用氮透無法做,而采用活塞氮壓機(jī)則是一方面需要有備機(jī),投資較高,同時(shí)備件費(fèi)用較貴;另一方面維護(hù)量較大,長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行可靠性差,許多用戶均不愿選擇此種機(jī)型。同時(shí)下塔抽氮?dú)饪偭课闯^氧氣量的1.5倍時(shí),此時(shí)采用空氣循環(huán)雙泵流程的能耗較低,推薦采用空氣循環(huán)雙泵流程。
空氣循環(huán)雙泵流程的液化空氣量大(有高壓氧的復(fù)熱空氣和高壓氮的復(fù)熱空氣,對(duì)精餾的影響較大,尤其下塔抽氮?dú)饬康淖畲罅棵黠@要小,不能滿足時(shí)需要增大空氣量。
氮?dú)庋h(huán)單泵流程是指從下塔頂部外抽一股壓力氮?dú)獬隼湎?,?jīng)過增壓后外抽中高壓氮?dú)猱a(chǎn)品,同時(shí)剩余部分作為增壓復(fù)熱與膨脹工質(zhì),與中高壓液氧進(jìn)行換熱的流程。
氮?dú)庋h(huán)單泵流程較空氣循環(huán)單泵流程的下塔抽氮量要多20%,氮?dú)庋h(huán)單泵流程本質(zhì)上與外壓縮流程的下塔相同(也為全氣相進(jìn)料,高壓板式中高壓氮?dú)馀c高壓液氧換熱,液化后返回下塔頂部),這對(duì)于下塔抽氮?dú)饬看蟪鲎畲蟪榈拗茣r(shí)要節(jié)省不少能耗,但是氮?dú)庋h(huán)單泵流程由于換熱器有循環(huán)量(增壓和膨脹),二次復(fù)熱不足損失,循環(huán)量(壓力氮?dú)?外抽換熱附加能耗(換熱品質(zhì)差距大),氮?dú)庾鳛樵黾訌?fù)熱和膨脹制冷工質(zhì)要比空氣差而多增能耗,氮?dú)馀蛎浐笥捎陲柡忘c(diǎn)較空氣低(低4K,膨脹空氣中抽溫度低,這對(duì)于換熱是有利的)而產(chǎn)生的換熱器不可逆損失大(膨脹機(jī)機(jī)后帶液體限制),膨脹空氣中抽溫度低而增強(qiáng)換熱所節(jié)省的能耗,同時(shí)中高壓產(chǎn)品規(guī)格與流程最佳增壓復(fù)熱壓力、膨脹制冷壓力的差距大而附加的能耗等各種因素導(dǎo)致氮?dú)庋h(huán)單泵流程自身優(yōu)越性不能體現(xiàn),有可能導(dǎo)致氮?dú)庋h(huán)單泵流程能耗反而要高。
下面比較時(shí)產(chǎn)品規(guī)格僅為高壓氮?dú)馀c壓力氮?dú)?當(dāng)有中壓氮?dú)鈺r(shí),還需要按照氮?dú)馔钙綁嚎s機(jī)是否能做、氮壓機(jī)投資等因素來考慮,中壓氮?dú)庖c高壓氮?dú)饬亢喜⒁黄鹂紤]。
當(dāng)中高壓氮壓機(jī)無法做時(shí),采用空氣循環(huán)雙泵流程或者氮?dú)庋h(huán)單泵流程。產(chǎn)品規(guī)格為:高壓氧氣流量20 000 Nm3/h,壓力5.3 MPa;高壓氮?dú)饬髁?2 000 Nm3/h,壓力8.2 MPa;壓力氮?dú)饬髁?11 000 Nm3/h,壓力 0.55 MPa。
由于氣量在8000 Nm3/h(3.0 MPa時(shí))~20 000 Nm3/h(8.0 MPa時(shí))以下,氮?dú)馔钙綁嚎s機(jī)無法做,所以只能采用空氣循環(huán)雙泵流程或者氮?dú)庋h(huán)單泵流程,其中氮?dú)庋h(huán)單泵流程的增壓機(jī)末級(jí)與高壓氮?dú)猱a(chǎn)品規(guī)格相同,空氣循環(huán)雙泵流程的增壓機(jī)末級(jí)排壓為最佳復(fù)熱壓力。取增壓機(jī)效率、膨脹機(jī)效率相同,膨脹機(jī)機(jī)后均帶液7%,其余高壓換熱器,低壓換熱器的溫差取相同,冷損相同,具體見表1。
