国内空分系统设备发展现状

国内空分系统设备发展现状聂辅亮;张宏伟【摘要】Taking the inner compression process's air separation system prepared for a coal gas project as an example, the process of oxygen generation and the operation of rotating and static equipments were introduced briefly, of which, the development of molecular sieve absorber, plate-fin heat exchanger, distillation column and centrifugal compressor, turbo-expander and cryogenic liquid pump were illuminated indetail.Finally, both general selection and use of rotating machinery and static equipments at home in air separation system was summarized.%以某煤制气项目配套内压缩空分系统为例,简要介绍空分系统的制氧流程和设备运行状况,详细阐述了国内空分系统中板翅式换热器、分子筛吸附器、精馏塔、离心压缩机、透平膨胀机及低温液体泵等主要设备的发展历程,最后对国内空分装置动静设备常见选用概况进行了总结.【期刊名称】《化工机械》【年(卷),期】2017(044)004【总页数】8页(P367-374)【关键词】空分系统;制氧流程;动静设备;发展现状【作者】聂辅亮;张宏伟【作者单位】浙江浙能技术研究院有限公司;浙江浙能技术研究院有限公司【正文语种】中文【中图分类】TQ051.8氧气是一种无色、无味，比空气略重的气体，它广泛应用于人们的日常生活和各行业部门中。

氧气的制取主要有化学法、电解法和空气分离法3种。

低温空气分离法是指将空气冷却至120K以下的低温状态再通过精馏获取高纯度氧氮产品，由于低温空气分离法具有产量大、纯度高及能耗低等其他制氧方法所不具备的优点，因此广泛应用于煤化工、冶炼钢铁及IGCC等高耗氧量行业。

经百余年的发展，低温空气分离法经历了6次巨大的变革，制氧机的容量由最初的10m3/h发展到如今的150 000m3/h，其能耗也由最初的3.00kW·h/Nm3O2降至0.37kW·h/Nm3O2。

同时近年来煤化工行业的迅速发展也促进了空分行业向着全自动化、低压、节能、大型化的方向发展[1]。

空分系统设备主要包含动设备和静设备。

动设备主要有离心压缩机、工业汽轮机、透平膨胀增压机及低温液体泵等；静设备主要有各类管壳式换热器、板翅式换热器、分子筛、精馏塔、粗氩塔、冷却塔、管道及储气罐等。

空分设备之间环环相扣，其稳定可靠运行是全厂正常生产的前提，因而了解各设备的性能与运行特点至关重要。

以某个煤制天然气项目配套内压缩空分系统的试运行阶段情况为例，就出现过空压机振动偏大、高速齿轮箱高速轴部件磨损、透平膨胀增压机喘振、油温偏高致使跳车及工业汽轮机轴温偏高联锁停车等动设备故障和过空压机内置换热器左右两侧换热不均匀、粗氩塔氮塞、法兰和阀门泄漏、分子筛冷吹时未出现“冷吹峰值”及油冷却器油侧压力高致使换热器破坏等静设备故障进行介绍。

此外有文献报道在运行比较稳定的预冷系统中水冷却塔、空冷塔等设备也出现过比较严重的运行故障[2，3]。

图1为某煤化工项目配套内压缩空分设备的PFD图。

空气首先经过自洁式空气过滤器，吸附机械杂质后进入离心式空气压缩机进行压缩，压缩后的空气经过空冷塔进行冷却后进入分子筛吸附空气中的CO2和水分，分子筛在低温高压状态吸附，在低压高温状态下脱附再生。

脱除水分和CO2后的空气分为3股：第1股作装置空气；第2股直接经过低压换热器后进入两级精馏塔的下部作精馏所需的上升气；第3股气体去离心式增压机，在增压机二段入口处抽出一部分作仪表空气，其余空气进入第2段压缩，在增压机三段入口处再抽出一部分空气去透平膨胀机的增压端，增压后被水冷却至进入增压端前的温度，然后再进入高压换热器冷却，冷却后的空气去透平膨胀机的膨胀端，膨胀后空气的温度进一步下降，成为气液混合状态，再进气液分离器，气态部分进入两级精馏塔的下部作精馏所需的上升气，液态部分进入粗氩塔的顶部作物料参与精馏。

经增压机第2段压缩后剩余的空气进入增压机三段压缩后进高压换热器冷却，再经节流阀后，成为气液混合状态，进入两级精馏塔的下部参与精馏，这样就在下塔底部形成了富氧液空。

高压换热器中返流的低温流体是来自上塔顶部的污氮气和来自下塔顶部的氮气和从上塔底部抽出的液氧；低压换热器中返流的低温流体是来自于上塔顶部的污氮气和来自粗氩塔的粗氩。

板翅式换热器在空分系统中有非常广泛的应用，主要有高/低压换热器、过冷器、上下塔之间的主冷凝蒸发器及粗氩塔冷凝器等，板翅式换热器中往往有多股冷热流体同时换热。

板翅式换热器传热效率高，由于翅片结构特殊，流动过程中形成强烈湍流，有效降低了热阻，换热器中热端温差可达1～3℃；结构紧凑，现在板翅式换热器传热密度最高已达17 300m2/m3，一般是管壳式换热器的10倍左右；流道狭小，容易堵塞。

由于翅片在换热器中作为隔板的延伸和拓展，在一定的材料消耗下增加换热面积，获得了二次传热面，因而具有强化传热作用，根据传热学的知识，在有限体积内翅片个数越多，强化换热的效果越好，因此翅片布置间距越小，换热性能越强，所以增加板翅式换热器的传热密度是当前的主要发展趋势。

