空分装置流程形式和分类
空分装置的流程按压力:高压流程、中压流程、低压流程;其中流程高、中、低压的流程相同,只是受制于膨胀制冷的效率、氧氮压机的成熟度两个方面,空压机排气压力高低不同而已,最初的高压流程产品气压力高,一般情况下不需要氧氮压机,投资小,但是能耗较高,目前由于相关单元设备的发展,高中压流程已经淘汰不用。
按用途:冶金型、化工型;这两种流程目前的主流流程,应用最广,如今已经大量用于工业当中。
按产品种类:双高流程、单高流程、全液体流程、液化装置等;这些流程种类较多,主要是按照生产液体和气体种类来划分并研发,满足不同客户的需求。
按产品的压缩方式:内压缩流程[双泵内压缩和单泵内压缩流程(空气循环、氮气循环)]、外压缩流程。这种流程主要是依据产品压力、氧氮压机是否能满足,产品压缩机的投资等方面考虑。
用途:用于传统的冶金行业,2012~2018年,我国空分设备行业共生产大中型空分设备1400余套,其中冶金(钢铁和有色)工业,空分设备套数约为30%。用于化工行业(以甲醇二甲醚、合成氨为代表),造纸、玻璃、制药、新能源等等占到60%。
空分装置的消耗所在-外压缩的消耗:空压机,氧压机,氮压机;内压缩的消耗:空压机、增压机,氮压机(若有)。
其它小的辅助设备:水泵、蒸汽加热器、液体泵、油泵 DCS等。
以下以钢铁行业为例,简单介绍冶金型空分装置配套及特点,钢铁企业配套的空分装置产品一般要求:
(1) 氧气压力为2.0-3.0MPa(G)左右,纯度99.6% O2;其中富氧的要求较低。
(2) 氮气压力为2.0-3.0MPa(G)左右,纯度<5ppmO2;
(3) 液体比例占氧产品的~5%,~8%,~15%,~20%,~25%,~30% ;
针对用氧要求,现在国内冶金及化工行业配套的空分装置基本如下:
(1) 小型空分几乎全部国产,10000-100000Nm³/h O2的基本为国产,100000Nm³/h O2以上以进口为主。
(2) 外压缩流程的配置基本相同:
a.空压机及过滤系统:采用国产或进口机器配国产自洁式过滤器;
b.氮水预冷系统:充分利用干燥氮气的冷量,降低冷冻水温度,取消冷水机组(或带备用冷水机组) ;
c.纯化系统:采用电加热或蒸汽加热,自动切换的;采用分子筛+氧化铝双层床结构,延长分子筛的寿命;
d.制冷系统:2台国产膨胀机,1用1备;
e.换热系统:国产低压板式;
f.主精馏系统:筛板下塔或者填料下塔,规整填料上塔,板翅式多层或者降膜主冷;
g.制氩系统:规整填料氩塔,全精馏三塔制氩;
h.压氧系统:国产氧透或氧活塞;
i.压氮系统:氮透或氮活塞;
j.仪控系统:国产或进口DCS。
外压缩流程的优点:配套要求低,配套机组或阀门价格低,投资少。
(3)内压流程的配置变化相对较多:
a.空压机及过滤系统:采用国产或进口机器配国产自洁式过滤器,增压机一般为进口;
b.氮水预冷系统:充分利用干燥氮气的冷量,降低冷冻水温度,取消冷水机组(或带备用冷水机组) ;
c.纯化系统:采用电加热或蒸汽加热,自动切换的;采用分子筛+氧化铝双层床结构,延长分子筛的寿命;
d.制冷系统:2台国产膨胀机,1用1备;或者1台进口膨胀机;或者1台进口加1台国产膨胀机;
e.换热系统:高低混合国产大板式或者高低混合进口大板式或者分体式(低压板式用国产,高压板式用进口),同时配套液体泵加压;
f.主精馏系统:筛板下塔(或者为填料塔),规整填料上塔,板翅式多层或者降膜主冷;