表1 空氣循環(huán)雙泵與氮?dú)庋h(huán)單泵流程比較Table 1 Compare with air recycling dual pump process&nitrogen recycling single pump process
可以看出空氣循環(huán)雙泵流程的空氣量要比氮?dú)庋h(huán)單泵流程量大,說明液化空氣影響抽氮因素明顯,同時(shí)由于空氣量大的原因,氬產(chǎn)品要多一些,由于氮內(nèi)壓,所以空氣循環(huán)雙泵流程的高壓主換熱器要比氮?dú)庋h(huán)單泵流程要大,低壓換熱器面積氮?dú)庋h(huán)單泵流程要大些。
當(dāng)隨著內(nèi)壓縮高壓液氮量的增大,液化空氣影響因素增大,所需空氣量增大,能耗增大。但是氮?dú)庋h(huán)所節(jié)省的能耗有限,因?yàn)槠渲荒茉龃?0%左右的下塔氮?dú)饬?,抽氮?dú)饬看髸r(shí),需要增大空氣量,當(dāng)高壓液氮量超出氧氣量的60% 時(shí),且下塔抽氮?dú)饬砍^氧氣量的1.3倍時(shí),兩種流程能耗持平,隨著高壓液氮量的增大,以及下塔氮?dú)獬榱康脑龃?,空氣循環(huán)雙泵流程的優(yōu)勢(shì)越來越明顯,最大節(jié)省能耗1%左右。
當(dāng)高壓液氮量一定時(shí),隨著下塔抽氮?dú)饬康脑龃?,抽氮受限制影響有限,氮?dú)庋h(huán)單泵流程的優(yōu)勢(shì)不太明顯,僅僅略微低些。
對(duì)于能耗而言,氮?dú)庋h(huán)單泵流程由于氮?dú)庾鳛樵鰤簭?fù)熱和膨脹制冷工質(zhì)焓降低,所以流量要大些;同時(shí)氮?dú)獾娘柡忘c(diǎn)較空氣要低,中抽換熱器溫差較大,不可逆損失大,造成能耗多,所以對(duì)于氮?dú)庋h(huán)單泵流程而言,換熱器的熱端溫差不宜過大,一般不超過3K最好,這樣不可逆損失小些,另外由于壓力氮?dú)獾拇罅砍槌?,所需?fù)熱量較上塔低壓氮?dú)獯?,進(jìn)而導(dǎo)致高壓復(fù)熱氮?dú)饬髁看蟆?/p>
所以影響氮?dú)庋h(huán)單泵流程的能耗有兩大因素,一個(gè)為產(chǎn)品壓力與增壓機(jī)的最佳復(fù)熱壓力是否接近;另外一個(gè)是氮?dú)夤べ|(zhì)換熱如何降低不可逆損失問題,一般大型裝置配置高溫膨脹機(jī)較為合適。
當(dāng)中高壓氮壓機(jī)能做時(shí),采用空氣循環(huán)單泵流程或者氮?dú)庋h(huán)單泵流程。產(chǎn)品規(guī)格為:高壓氧氣流量40 000 Nm3/h,壓力5.3 MPa;高壓氮?dú)饬髁?4 000 Nm3/h,壓力8.2 MPa;壓力氮?dú)饬髁?22 000 Nm3/h,壓力 0.55 MPa。
由于氣量在8000 Nm3/h(3.0 MPa時(shí))~20 000 Nm3/h(8.0 MPa時(shí))以上,氮?dú)馔钙綁嚎s機(jī)能夠做,由于氮?dú)馔鈮嚎s能耗上占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),所以采用空氣循環(huán)單泵流程或者氮?dú)庋h(huán)單泵流程,其中氮?dú)庋h(huán)單泵流程的增壓機(jī)末級(jí)與高壓氮?dú)猱a(chǎn)品規(guī)格相同,空氣循環(huán)單泵流程的增壓機(jī)末級(jí)排壓為最佳復(fù)熱壓力。
