干貨！空分流程形式和應(yīng)用知識小課堂

空分裝置流程形式和分類

空分裝置的流程按壓力：高壓流程、中壓流程、低壓流程；其中流程高、中、低壓的流程相同，只是受制于膨脹制冷的效率、氧氮壓機的成熟度兩個方面，空壓機排氣壓力高低不同而已，最初的高壓流程產(chǎn)品氣壓力高，一般情況下不需要氧氮壓機，投資小，但是能耗較高，目前由于相關(guān)單元設(shè)備的發(fā)展，高中壓流程已經(jīng)淘汰不用。

按用途：冶金型、化工型；這兩種流程目前的主流流程，應(yīng)用最廣，如今已經(jīng)大量用于工業(yè)當中。

按產(chǎn)品種類：雙高流程、單高流程、全液體流程、液化裝置等；這些流程種類較多，主要是按照生產(chǎn)液體和氣體種類來劃分并研發(fā)，滿足不同客戶的需求。

按產(chǎn)品的壓縮方式：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)、氮氣循環(huán)）]、外壓縮流程。這種流程主要是依據(jù)產(chǎn)品壓力、氧氮壓機是否能滿足，產(chǎn)品壓縮機的投資等方面考慮。

用途：用于傳統(tǒng)的冶金行業(yè)，2012~2018年，我國空分設(shè)備行業(yè)共生產(chǎn)大中型空分設(shè)備1400余套，其中冶金（鋼鐵和有色）工業(yè)，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、新能源等等占到60%。

空分裝置的消耗所在-外壓縮的消耗：空壓機，氧壓機，氮壓機；內(nèi)壓縮的消耗：空壓機、增壓機，氮壓機（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，簡單介紹冶金型空分裝置配套及特點，鋼鐵企業(yè)配套的空分裝置產(chǎn)品一般要求：