g.制氩系统:规整填料氩塔,全精馏三塔制氩;
h.压氮系统:氮透或氮活塞;
i.仪控系统:国产或进口DCS。
内压缩流程的特点:产品提取率高,安全性好,占地面积少,配套要求高,可以带大量的液体。
设备发展及创新
以下介绍各种流程配套的单元设备发展现状及特点:
1.预冷系统
(1)空气冷却塔,作用为水气直接接触把空气冷却到指定的设计温度,同时不允许把水带入后续系统。
发展历程
a. 喷淋式:塔内有数只喷头,依靠压力把水在出喷头时进行雾化,增大空气与水的接触面积而达到换热效果。缺点:喷头阻力大造成能耗增高,雾化效果不稳定;为了达到更好的雾化效果,只能减小喷头小孔的直径,易堵塞;用水量大,传热效率低。
b. 筛板式:塔内有数十块大孔径筛板,筛板起到了增加空气和水接触面积的作用,强化了换热。缺点:塔内零部件较多,结构复杂,制造难度大;在高温段易结垢,造成换热效果下降。
c. 填料塔:塔内装有散堆填料,空气和水在表面形状复杂的填料表面接触,具有了更大的传热面积,换热效果更佳。优点:气水由逐级接触变为连续接触,温度梯度连续变化换热效果更好;各种高效填料和分布器的出现使填料塔的传热效率进一步增加。
发展现状
由于材料工业的发展,加工手段的改进、实验数据的丰实带来了各种高效填料和高效分布器的产生,为当前空气冷却塔的设计制造提供了物质基础和理论支持。
a. 下部驼峰板的设置,保证了气流分布更加均匀,改变了传统的形式,使气体的流通截面更大,减小了局部阻力,节省能耗。
b. 下部采用大直径增强型鲍尔环,既保证了填料在高温下的强度同时又降低了填料的阻力;上部采用小直径高效增强型鲍尔环,使单位体积的换热面积进一步增大,传热效率增加明显,空气冷却塔出口温差仅1度左右。
c. 高效分布器的采用,进水管进行一级分布,使水呈线状均匀分布在一级槽内,一级分布槽使水呈片状均匀分布在二级分布槽内。最终二级分布槽把水分布到填料层上。
d. 四位一体的防带水结构:高效槽式分布器,设置足够的重度分离空间,设置旋风离心分离装置,设置丝网除雾器。
e. 窥视镜及连通管的设置能够清晰的看到上部凝结水量,以此判断除水效果的好坏。另连通管使上部凝结水及时回到空气冷却塔的底部。
(2)水冷却塔,作用为利用出塔污氮气和氮气的含水不饱和性与水进行充分接触,使两者进行充分的传质传热,降低水温,减小能耗。发展历史及现状与空气冷却塔相同。
2.纯化系统
(1)分子筛吸附器,作用为除去原料空气中的水、二氧化碳、部分碳氢化合物,以保证后续分馏塔系统的不冻结。
发展历程
早期空分装置把水、二氧化碳及碳氢化合物的清除置于低温环境下,与换热同步进行。经历了蓄冷器和切换板式流程阶段。上述两个阶段缺点都比较突出。尤其体现在操作、运行周期、提取率及能耗上。
发展现状
利用分子筛吸附剂清除上述杂质。根据装置大小吸附器采用立式或卧式结构。根据工作环境决定采用单层或双层。根据实践经验,大型装置多采用卧式双层床结构。随着装置规模的日趋增大,径向流吸附器的设计制造的技术攻关已基本完成。
主要技术攻关
a. 气流均匀分布问题的有效解决;
b. 在交变温度下大截面床层的热胀冷缩变形问题的有效解决;
c. 壁流效应的消除;
d. 床层表面平整度的保证;
e. 分子筛吸附器落粉的处理。
3.精馏系统
(1)下塔,作用为对空气进行一次精馏、获得高纯度的氮和液空。
发展历程
环流(溢流斗的发展有直斗、斜斗和交叉斗),对流(有单溢流双溢流和四溢流),以及填料塔。
发展现状
