典型空分流程的简述及运行能耗分析

邬从军马靖棠

伊犁新天煤化工有限责任公司新疆伊犁哈萨克自治州835000

摘要：以伊犁新天煤化工KDON-51000/26000空分装置为背景，简单介绍了空分装置的工艺流程以及装置运行中的能耗分析。

关键字：工艺流程；原理；能耗；分析

伊犁新天煤化工有限责任公司是浙江能源集团和山东能源新矿集团共同投资成立的国有合资企业。地处新疆自治区伊犁哈萨克自治州伊宁市，公司占地面积5700亩，于2010年开工建设，2017年建成投产，以年产20亿Nm3煤制天然气为主，该项目是目前国内外已建成的最大单体煤制天然气项目。其中空分装置采用杭氧公司内压缩流程，氧产量51000Nm3/h，氮气产量26000Nm3/h。其中空分装置是整个项目最重要的部分之一，它的稳定运行是后续工段连续稳定的重要保障。

1、空气分离的方法及原理

空气中的主要成分是氧和氮，它们分别以分子状态存在。分子是保持它原有性质的最小颗粒，直径的数量级在10-8cm，而分子的数目非常多，并巨不停地在作无规则运动，因此，空气中的氧、氮等分子是均匀地相互搀混在，起的，要将它们分离开是较困难的。目前主要有3种分离方法。

（1）低温法

先将空气通过压缩、膨胀降温.直至空气液化，再利用氧、氮的气化温度（沸点）不同（在气压力下，氧的沸点为90K，氮的沸点为77K）.沸点低的氮相对于氧要容易气化这个特性，在精馏塔内让温度较高的蒸气与温度较低的液体不断相互接触，液体中的氮较多地蒸发，气体中的氧较多地冷凝.使上升蒸气中的含氮量不断提高，下流液体中的含氧量不断增大，以此实现将空气分离。要将空气液化，需将空气冷却到100K以下的温度，这种制冷叫深度冷冻；而利用沸点差将液空分离的过程叫精馏过程.低温法实现空气分离是深冷与精馏的组合，是目前应用最为一泛的空气分离方法。

（2）吸附法

它是让空气通过充填有某种多孔性物质一分于筛的吸附塔，利用分子筛对不同的分子具有选择性吸附的特点，有的分子筛（如5A，I3X等）对氮具有较强的吸附性能，让氧分子通过，因而可得到纯度较高的氧气；有的分子筛（碳分子筛等）对氧具有较强的吸附性能，让氮分子通过，因而可得到纯度较高的氮气。由于吸附剂的吸附容量有限、当吸附某种分子达到饱和时，就没有继续吸附的能力，需要将被吸附的物质驱赶掉，才能恢复吸附的能力。这一过程叫“再生”。因此，为了保证连续供气，需要有两个以上的吸附塔交替使用。再生的方法可采用加热提高温度的方法（TSA），或降低压力的方法（（PSA）。

这种方法流程简单，操作方便，运行成本较低，但要获得高纯度的产品较为因难，产品氧纯度在93%左右。并且，它只适宜于容量不太大〔小于4000m3/h）的分离装置。

（3）膜分离法

它是利用一些有机聚合膜的渗透选择性，当空气通过薄膜（0.lμm）或中空纤维膜时，氧气的穿透过薄膜的速度约为氮的4—5倍，从而实现氧、氮的分离，这种方法装置简单，操作方便，启动快，投资少，但富氧浓度一般适宜在28—3S肠[1]，规模也只宜中、小型，所以只适用于富氧燃烧和庆疗保健等方面。目前在玻璃窑炉巾已得到实际应用。

4、典型空分流程

结合着伊犁新天煤化工空分工艺流程，在深度冷冻法的各种循环中，典型的流程是先使空气在过滤器中滤去尘埃等杂质进入压缩机，再经分子筛净化系统除去空气中在低温下易凝固气体，如水蒸气和二氧化碳等，已净化的空气两路：一路直接进入低压板式换热器当中由污氮气降温；出低压板式换热器后，直接进入精馏塔下塔参与精馏；另一路经增压机压缩后中抽一股空气进膨胀机膨胀降压后进入下塔，而增压机末段出来的高压空气经过高压板式换热器中主要由产品氧和氮降温后并节流后进入精馏塔下塔；两路膨胀后的空气温度均降至103K左右，进入双级精馏塔的下塔底部参与精馏。