(1) 氧氣壓力為2.0-3.0MPa(G)左右，純度99.6% O2；其中富氧的要求較低。

(2) 氮氣壓力為2.0-3.0MPa(G)左右，純度<5ppmO2；

(3) 液體比例占氧產(chǎn)品的~5%，~8%，~15%，~20%，~25%，~30% ；

針對用氧要求，現(xiàn)在國內(nèi)冶金及化工行業(yè)配套的空分裝置基本如下：

(1) 小型空分幾乎全部國產(chǎn)，10000-100000Nm³/h O2的基本為國產(chǎn)，100000Nm³/h O2以上以進口為主。

(2) 外壓縮流程的配置基本相同：

a．空壓機及過濾系統(tǒng)：采用國產(chǎn)或進口機器配國產(chǎn)自潔式過濾器；

b．氮水預冷系統(tǒng)：充分利用干燥氮氣的冷量，降低冷凍水溫度，取消冷水機組(或帶備用冷水機組) ；

c．純化系統(tǒng)：采用電加熱或蒸汽加熱，自動切換的；采用分子篩＋氧化鋁雙層床結(jié)構(gòu)，延長分子篩的壽命；

d．制冷系統(tǒng)：2臺國產(chǎn)膨脹機，1用1備；

e．換熱系統(tǒng)：國產(chǎn)低壓板式；

f．主精餾系統(tǒng)：篩板下塔或者填料下塔，規(guī)整填料上塔，板翅式多層或者降膜主冷；

g．制氬系統(tǒng)：規(guī)整填料氬塔，全精餾三塔制氬；

h．壓氧系統(tǒng)：國產(chǎn)氧透或氧活塞；

i．壓氮系統(tǒng)：氮透或氮活塞；

j．儀控系統(tǒng)：國產(chǎn)或進口DCS。

外壓縮流程的優(yōu)點：配套要求低，配套機組或閥門價格低，投資少。

(3)內(nèi)壓流程的配置變化相對較多：

a．空壓機及過濾系統(tǒng)：采用國產(chǎn)或進口機器配國產(chǎn)自潔式過濾器，增壓機一般為進口；

b．氮水預冷系統(tǒng)：充分利用干燥氮氣的冷量，降低冷凍水溫度，取消冷水機組(或帶備用冷水機組) ；

c．純化系統(tǒng)：采用電加熱或蒸汽加熱，自動切換的；采用分子篩＋氧化鋁雙層床結(jié)構(gòu)，延長分子篩的壽命；

d．制冷系統(tǒng)：2臺國產(chǎn)膨脹機，1用1備；或者1臺進口膨脹機；或者1臺進口加1臺國產(chǎn)膨脹機；

e．換熱系統(tǒng)：高低混合國產(chǎn)大板式或者高低混合進口大板式或者分體式(低壓板式用國產(chǎn)，高壓板式用進口)，同時配套液體泵加壓；

f．主精餾系統(tǒng)：篩板下塔（或者為填料塔），規(guī)整填料上塔，板翅式多層或者降膜主冷；

g．制氬系統(tǒng)：規(guī)整填料氬塔，全精餾三塔制氬；

h．壓氮系統(tǒng)：氮透或氮活塞；

i．儀控系統(tǒng)：國產(chǎn)或進口DCS。

內(nèi)壓縮流程的特點：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。

設(shè)備發(fā)展及創(chuàng)新

以下介紹各種流程配套的單元設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀及特點：

1.預冷系統(tǒng)

（1）空氣冷卻塔，作用為水氣直接接觸把空氣冷卻到指定的設(shè)計溫度，同時不允許把水帶入后續(xù)系統(tǒng)。

發(fā)展歷程

a. 噴淋式：塔內(nèi)有數(shù)只噴頭，依靠壓力把水在出噴頭時進行霧化，增大空氣與水的接觸面積而達到換熱效果。缺點：噴頭阻力大造成能耗增高，霧化效果不穩(wěn)定；為了達到更好的霧化效果，只能減小噴頭小孔的直徑，易堵塞；用水量大，傳熱效率低。

b. 篩板式：塔內(nèi)有數(shù)十塊大孔徑篩板，篩板起到了增加空氣和水接觸面積的作用，強化了換熱。缺點：塔內(nèi)零部件較多，結(jié)構(gòu)復雜，制造難度大；在高溫段易結(jié)垢，造成換熱效果下降。

c. 填料塔：塔內(nèi)裝有散堆填料，空氣和水在表面形狀復雜的填料表面接觸，具有了更大的傳熱面積，換熱效果更佳。優(yōu)點：氣水由逐級接觸變?yōu)檫B續(xù)接觸，溫度梯度連續(xù)變化換熱效果更好；各種高效填料和分布器的出現(xiàn)使填料塔的傳熱效率進一步增加。

發(fā)展現(xiàn)狀

由于材料工業(yè)的發(fā)展，加工手段的改進、實驗數(shù)據(jù)的豐實帶來了各種高效填料和高效分布器的產(chǎn)生，為當前空氣冷卻塔的設(shè)計制造提供了物質(zhì)基礎(chǔ)和理論支持。

a. 下部駝峰板的設(shè)置，保證了氣流分布更加均勻，改變了傳統(tǒng)的形式，使氣體的流通截面更大，減小了局部阻力，節(jié)省能耗。

b. 下部采用大直徑增強型鮑爾環(huán)，既保證了填料在高溫下的強度同時又降低了填料的阻力；上部采用小直徑高效增強型鮑爾環(huán)，使單位體積的換熱面積進一步增大，傳熱效率增加明顯，空氣冷卻塔出口溫差僅1度左右。

c. 高效分布器的采用，進水管進行一級分布，使水呈線狀均勻分布在一級槽內(nèi)，一級分布槽使水呈片狀均勻分布在二級分布槽內(nèi)。最終二級分布槽把水分布到填料層上。

d. 四位一體的防帶水結(jié)構(gòu)：高效槽式分布器，設(shè)置足夠的重度分離空間，設(shè)置旋風離心分離裝置，設(shè)置絲網(wǎng)除霧器。

e. 窺視鏡及連通管的設(shè)置能夠清晰的看到上部凝結(jié)水量，以此判斷除水效果的好壞。另連通管使上部凝結(jié)水及時回到空氣冷卻塔的底部。

（2）水冷卻塔，作用為利用出塔污氮氣和氮氣的含水不飽和性與水進行充分接觸，使兩者進行充分的傳質(zhì)傳熱，降低水溫，減小能耗。發(fā)展歷史及現(xiàn)狀與空氣冷卻塔相同。