取增壓機(jī)效率、膨脹機(jī)效率相同,膨脹機(jī)機(jī)后均帶液7%,其余高壓換熱器,低壓換熱器的溫差取相同,冷損相同,具體見表2。
表2 空氣循環(huán)單泵與氮?dú)庋h(huán)單泵流程Table 2 Compare with air recycling single pump process&nitrogen recycling single pump process
可以看出隨著下塔抽氮?dú)饬康脑龃?,?dāng)?shù)獨(dú)馔钙綁嚎s機(jī)的效率為50%時(shí),空氣循環(huán)單泵流程的能耗越來越接近氮?dú)庋h(huán)單泵流程,甚至要低。但是當(dāng)?shù)獨(dú)馔钙綁嚎s機(jī)的效率大于50%時(shí),空氣循環(huán)單泵流程的能耗要低許多,占較大優(yōu)勢(shì)。
當(dāng)能耗相差不大時(shí),氮?dú)庋h(huán)單泵流程由于節(jié)省投資(一臺(tái)高壓氮壓機(jī)(中抽)或者一臺(tái)高壓氮壓機(jī),一臺(tái)中壓氮壓機(jī),但是氮?dú)庋h(huán)的增壓機(jī)較大,低壓板式多)而較占優(yōu)勢(shì),此時(shí)推薦氮?dú)庋h(huán)單泵流程。
由于高壓氧產(chǎn)品量一定,所以液化空氣的量是一定的,液化空氣影響抽氮因素不太明顯。
空氣循環(huán)單泵流程的空氣量要比氮?dú)庋h(huán)單泵流程量略微大些,同時(shí)由于空氣量大的原因,空壓機(jī)能耗高,氬產(chǎn)品要多,由于本質(zhì)都是氮?dú)馔鈮嚎s,所以空氣循環(huán)單泵流程的高壓主換熱器與氮?dú)庋h(huán)單泵流程較為接近,低壓換熱器面積氮?dú)庋h(huán)單泵流程要比空氣循環(huán)單泵流程多50%。
對(duì)于能耗而言,氮?dú)庋h(huán)單泵流程由于氮?dú)庾鳛樵鰤簭?fù)熱和膨脹制冷工質(zhì)焓降低的原因,其流量要大些;同時(shí)氮?dú)獾娘柡忘c(diǎn)較空氣要低,中抽換熱器溫差較大,不可逆損失大,造成能耗多,所以對(duì)于氮?dú)庋h(huán)單泵流程而言,換熱器的熱端溫差不宜過大,一般不超過3K最好,這樣不可逆損失小些,另外由于壓力氮?dú)獾拇罅砍槌?,所需?fù)熱量較上塔低壓氮?dú)獯螅M(jìn)而導(dǎo)致高壓復(fù)熱氮?dú)饬髁看蟆?/p>
而空氣循環(huán)單泵流程由于增壓空氣量一定,液化空氣量也一定,影響有限。冷損小膨脹制冷空氣量小導(dǎo)致中抽量小能耗低。在能耗上空氣循環(huán)單泵流程占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì),即使氮?dú)馔钙綁嚎s機(jī)的效率只有50%,其總能耗也是低出不少。
當(dāng)中高壓氮壓機(jī)能做時(shí),但是效率較低,采用空氣循環(huán)單泵流程或者空氣循環(huán)雙泵流程。