5、空分装置能耗分析

空分装置所需的原料空气是不计成本的，因此在空分装置的整个投资中，用户除了空分设备的一次性投资外，装置的长期投资主要还是空分设备的能耗。随着空分技术的不断发展与进步，对于空分这样一个成熟工艺来说，能耗指标是衡量一个空分设备优劣的最基本的标准，因此降低空分能耗成为了空分技术再次提高的关键点。空分装置的动力消耗主要包括：电、水、蒸汽等，但电是最主要的消耗，比如水泵、油泵、电加热器、压缩机、液氧泵以及控制系统的用电设备等等。

空分节能的主要目标就是降低电耗。如我们公司采用的是内压缩流程，从而氧气经过换热器复温后直接就可以供用户使用，这样既保证了设备的安全，又降低了能耗，减少了氧气压缩机的投资成本；当然，这些都是装置在设计制造时采取的节能措施；但是对于我们运行单位来讲，可以从以下几个方面降低空分装置能耗：

5.1、降低冷却水进水温度

空压机是压缩空气动力的来源，同时也是能耗最大的设备，如果空压机性能降低，则会增加运行成本，影响空压机性能的因素有很多，比如进气条件、设备自身因素、冷却水温度等等。压缩机进气条件我们没有办法控制，但是在设备状况良好的前提下，冷却水温度是可以控制的。根据空压机效率计算公式，冷却水的温度每降低3℃，空压机的电耗就降低1%。所以降低冷却水温度是压缩机节能的重要措施[2]。

5.2、保持空压机高效运行

（1）选用先进的设备，高质量的安装水平，提高空压机等温压缩效率等等都能大大降低空压机能耗。

（2）空压机长时间运行后，在叶轮、管道、蜗壳等地方结垢，因此要定期冲洗检查，必要时进行检修并重新做叶轮的动平衡。

（3）定期检查空压机入口过滤器情况，防止过滤器效率降低，保持过滤器完好，提高空压机进口压力，从而降低了机后压力，降低能耗。

5.3、优化操作

（1）尽可能的降低上塔操作压力；根据空分精馏原理，上塔压力的变化引起主冷凝蒸发器内液氧与下塔侧氮气之间的温差变化，上塔压力高，液氧的气化温度就高，这样在下塔压力不变的情况下，主冷内氧氮之间的温差必然缩小，从而导致换热量减少，导致下塔回流液减少，必然引起下塔压力增高，使氮气的温度也升高了，从而来满足主冷换热对温差的要求。下塔压力升高了，空压机机后压力必然升高，因此空压机能耗就增加了，所以降低上塔操作压力，不仅使氧、氮更容易分离，当在适当时调整去上塔节流阀，还能提高物料提取率，降低能耗。

（2）提高膨胀机效率，操作上尽可能发挥膨胀机的最大单位制冷量，满足总冷量的要求，使空压机能耗降低。

5.4、减少各种损失[3]

（1）减少空分冷量的损失，降低板式换热器热端温差，减少各种低温、液体的无效泄漏等

（2）提高保温材料材质，减少因保温材料的不合格造成的冷量损失

（3）提高反流气体的利用率，目前空分装置设计中，降冷箱内的污氮气回收利用，但是后续工段生产处于低谷使[4]，氧氮产品都是放空的，造成一定的浪费，建议将这部分产品回收利用。

6、结论

通过对伊犁新天煤化工空分工艺流程进行简单分析，空分装置运行期间设备能耗的现状进行分析，在设备选型、运行、维护方面采取相应的措施，使空分能耗降低，增加企业效益；希望以后能通过操作来使空分运行能耗降的更低。

参考文献：

[1]汤学忠，顾福民，新编制氧工问答，冶金工业出版社，2001

[2]蔡春郎，聂井岗，郝立熊，空分设备节能降耗实践与效益分析[J]，深冷技术，2011.

[3]姜，会，明.空分工厂节能降耗探索[J].科技与企业。2013

[4]张元政，空分装置开车操作的优化讨论[J].泸天化科技.2012