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介绍了一般冶金型大中型空分设备常用的三种流程型式，同时从常规空分设备的考核方面对上述流程的各自特点进行详细比较和内在分析，指出了三种流程的优缺点及其所适用的产品规格。 前言 随着我国钢铁行业地蓬勃发展，作为传统用氧行业其对氧气的需求也越来越大。不管从单套规模，还是总量需求上增长都比较快。当前钢铁科技发展迅速，新技术、新工艺、新设备和新材料不断涌现。这些新技术用氧量都很大，比如高炉富氧鼓风，若富氧率为3∽4%，则年产100万吨铁就需氧量7000∽10000m3/h；又如高炉熔融还原法炼铁，年产100万吨铁就需要氧气量60000∽70000m3/h。这对于空分行业来说是一个重大机遇。 同时近年来钢铁行业对空分产品的需求越来越多样化，许多用户不仅需要氧气，而且需要高纯度的氮气和氩气，甚至其它稀有气体。由于大量钢铁新技术、新设备的应用，各种保护用氮，密封用氮、置换用氮和安全用氮越来越多，用氮量大幅上升，甚至超过用氧量。为了提高钢铁质量和合金钢的需要，炼钢吹氩和炉外精炼、真空脱气等用氩量直线上升。还有的用户要求空分设备不仅提供大量的气体产品，还要提供合理的液体产品。一些适合其产品规格的冶金型空分设备的流程既可用传统外压缩流程，也可用新型内压缩流程，针对客户需求其选择性也较大。 因此对于冶金型空分设备流程的选择，采用何种流程型式，一般要依据客户偏好、能耗以及投资等综合因素来定。本文重点分析适合冶金型空分设备的几种流程型式的针对性和各自特点，以供参考。 典型流程型式 冶金型空分设备的对氧气压力的要求为：有色金属行业所用氧气压力一般为50KPa~1.0MPa；高炉炼铁所用氧气压力为0.5~1.0MPa；转炉炼钢所用氧气压力为2.5~3.0MPa。 其产品规格特点一般是：以氧气产品为主，且氧气压力一般在3.0MPa以下；氮气产品数量、品种较少，一般最大可产氮气与氧气的比例不到1.3：1；对氩气产品的量及纯度要求较高，尤其自用时。 冶金型空分设备流程型式一般有以下几种： 1. 自增压流程 自增压空分流程是主冷凝蒸汽器内液氧通过液氧柱静压获取压力的一种流程型式，其适宜产品氧气压力0∽1.5bar（G），同时氮气产品需求量一般不超过氧气产品的量，氩气提取率可达70%左右，（增加上下塔塔板数可以增加提取率，液空进口位置提高，不抽贫液空，产品提取率会适当提高）。 1.1典型产品规格：  1.2流程型式：  2. 外压缩流程 外压缩流程是产品氧气通过活塞氧压机或者氧气透平压缩机压送的一种流程型式，其适合氧气压力一般在3.0MPa(G)以下，氮气产品最大可达到氧气产品的两倍，氩气产品提取率可达78%左右。 2.1典型产品规格：  2.2流程型式：  3. 内压缩流程 内压缩流程是产品氧气通过液氧在冷箱内加压获取压力再复热出冷箱的一种流程型式，其适合氧气压力不受限制，氮气产品最大可达到氧气产品的2.8倍，氩气产品提取率可达85%左右。 3.1典型产品规格：  3.2流程型式：  典型流程的特点及比较 冶金型空分氧气产品的提取率相差不多，氮气产品主要取决于初级精馏塔的精馏效果，而气相进料越多（气相占比例越大），则下塔的精馏效果越好。所以三种流程下塔的精馏效果外压缩流程最好，内压缩流程次之，自增压流程最差。 一般冶金型空分设备对氮气需求量小，但是下塔液氮的量会影响上塔顶部回流液，影响上塔的回流比，从而影响氩的提取率，所以自增压较外压缩氩的提取率低。同时由于外压缩膨胀空气通入上塔，导致上塔的回流比减小，致使外压缩流程氩产品提取率较内压缩氩产品低。 所以对于冶金型空分来说，膨胀空气进上塔和下塔氮气的提取率是影响氩产品提取率的主要因素,另外液体比例的大小也会大幅影响提取率，尤其对于氩产品来说，液体产品量大时，氩产品的提取率会大幅减小，液体产品比例一般不超过10%，带小型中压增压机的不超过15%（一部分去液化，将冷端温差扩大）。 三种流程型式的特点及选择如下： 1.