由于氣量在8000 Nm3/h(3.0 MPa時(shí))~20000 Nm3/h(8.0 MPa時(shí)),氮?dú)馔钙綁嚎s機(jī)也能夠做,但是效率較低,由于氮?dú)馔鈮嚎s能耗上占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),所以采用空氣循環(huán)單泵流程或者氮?dú)庋h(huán)單泵流程,其中氮?dú)庋h(huán)單泵流程的增壓機(jī)末級(jí)與高壓氮?dú)猱a(chǎn)品規(guī)格相同,空氣循環(huán)單泵流程的增壓機(jī)末級(jí)排壓為最佳復(fù)熱壓力。取增壓機(jī)效率、膨脹機(jī)效率相同,膨脹機(jī)機(jī)后均帶液7%,其余高壓換熱器,低壓換熱器的溫差取相同,冷損相同,具體見表3。
表3 空氣循環(huán)雙泵與空氣循環(huán)單泵流程Table 3 Compare with air recycling dual pump process&air recycling single pump process
對(duì)投資而言,空氣循環(huán)雙泵流程氣量大一些,設(shè)備整體大一些,空氣循環(huán)雙泵流程有增壓機(jī),4臺(tái)液體泵,高壓換熱器較大一些;空氣循環(huán)單泵流程的投資有增壓機(jī),氮壓機(jī)(1臺(tái)或者2臺(tái)),投資較高。
能耗上空氣循環(huán)單泵流程占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),在氮壓機(jī)效率只有50%,同雙泵流程較為接近(要低一些),當(dāng)機(jī)組效率超出55%時(shí),能耗要低出不少,此時(shí)能耗費(fèi)用要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于節(jié)省氮壓機(jī)的費(fèi)用,推薦空氣循環(huán)單泵流程;而能耗相差不多時(shí),從節(jié)省投資的角度上考慮,應(yīng)該選擇空氣循環(huán)雙泵流程。
1.對(duì)于空氣循環(huán),當(dāng)下塔抽氮?dú)獬^1.5倍的氧氣產(chǎn)品量時(shí),由于破壞正常精餾工況而導(dǎo)致空氣量增大,此時(shí)氮?dú)庋h(huán)(氮?dú)庋h(huán)抽氮?dú)饪蛇_(dá)1.8倍,相當(dāng)于外壓縮下塔,為全氣相進(jìn)料,高壓氮?dú)馀c高壓液氧換熱,相當(dāng)于部分主冷)更占能耗優(yōu)勢(shì),能耗增加原因主要是超出下塔抽氮限制,進(jìn)而導(dǎo)致空氣量增加,能耗增加,對(duì)于空氣循環(huán)單泵流程優(yōu)勢(shì)不明顯,對(duì)于空氣循環(huán)雙泵流程優(yōu)勢(shì)較大。
2.當(dāng)下塔抽氮?dú)饬坎淮?,流程需要氮透時(shí),如果是蒸汽驅(qū)動(dòng),還需要投資汽輪機(jī)。氮?dú)庋h(huán)單泵流程的優(yōu)勢(shì)是能耗相差不多時(shí),投資少一臺(tái)氮壓機(jī)(蒸汽驅(qū)動(dòng)時(shí)還有汽輪機(jī)),產(chǎn)品種類多時(shí)為多臺(tái)(中壓氮壓機(jī),高壓氮壓機(jī)),部分產(chǎn)品規(guī)格可能量小而無法做,避免下塔抽氮?dú)饬看蟛捎貌糠指邏旱a(chǎn)品內(nèi)壓縮(量大時(shí))而導(dǎo)致能耗較氮?dú)庋h(huán)高,另外一般需單獨(dú)配置儀表氣壓縮機(jī)。