2.純化系統(tǒng)

（1）分子篩吸附器，作用為除去原料空氣中的水、二氧化碳、部分碳氫化合物，以保證后續(xù)分餾塔系統(tǒng)的不凍結(jié)。

發(fā)展歷程

早期空分裝置把水、二氧化碳及碳氫化合物的清除置于低溫環(huán)境下，與換熱同步進行。經(jīng)歷了蓄冷器和切換板式流程階段。上述兩個階段缺點都比較突出。尤其體現(xiàn)在操作、運行周期、提取率及能耗上。

發(fā)展現(xiàn)狀

利用分子篩吸附劑清除上述雜質(zhì)。根據(jù)裝置大小吸附器采用立式或臥式結(jié)構(gòu)。根據(jù)工作環(huán)境決定采用單層或雙層。根據(jù)實踐經(jīng)驗，大型裝置多采用臥式雙層床結(jié)構(gòu)。隨著裝置規(guī)模的日趨增大，徑向流吸附器的設(shè)計制造的技術(shù)攻關(guān)已基本完成。

主要技術(shù)攻關(guān)

a. 氣流均勻分布問題的有效解決；

b. 在交變溫度下大截面床層的熱脹冷縮變形問題的有效解決；

c. 壁流效應(yīng)的消除；

d. 床層表面平整度的保證；

e. 分子篩吸附器落粉的處理。

3.精餾系統(tǒng)

（1）下塔，作用為對空氣進行一次精餾、獲得高純度的氮和液空。

發(fā)展歷程

環(huán)流(溢流斗的發(fā)展有直斗、斜斗和交叉斗)，對流(有單溢流雙溢流和四溢流)，以及填料塔。

發(fā)展現(xiàn)狀

環(huán)流或?qū)α鹘Y(jié)構(gòu)對中小型空分均有采用。大型空分采用對流，四溢流（雙溢流溢流強度太大），同時出口溢流堰有平直堰、曲堰、三角堰和齒形堰幾種；60000等級以上特大型空分一般采用填料塔，不推薦篩板塔。

技術(shù)難點

a.傳質(zhì)效率；b.塔板平整度；c.溢流斗的剛性。對于篩板塔來說，液層高，流程長，液體純度高，但是阻力大，氣體穿過少。

同時如何提高填料塔在5barG左右的精餾效率，以及塔高所帶來的布置及投資問題，也成為近些年來行業(yè)探討的熱點問題。

（2）上塔，作用為對空氣進行二次精餾、獲得高純度的氮和氧。另外還有粗氬塔及精氬塔等設(shè)備。

發(fā)展歷程

環(huán)流(溢流斗的發(fā)展：直斗、斜斗、交叉斗)，對流(單溢流、多溢流)及填料塔。

技術(shù)難點

a. 傳質(zhì)效率；

b. 高效填料；

c. 高效分布器。

同時填料塔直徑增大將會帶來分布不均問題，也是近年來關(guān)注的主要熱點。

（3）主冷，作用為冷凝氮氣蒸發(fā)氧氣，發(fā)展歷程：由管式到板式（單層，多層），降膜主冷（板式）。

鋼鐵工業(yè)配套的空分裝置現(xiàn)狀

1.氧氣在鋼鐵工業(yè)中的應(yīng)用

截至目前，鋼鐵工業(yè)的煉鐵與煉鋼過程是氧氣的較為穩(wěn)定的用戶(如今煤化工領(lǐng)域為用氧第一大戶)。

氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼：1952年，奧地利人發(fā)明了氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼，其特點是冶煉周期短(是平爐的1/16)、產(chǎn)量大且能耗低，從而促進了鋼鐵工業(yè)的迅猛發(fā)展。頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼每一噸鋼的耗氧量為50~60Nm³。