图2所示为常见板翅式换热器采用的4种不同的翅片类型，每列翅片用不同的隔板隔开，翅片类型不同，形成的流动的传热性能各异，在空分系统中往往需要根据传热要求选用传热特点[4]。

当前空分向着超大型化发展，换热器流道长度也随之变大，由于板翅式换热器结构紧凑，解决了超大型化带来的换热不充分的难题。

此外，国内外学者也提出了不同导流增效的新型翅片型式以优化传热，如螺旋翅片、钉型翅片及波纹翅片等，还提出了流体旋转导流增效技术和人工粗糙壁导流增效技术增加换热流体流动过程中的湍流强度以增强板翅式换热器的换热效果[5]。

早在20世纪60年代我国就开始了板翅式换热器的研究，1983年杭氧和开空均开发出中压板翅式换热器，1991年杭氧引进美国大型真空钎焊炉和铝制板翅式换热器的设计制造技术，于1994年开始大规模生产，1994年生产的7.6MPa高压板翅式换热器出口美国市场。

2009年杭氧研制成功的上海赛科石化年产量119万吨的乙烯冷箱，其配套设计为8MPa高压板翅式换热器，标志着我国在高压板翅式换热器方面的设计制造能力与国际最高水平进一步缩小。

据悉，四川空分集团目前已投用的板翅式换热器最大尺寸为8.0m×1.3m×1.1m，设计压力为7.7MPa。

2009年12月1日国家能源局发布了《铝制板翅式热交换器》行业标准，将设计压力由原标准的6.3MPa提高到8.0MPa，表明我国已经完全实现了8MPa以下高压板翅式换热器的国产化。

国内外板翅式换热器技术参数对比见表1。

空分系统中分子筛吸附器往往一备一用，其工作周期为8h，其中吸附4h，再生4h，在低温高压状态吸附，吸附顺序为：H2O>C2H2>CO2，在高温低压状态脱附。

图3所示为某卧式分子筛吸附器的结构简图，用于中型和中大型规模空分装置中，是目前国产空分常用的类型，2008年杭氧提出使用多孔管做气流分布器替代传统缓冲板的设想，杭氧与浙江大学合作，对卧式分子筛吸附器流场特性进行了研究，结果表明采用多孔管和多孔板结构可以降低分子筛床层气流速度分布的不均匀度，能够获得更加高效的吸附效果，使设想成为了现实[6]。

图4所示为某立式径向分子筛吸附器的结构简图，对于大型和特大型规模空分装置，立式径向流分子筛吸附器能够有效增大气体流通面积，大大降低床层阻力，比卧式水平结构节能10%～20%，同时可克服了卧式水平结构占地面积大，运输困难的缺点。

自2002年起，杭氧开始对立式径向流分子筛吸附器进行研究，已经在中小型空分装置中进行了试验，与卧式水平结构相比具有占地面积小、节能降耗的优点，但维修难度大，投资成本高，总体而言，优势并不明显，因此需要继续研发用于大型和特大型空分装置中的立式径向流分子筛吸附器， 2015年杭氧已经完成了105Nm3/h空分装置配套立式径向流分子筛吸附器的研制工作[7]。

如果试验顺利，这又将是我国空分行业一大突破。

当前，深冷空分系统常用的分子筛是13X-APG，其化学式为Na2O·Al2O3·(2.8±0.2)SiO2·(6～7)H2O，有4种不同规格[8]。

2015年杭氧还对不同规格分子筛应用于径向流吸附器中的流场进行了数值分析，分析了吸附工作中可能出现吸附饱和的临界位置[9]。

空气分离在精馏塔中进行，空分塔由上、下塔和介于二者之间的主冷凝蒸发器组成，上、下塔均具有一定的温度和压力梯度，因此在不同高度，气液含量和纯度不一，以杭氧制造的中型空分装置配套空分塔为例，其上塔为规整填料塔，填料由瑞士苏尔寿公司提供，下塔为筛板塔，塔板由杭氧开发。

利用下塔顶部和上塔底部的2～3K的温差，使得上塔底部的液氧连续气化，下塔顶部的氮气冷凝。

这样连续不断地参与精馏，使得下塔顶部气态氮纯度和上塔顶部液氧的纯度越来越高，达到产品的要求。

当前国内空分塔冷凝蒸发器主要结构类型有立式单层、双层及卧式多列等，但当空分大型化时这些结构难以解决空分冷凝蒸发器换热面积不足的问题，现今中空能源设备有限公司正在开展立式三层和四层冷凝蒸发器的研发工作，该研发工作能够解决大型空分冷凝蒸发器所需换热面积大的问题，且结构紧凑，强化了塔的稳定性[10，11]。

在筛板塔方面，杭氧开发了S型、导向型、环流型、单溢流及多溢流等不同阶段的塔板，最初S型塔板应用于小型空分装置，如今另外4种溢流塔板已应用于中大型空分装置中，达到了与Mellapkplus填料下塔相当的性能[12]。

在填料塔方面，规整填料塔具有压降小、分离效率高、产品提取率高、节能及塔径小等优点，填料塔的设计技术长久以来属于技术保密范畴，在与苏尔寿、法液空等公司进行多次合作后，在对合作项目设备长期运行数据进行总结和研究的基础上，杭氧也走上了自主研发的道路，现如今杭氧自主开发的填料塔已经应用在中大型空分装置配套空分塔上塔和氩塔中。

在已成功应用的21 000Nm3/h空分装置中，规整填料下塔的阻力只是筛板下塔的1/3，2004年北台钢铁公司50 000Nm3/h空分装置中采用全规整填料塔，其变工况能力非常灵活，且空压机背压降低10～15kPa，降低了制氧能耗。