自增压流程 a 常规自增压流程：可以适合氧气压力0∽1.5bar（G），如果氧气压力高，则空压机压力也要适当相应提高（正流空气与产品氧换热液化，液化后大部分未参加精馏去上塔，下塔的精馏效果较差）。 b 带外压自增压流程：此流程目的在于提高氧气出冷箱压力，从而提高氧透入口压力，使氧气压送能耗降低，可以节省能耗；但是带氩产品时，氩产品的量会减少，同时氮气产品的量需求大时也不能满足。 2.外压缩流程 a 常规外压缩空分设备流程：由于有高压高温氧气火患原因，所以氧气压力一般在3.0MPa(G)以下；目前活塞氧压机及氧气透平压缩机均已非常成熟，所以在安全稳定方面不存在问题。常规外压缩流程的优点是能耗低，投资低，需要中压氮气可以通过下塔抽压力氮气，加压到达所需压力。但其产液体产品较少，对于液体产品要求较大的用户不能满足。 b 大液体量外压缩空分设备流程：本流程适用于液体量要求较大时，采用增加小型空气增压机（排压14bar(G)，分两股进主换热器），或者增加小型循环氮气压缩机（类似于氮气循环），此时液体产品可达15∽20%，并且液体产品的量小于3000Nm3/h 时较为合理，否则能耗太高。 3.内压缩流程 a 低压氧内压缩流程：氧气压较低，在0.2～1.2MPa（G）时，采用低压氧内压缩流程，好处是不用投资活塞氧压机或者氧气透平压缩机（压力太低可能没法做），可产液体产品15%左右，压力再高时能耗会比较高，不经济。 b 中压氧内压缩流程：该流程即为常规内压缩流程（压力45bar 以下时，选择增压机不中抽，一压到底，这样机器效率高，增压机的能耗低；压力45bar 以上时，选择中抽，机型好选，主要和机器效率及投资有关）其氩气提取率可达85%，液体产品可达20%，中压氮气时，可以下塔抽压力氮气（低压氮气量小时优先下塔抽压力氮，抽压力氮量大时抽污液氮补充上塔回流液）然后氮压机加压获得，可以节省部分能耗，其适宜中压氧气，中压氮气的产品规格，氮气量大可以采用氮循环。其优点是安全稳定性较好，但是综合能耗及投资较高，当然此种流程在冶金行业较少应用。 内压缩空分流程其内在一般遵守三大定律： （1）内压缩（氧气、氮气）较外压缩（氧气、氮气）由于有增压复热（其中一小部分为液化作为产液（与液体产品的量相当），以扩大冷端温差）附加损失能耗，所以内压缩较外压缩能耗高，压送能耗高30%左右，综合能耗高7∽16%（下限为氧内压，氮外压；上限为氧内压，氮内压（氮内压量为氧内压量的50%））。 （2）作为膨胀和增压复热工质，在同等条件下氮气要比空气的焓降低1%，能耗要高出一定部分。 （3）下塔抽氮受限制，达到一定量时会破坏上塔完整的精馏工况，致使氮气和氩气的提取率大幅降低（一般通过抽一股污液氮去上塔，以适当增大回流比），这样会使加工空气量增多，加工原料空气能耗增加；另一方面高压液氮节流进下塔顶部，对上塔有强化精馏的效果，可使加工空气量减少，能耗减少。 内压缩与外压缩流程比较 以下分别从空分设备稳定运行、装置安全、部机配置、运行维护、占地面积、产品提取、液体产品、综合能耗等方面比较。 稳定运行方面：内压缩流程中空压机与增压机同时运行时，空分设备才能正常运行；要求氧气背压稳定，以保证主换热器热交换完善和空分工况的稳定， 但在实际生产中，尤其是一些钢铁企业氧气压力频繁大幅度波动，造成空分运行工况的不稳定，操作困难，要求高；而外压缩氧气透平压缩机则无此影响。 装置安全方面：内压缩流程的安全方面主要是防止液氧中烃类的析出（低温下固态乙炔的碳氢三键不稳定，会自动断裂，碳氢分离，释放能量，发生微爆，危险在主冷和高压板式，采取常温吸附处理，但是不能吸附的杂质仍然会以固体方式不断进入主冷，积聚堵塞，产生影响时需要停车加温处理）；而外压缩流程的安全方面则是氧压机压缩过程中的高温氧气火患，采取排放液氧的方式排放低 温固体（碳氢化合物，氧化亚氮，二氧化碳和水（会产生上万伏静电），防止积聚，固体堵塞主冷）。 当然对于碳氢化合物，另外一个重要手段是检测，空分设备当中碳氢化合物 高报及停车值：  部机配置方面：内压缩投资方面较外压缩要高很多，目前外压缩可以完全国产化，而内压缩则是主要部机还要依赖进口（国产陕鼓和陕鼓亦可，效率增压机稍低，空压机效率相差不多），投资高出不少，但是这些部机运行可靠，连续运行时间长。 