高爐富氧鼓風煉鐵：高爐富氧鼓風(并輔之以煤粉噴吹)煉鐵，可提高爐溫、降低焦比及增加產(chǎn)量。高爐鼓風中氧含量每增加1%，鐵產(chǎn)量可提高4~6%，焦比降低5~6%。在富氧3~4%時每一噸鐵的耗氧量為45Nm³。

電爐煉鋼：電爐吹氧煉鋼能縮短融化時間、減少熱損失及降低單位耗電量。每一噸鋼吹氧1m³可節(jié)電5kWh，電爐煉鋼每一噸鋼的耗氧量為55~65Nm³。

熔融還原法(COREX)煉鐵：這是一種煉鐵新工藝，取代燒結(jié)、焦化和高爐3段生產(chǎn)工藝，可降低生產(chǎn)成本、減少污染，但每一噸鐵的耗氧量高達530~550Nm³，是氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼的10倍。

鋼材加工：鋼材加工時，連鑄火焰切割、清理等，每一噸鋼的耗氧量為10~12Nm³。

2.氮氣在鋼鐵工業(yè)中的應(yīng)用

氮氣在冶金工廠中主要用作密封氣、輸送氣、保護氣、攪拌氣、吹掃氣和儀表氣等。目前冶金工廠消耗的氧、氮比例為1:1。氮氣用量一般較小，設(shè)計上需要注意。

3.氬氣在鋼鐵工業(yè)中的應(yīng)用

用于不銹鋼冶煉、鋼水包吹氬、連鑄鋼包和中間灌水口密封及保護氣等。目前冶金工廠氬氣消耗量尚不大，通常所配空分設(shè)備按全量提取氬產(chǎn)品，多余部分外銷。

國內(nèi)鋼鐵工業(yè)配套的空分裝置特點

國內(nèi)空分裝置經(jīng)過60多年的發(fā)展，從50Nm³/h開始，由小型空分發(fā)展到大型空分，其工藝流程經(jīng)過了中壓流程到全低壓流程，經(jīng)過了石頭蓄冷器流程、全低壓切換板式流程、常溫分子篩吸附增壓膨脹機流程、規(guī)整填料上塔和全精餾制氬流程、產(chǎn)品氧內(nèi)壓縮流程，空分裝置的技術(shù)隨著鋼鐵工業(yè)、化工行業(yè)的發(fā)展而同步發(fā)展，不同的行業(yè)、不同的歷史階段對空分裝置的選型要求亦不盡相同，具體到當代的鋼鐵企業(yè)，其用氧主要特點是：

(1) 雖然時起時伏地變化，但可根據(jù)轉(zhuǎn)爐的規(guī)格和冶煉水平，計算出總的耗氧折合到每個小時的耗氧，低谷和高峰用球灌或液體汽化來平衡，外圍綜合管網(wǎng)氣體壓力高于最終用氣點壓力，通過調(diào)壓站送往用戶，作為高爐富氧噴煤用氧，基本是平均用量，由此統(tǒng)計出整個企業(yè)的用氣量，最為空分裝置選擇的依據(jù)。

(2) 鋼鐵企業(yè)的用氧，主要是氣態(tài)。目前空分裝置從氣氧產(chǎn)品的形成過程來看，主要分為內(nèi)壓縮和外壓縮。新建鋼鐵企業(yè)由于沒有液體和氣體的銷售渠道和銷售經(jīng)驗，空分裝置產(chǎn)品的液體量很少，此時一般外壓縮流程的較多。而對于中國的南方、東南、東部、東北、中部由于工業(yè)基礎(chǔ)相對較好，氣體用量較大，特別是那些已有空分裝置的鋼鐵企業(yè)，一般已感覺到氣體、液體銷售的利益，所以新上空分裝置都考慮帶大量的液體，這種情況下就會有多種流程的選擇。

(3) 鋼鐵企業(yè)一般每年一次大修，而空分裝置一般大修周期在兩年以上，大修期間氣體會有放空現(xiàn)象，雖然可以通過調(diào)節(jié)富氧噴煤用氧量來減少放空量，但對空分裝置的要求，仍具有一定的變負荷能力。