环流或对流结构对中小型空分均有采用。大型空分采用对流,四溢流(双溢流溢流强度太大),同时出口溢流堰有平直堰、曲堰、三角堰和齿形堰几种;60000等级以上特大型空分一般采用填料塔,不推荐筛板塔。
技术难点
a.传质效率;b.塔板平整度;c.溢流斗的刚性。对于筛板塔来说,液层高,流程长,液体纯度高,但是阻力大,气体穿过少。
同时如何提高填料塔在5barG左右的精馏效率,以及塔高所带来的布置及投资问题,也成为近些年来行业探讨的热点问题。
(2)上塔,作用为对空气进行二次精馏、获得高纯度的氮和氧。另外还有粗氩塔及精氩塔等设备。
发展历程
环流(溢流斗的发展:直斗、斜斗、交叉斗),对流(单溢流、多溢流)及填料塔。
技术难点
a. 传质效率;
b. 高效填料;
c. 高效分布器。
同时填料塔直径增大将会带来分布不均问题,也是近年来关注的主要热点。
(3)主冷,作用为冷凝氮气蒸发氧气,发展历程:由管式到板式(单层,多层),降膜主冷(板式)。
钢铁工业配套的空分装置现状
1.氧气在钢铁工业中的应用
截至目前,钢铁工业的炼铁与炼钢过程是氧气的较为稳定的用户(如今煤化工领域为用氧第一大户)。
氧气顶吹转炉炼钢:1952年,奥地利人发明了氧气顶吹转炉炼钢,其特点是冶炼周期短(是平炉的1/16)、产量大且能耗低,从而促进了钢铁工业的迅猛发展。顶吹转炉炼钢每一吨钢的耗氧量为50~60Nm³。
高炉富氧鼓风炼铁:高炉富氧鼓风(并辅之以煤粉喷吹)炼铁,可提高炉温、降低焦比及增加产量。高炉鼓风中氧含量每增加1%,铁产量可提高4~6%,焦比降低5~6%。在富氧3~4%时每一吨铁的耗氧量为45Nm³。
电炉炼钢:电炉吹氧炼钢能缩短融化时间、减少热损失及降低单位耗电量。每一吨钢吹氧1m³可节电5kWh,电炉炼钢每一吨钢的耗氧量为55~65Nm³。
熔融还原法(COREX)炼铁:这是一种炼铁新工艺,取代烧结、焦化和高炉3段生产工艺,可降低生产成本、减少污染,但每一吨铁的耗氧量高达530~550Nm³,是氧气顶吹转炉炼钢的10倍。
钢材加工:钢材加工时,连铸火焰切割、清理等,每一吨钢的耗氧量为10~12Nm³。
2.氮气在钢铁工业中的应用
氮气在冶金工厂中主要用作密封气、输送气、保护气、搅拌气、吹扫气和仪表气等。目前冶金工厂消耗的氧、氮比例为1:1。氮气用量一般较小,设计上需要注意。
3.氩气在钢铁工业中的应用
用于不锈钢冶炼、钢水包吹氩、连铸钢包和中间灌水口密封及保护气等。目前冶金工厂氩气消耗量尚不大,通常所配空分设备按全量提取氩产品,多余部分外销。
国内钢铁工业配套的空分装置特点
国内空分装置经过60多年的发展,从50Nm³/h开始,由小型空分发展到大型空分,其工艺流程经过了中压流程到全低压流程,经过了石头蓄冷器流程、全低压切换板式流程、常温分子筛吸附增压膨胀机流程、规整填料上塔和全精馏制氩流程、产品氧内压缩流程,空分装置的技术随着钢铁工业、化工行业的发展而同步发展,不同的行业、不同的历史阶段对空分装置的选型要求亦不尽相同,具体到当代的钢铁企业,其用氧主要特点是:
(1) 虽然时起时伏地变化,但可根据转炉的规格和冶炼水平,计算出总的耗氧折合到每个小时的耗氧,低谷和高峰用球灌或液体汽化来平衡,外围综合管网气体压力高于最终用气点压力,通过调压站送往用户,作为高炉富氧喷煤用氧,基本是平均用量,由此统计出整个企业的用气量,最为空分装置选择的依据。