运行维护方面：内压缩流程不用氧压机就可以提供很高的压力氧，外压缩流程中，氧压力越高对氧压机的要求也越高，氧压机制造困难，维护起来也困难。 占地面积方面：内压缩流程中的空气增压机，不管是单独设置，还是与主空压机连体设置，都可以减少占地面积；外压缩流程氧压机要求要有安全距离，占地面积较大。 产品提取方面：外压缩的氧气的提取率较内压缩要高，因为外压缩的初级精馏塔的分馏效率要比内压缩高，但是内压缩氩的提取率要比外压缩高（外压缩有膨胀空气进，使上塔上段回流比减小）。 液体产品方面：内压缩要比传统外压缩要高，但是带增压（增压到14bar左右，分两股进入分馏塔）的外压缩流程产液体方面与内压缩相差不多，而且投资与能耗较低。 综合能耗方面：内压缩的能耗要比外压缩的能耗要高，外压缩主要有制氧能耗和外压送能耗，将内压缩的能耗分为制氧能耗和内压送能耗，则制氧能耗相同，而压送能耗要较外压缩高30%左右，综合能耗也要高出相应部分。 内压缩流程与外压缩相比，不仅有换热不足损失，还有复热附加能耗损失，所以内压缩比外压缩能耗要高。内压缩流程所需空气流量和压力的最佳曲线图如下（换热器温差一定，以空气增压机能耗最小为准）（实际上内压缩流程空分需要对高压换热器投资（与积分温差有关）与增压机运行能耗进行权衡而选择）。 内压缩（单纯液氧）流程高压换热器一般积分温差随换热器长度图如下：  内压缩（液氧与液氮）流程高压换热器一般积分温差随换热器长度图如下：  液氧复热和热源增压空气的压力有关，在氧气压力为20bar(A)，增压空气的压力为50bar,稍高于空气的临界压力37bar(A),高压空气冷凝无液化段，所以20bar(A)氧气压力为界限： （1）处于超临界状态时的高压空气（无液化段）：  （2）非超临界状态时的高压空气（有液化段）：  3）高压液氧与高压液空流量与压力之间的关系： 压力比为：增压机压力/氧气压力； 流量比为：增压机空气总量（包括中抽膨胀，量占40%，压力根据氧气压力不同而定）/氧气量； 对于压力低于20bar(A)的液氧汽化，要求空气量大于氧气量，最佳汽化压力一般为氧气压力的1.3∽3.4倍；压力高于20bar(A)的液氧汽化，最佳汽化压力一般为氧气压力的0.6∽3.1倍（当然以上还与液体比例有关系的，液体量大时，高压空气的压力也应相应提高）。 结束语 对于冶金行业如果氧气产品的压力小于3.0MPa（G），且规模在8000Nm3/h以下的空分设备一般选择外压缩（氧气压缩机选活塞氧压机）流程，该流程具有流程简单、操作灵活、投资省，占地小的优点，而采用内压缩流流程时空气增压机由于量小而无法做。 对于冶金行业氧气产品压力一般小于3.0MPa（G），且规模在8000Nm3/h～80000Nm3/h规模的空分设备，当用户的液体产品销售市场不好时，一般选择外压缩（氧压机采用氧气透平压缩机）流程，该流程具有流程简单、操作灵活、投资省的优点；而当用户对氩产品要求较高，用户当地液体产品销售市场较好，或者对安全性要求较高，且占地面积要求高时，均应选择氧气内压缩流程。 对氧气压力较低0.2～1.2MPa（G），产量在8000Nm3/h以上的用户，从节省投资，操作简单等方面因素应选择氧气内压缩流程。 当前空分设备的流程组织型式已经多样化，无论外压缩，内压缩，还是自增压空分流程均已非常成熟，同时对于钢铁企业所需的氧氮产品规格的空分设备的所有部机均可以实现国产化，安全可靠稳定方面也积累了大量经验，因此针对用户需求合理选择流程对于一次投资与运行消耗的综合投入的最优化已经变得非常重要。 近几年我国气体分离行业步入了快速发展期，在空分设备技术创新和成套能力方面迈上了一个新台阶，但在大型空分以及单机部件上与国际一流气体制造企业的还有不小差距，为此国内空分行业仍需再接再厉，大胆创新实践，积极自主研发，为民族气体工业的崛起做出贡献。 |
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