(4) 鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)具有連續(xù)性的特點，平時不允許停產(chǎn)，所以空分裝置要求長期可靠、穩(wěn)定、安全。

(5) 隨著鋼鐵企業(yè)的產(chǎn)品檔次和技術(shù)裝備的提高，對氣體質(zhì)量的要求越來越高，原來純度低一點也可以接受，現(xiàn)在當氧氣純度低于99.2%就不能送氧，而高爐做保護用的氮氣，純度則要求在99.99%以上。至于氬氣，對鋼材質(zhì)量有著舉足輕重的作用，特別是高碳鋼。所以空分產(chǎn)品氣的質(zhì)量相當重要。

國外鋼鐵行業(yè)配套空分裝置的特點

*鋼鐵企業(yè)與供氣單位一般各自獨立，分屬不同的公司，所以供氣單位專業(yè)性更強；

*國外一般以大的覆蓋幾公里到上百公里的管網(wǎng)供氣為主，很少專門為某個鋼鐵企業(yè)專門建立的空分裝置；

*國外空分供氣站一般都富產(chǎn)大量的液體；

*由于國外的氧透價格較高，高低壓板式價格差不大，加上內(nèi)壓縮流程的優(yōu)點，所以國外配套的空分裝置基本上都是內(nèi)壓縮流程。

氣體工業(yè)是伴隨著國民經(jīng)濟的增長而發(fā)展的，其增長率是GDP增長率的1.25-1.5倍，我國實行的是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，在今后相當長的一個歷史時期，將維持GDP6-7%的年增長率，這就保證了氣體工業(yè)9-12%的年增長率。雖然國民經(jīng)濟的發(fā)展會有起伏，但那是波浪式前進和螺旋式上升，不會出現(xiàn)類似鋼鐵工業(yè)的飽和點，只要國民工業(yè)在增長，氣體工業(yè)就會不斷發(fā)展。

總之，在相當長的歷史時期，空分行業(yè)依然會有大的發(fā)展，身處發(fā)展機遇期，做好技術(shù)儲備和管理，制定切實可行的發(fā)展規(guī)劃，是中國空分行業(yè)的當務(wù)之急。

空分行業(yè)前景展望

隨著國家經(jīng)濟的不斷高速發(fā)展，經(jīng)濟規(guī)模的壯大以及國家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，空分設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷增加，市場的主要對象也在不斷的增加和變化。特別是在以下幾個領(lǐng)域，對氧氣、氮氣產(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、這種新工藝是環(huán)保型工藝，屬國家支持對象，對氧氣、氮氣產(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）：這種新工藝被稱為綠色發(fā)電，是環(huán)保型工藝，屬國家重點支持對象，華電集團在浙江半山發(fā)電項目都采用IGCC綠色發(fā)電技術(shù)，一臺25萬千瓦的中型發(fā)電機組就需要46000m³/h 的空分裝置。

煤化工領(lǐng)域：隨著世界石油的供應(yīng)緊張，中國的煤制甲醇、煤制二甲醚、煤制油、煤制烯烴技術(shù)處于高速發(fā)展，對氧氣、氮氣產(chǎn)品的需求是巨大的。一套60萬噸/年甲醇裝置就要配套80000m³/h 的氧氣，一套100萬噸/年煤制油裝置就要100000m³/h 的氧氣，一套80萬噸/年煤制二甲醚裝置就要配套86000m³/h 的氧氣，一套30萬噸/年合成氨＋甲醇裝置就要配套80000m³/h 的氧氣。

中國的空分市場呈現(xiàn)出巨大的潛力，給了空分設(shè)備和工業(yè)氣體足夠的發(fā)展空間，相較于2012年以前，如今的中國空分產(chǎn)業(yè)已經(jīng)可以和世界空分巨頭媲美，在制造及設(shè)計上雖然仍有差距，但中國的空分產(chǎn)業(yè)已經(jīng)占有了明顯的競爭優(yōu)勢。