3.采用氮?dú)庋h(huán)單泵流程,一方面增壓機(jī)流量增大避開機(jī)器流量小而效率低的區(qū)域,另外當(dāng)中壓氮?dú)猱a(chǎn)品與膨脹空氣2.7 MPa越接近(理論上其他壓力也可以中抽),高壓氮?dú)馀c高壓氧氣產(chǎn)品的增壓復(fù)熱最佳壓力越接近,能耗越小,而偏離越大,能耗越大。
4.穩(wěn)定運(yùn)行方面,氮?dú)庋h(huán)的機(jī)組需要采用進(jìn)口多軸機(jī)型,投資要較單軸機(jī)型略高,單軸機(jī)型一般壓力高、末級(jí)流量小時(shí)也無法滿足,效率較低導(dǎo)致能耗較高,產(chǎn)品壓縮機(jī)與增壓機(jī)合二為一,可靠性不好,但是操作維護(hù)量小。
5.對(duì)于氮?dú)庋h(huán)所配置的低溫膨脹機(jī)最好可以帶液體量7%左右的,這樣較好地平衡了換熱溫差,減小了不可逆損失,從而節(jié)省了能耗。對(duì)于中抽量大的,需要配置低溫冷氣機(jī)組或者高溫膨脹機(jī),使換熱器熱段溫差減小,不可逆損失減小,從而節(jié)省能耗。
當(dāng)下塔抽氮?dú)?倍以上,此時(shí)抽氮?dú)饬看?,?yīng)該選擇配置雙下塔(配置一個(gè)氣量占總氣量不小于30% 的工作壓力為0.3 MPa的高純氮裝置)的空氣循環(huán)單泵流程(高純氮裝置冷凝器的液空蒸發(fā)氣體進(jìn)上塔,相當(dāng)于外壓縮流程上塔),對(duì)精餾而言,空氣循環(huán)雙下塔單泵流程對(duì)氧氮有利而對(duì)氬不利。
當(dāng)前空分行業(yè)正處于黃金時(shí)期,它開始于2002年,是被鋼鐵工業(yè)的迅猛發(fā)展造就的,目前增長(zhǎng)勢(shì)頭不減,從2007年開始鋼鐵工業(yè)的產(chǎn)能已經(jīng)趨緩,對(duì)空分設(shè)備的需求會(huì)有所下降,這個(gè)缺額已經(jīng)被三大化工,特別是煤化工中煤制油項(xiàng)目的新增需求所填補(bǔ),因而黃金時(shí)期仍將延續(xù)。例如一個(gè)年產(chǎn)油品300萬t的煤制油項(xiàng)目就需要6萬等級(jí)的空分設(shè)備10套左右,其它配套煤化工項(xiàng)目的空分裝置也越來越多,也就是說煤化工項(xiàng)目仍將是空分行業(yè)的最大用戶。
氮?dú)庋h(huán)空分流程應(yīng)用最初是由于增壓空氣及產(chǎn)品氮?dú)鈮毫Ω吡髁啃《鴻C(jī)組不能做(活塞機(jī)臺(tái)數(shù)多),選擇氮?dú)庋h(huán)空分流程是實(shí)現(xiàn)2~4萬等級(jí)化工型空分裝置節(jié)能節(jié)資的一種途徑,在氮?dú)猱a(chǎn)品壓力與增壓空氣壓力接近的情況下,能耗也較為接近。其可以將產(chǎn)品壓縮機(jī)與增壓復(fù)熱機(jī)組合二為一,同時(shí)也節(jié)省了機(jī)組投資。
由于空氣和氮?dú)庠诜悬c(diǎn)、潛熱、臨界點(diǎn)等物理性質(zhì)有所差異,所以兩種空分流程在流程組織、產(chǎn)品提取率、增壓氣量、換熱器熱負(fù)荷、設(shè)備投資以及最終綜合能耗指標(biāo)也有所不同,內(nèi)壓縮空分流程以其巨大的包容性完成了化工生產(chǎn)當(dāng)中所需產(chǎn)品氣的問題,相信內(nèi)壓縮空分流程在日后的發(fā)展和應(yīng)用之中會(huì)更加多樣化和成熟。
[1]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.