(2) 钢铁企业的用氧,主要是气态。目前空分装置从气氧产品的形成过程来看,主要分为内压缩和外压缩。新建钢铁企业由于没有液体和气体的销售渠道和销售经验,空分装置产品的液体量很少,此时一般外压缩流程的较多。而对于中国的南方、东南、东部、东北、中部由于工业基础相对较好,气体用量较大,特别是那些已有空分装置的钢铁企业,一般已感觉到气体、液体销售的利益,所以新上空分装置都考虑带大量的液体,这种情况下就会有多种流程的选择。
(3) 钢铁企业一般每年一次大修,而空分装置一般大修周期在两年以上,大修期间气体会有放空现象,虽然可以通过调节富氧喷煤用氧量来减少放空量,但对空分装置的要求,仍具有一定的变负荷能力。
(4) 钢铁企业的生产具有连续性的特点,平时不允许停产,所以空分装置要求长期可靠、稳定、安全。
(5) 随着钢铁企业的产品档次和技术装备的提高,对气体质量的要求越来越高,原来纯度低一点也可以接受,现在当氧气纯度低于99.2%就不能送氧,而高炉做保护用的氮气,纯度则要求在99.99%以上。至于氩气,对钢材质量有着举足轻重的作用,特别是高碳钢。所以空分产品气的质量相当重要。
国外钢铁行业配套空分装置的特点
*钢铁企业与供气单位一般各自独立,分属不同的公司,所以供气单位专业性更强;
*国外一般以大的覆盖几公里到上百公里的管网供气为主,很少专门为某个钢铁企业专门建立的空分装置;
*国外空分供气站一般都富产大量的液体;
*由于国外的氧透价格较高,高低压板式价格差不大,加上内压缩流程的优点,所以国外配套的空分装置基本上都是内压缩流程。
气体工业是伴随着国民经济的增长而发展的,其增长率是GDP增长率的1.25-1.5倍,我国实行的是可持续发展战略,在今后相当长的一个历史时期,将维持GDP6-7%的年增长率,这就保证了气体工业9-12%的年增长率。虽然国民经济的发展会有起伏,但那是波浪式前进和螺旋式上升,不会出现类似钢铁工业的饱和点,只要国民工业在增长,气体工业就会不断发展。
总之,在相当长的历史时期,空分行业依然会有大的发展,身处发展机遇期,做好技术储备和管理,制定切实可行的发展规划,是中国空分行业的当务之急。
空分行业前景展望
随着国家经济的不断高速发展,经济规模的壮大以及国家产业结构的调整,空分设备的应用领域也在不断增加,市场的主要对象也在不断的增加和变化。特别是在以下几个领域,对氧气、氮气产品的需求处于快速增加阶段:
冶金行业:熔融还原炼铁、熔融还原冶炼有色金属、这种新工艺是环保型工艺,属国家支持对象,对氧气、氮气产品的需求是传统工艺的10倍左右,所以随着熔融还原工艺的成熟、推广,大型空分装置的需求是不可想象的。
整体煤气化联合循环发电(IGCC):这种新工艺被称为绿色发电,是环保型工艺,属国家重点支持对象,华电集团在浙江半山发电项目都采用IGCC绿色发电技术,一台25万千瓦的中型发电机组就需要46000m³/h 的空分装置。
煤化工领域:随着世界石油的供应紧张,中国的煤制甲醇、煤制二甲醚、煤制油、煤制烯烃技术处于高速发展,对氧气、氮气产品的需求是巨大的。一套60万吨/年甲醇装置就要配套80000m³/h 的氧气,一套100万吨/年煤制油装置就要100000m³/h 的氧气,一套80万吨/年煤制二甲醚装置就要配套86000m³/h 的氧气,一套30万吨/年合成氨+甲醇装置就要配套80000m³/h 的氧气。
中国的空分市场呈现出巨大的潜力,给了空分设备和工业气体足够的发展空间,相较于2012年以前,如今的中国空分产业已经可以和世界空分巨头媲美,在制造及设计上虽然仍有差距,但中国的空分产业已经占有了明显的竞争优势。