10000m^3h空分设备工艺流程的比较与选择-论文

1 0 0 0 0 m3 h空分设备工艺流程的比较与选择 郑英臣 楼一真 杭州杭氧低温液化设备有限公司 浙江省杭州市中山北路 5 9 2号弘元大厦3 1 0 0 1 4 摘要 介绍 K D O N 一 1 0 0 0 0 2 0 0 0 0型空分设备的 4种流程形式和流程特点 从 空分设备的安全 可靠性 运行能耗和投资成本等方面进行了比较与分析 关键词 空分设备 内压缩流程 外压缩流程 自增压 运行能耗 对比分析 中图分类号 T B 6 5 7 7 文献标识码 B Co mp a r i s o n a n d s e l e c t i o n o f t e c h n i c a l p r o c e s s f o r 1 0 0 0 0 m3 h a i r s e p a r a t i o n p l a n t Z h e n g Yi n g c h e n L o u Yi z h e n H a n g z h o u H a n g y a n g C r y o g e n i c L i q u e f y i n g E q u i p m e n t C o L t d H o n g y u a n B u i l d i n g 5 9 2 N o r t h Z h o n g s h a n R o a d H a n g z h o u 3 1 0 0 1 4 Z h e j i a n g P R C h i n a Abs t r a c t He r e f o ur pr o c e s s t y p e s a n d t h e p r o c e s s f e a t u r e s o f Mo d e l KDON一 1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 a i r s e p a r a t i o n p l a n t a r e b rie f e d a nd t he y a r e c o mp a r e d a n d a n a l y z e d f r o m t h e s a f e t y a n d r e l i a b i l i t y e n e r g y c o n s u mp t i o n d u rin g o p e r a t i o n a n d i n v e s t me n t c o s t o f t he a i r s e p ara t i o n p l a n t Ke y wor ds Ai r s e p a r a t i o n p l a n t I n ne r c o mp r e s s i o n p r o c e s s Ou t e r c o mp r e s s i o n pr o c e s s S e rf b o o s t Ene r gy c o n s u mp t i o n d u rin g o p e r a t i o n Co mpa ris o n a nd a n a l y s i s 前言 在工业生产 的各个领域中 氧气 氮气 氩气 等工业气体的应用不可或缺 而且不同行业 不同 工艺对氧 氮 氩等工业气体的要求也不 同 为满 足生产要求 保证生产安全稳定运行 工厂内部均 配置有专供 的空分设备 和氧 氮 氩气体管 网系 统 因此在制定空分设备的技术方案时 通常对空 分设备的工艺流程 加压输送系统 各配套机组的 操作性能 装置的能耗指标 设备投资等进行对 比 和选择 下面以国内某钢厂配套 K D O N 1 0 0 0 0 2 0 0 0 0型 空分设备为例 通过不 同的流程计算 选配各机组 参数 进行工艺流程的对 比和优选 空分设备的设 计参数见表 1 表 1 K D ON 一 1 0 0 0 0 2 0 0 0 0型 空分设 备设 计参数 产品 产量 m h 纯度 压力 MP a 氧气 1 0 o o o 9 9 6 0 2 5 液氧 2 0 o 9 9 6 O 氮气 2 o o 0 o 1 0 X1 0 O 2 O 液氮 l 0 0 l 0 l 0一 0 2 1 0I O2 液氩 最大量 3 X1 0 6 N 注 压力为表压 1 空分设备流程形式 现代空分设备以提供带压氧气产品的流程形式 来 分一 般 有 2种 流程 外 压缩 流 程 和 内压缩 流 收稿 日期 2 0 1 5 O 4 2 5 作者简介 郑英臣 男 1 9 8 3年生 工程师 现在杭州杭氧低温液化设备有限公司从事流程设计工作 l 8 程 在 目前国 内空分 设备 设计应 用 中 外 压缩 流程又有常规外压缩流程和 自增压 外压缩流程之 分 内压缩流程又有空气增压 内压缩流程和氮气循 环内压缩流程之分 该钢厂用氧压力要求在 2 5 MP a G 下 同 用氮压力要求在 2 0 MP a 所 以 1 0 0 0 0 m h空分设 备无论是采用 内压缩流程还是外 压缩流程 都可 以 实现 1 1 外压缩流程 1 1 1 常规外压缩流程 常规外压缩空分设备流程是 目前钢厂应用比较 广泛 的一种 流程 主要 由原料 空气过滤器 空压 机 空气预冷系统 分子筛纯化系统 精馏塔系统 含膨胀机 氧 氮外压缩系统和仪 电控制 系统等 配套设备组成 工艺流程如图 1 所示 图 1 常规外压缩空分设备流程简图 A F 一 空气过滤器T C 一空压 机 A c 一空 冷塔 wc 一水 冷塔 MS I 2 一分子筛 吸附器 S L 一消声器 E H一电加热器 E T 膨 胀机E l 一主换热器C 1 一下塔c 2 一 上塔K 1 一冷凝蒸发 器E 2 一过冷器c 7 O 1 一粗氩 I塔c 7 O 2 一粗氩 塔K 7 0 l 一粗 氩冷凝器A P 一循环粗氩泵c 7 o 3 一精氩塔K 7 O 3 一精氩冷凝器K 7 o 4 一精氩蒸发器N c 一氮压机0 c 一氧压机 常规外压缩流程 由于膨胀空气进上塔 使上 塔氧提取率较膨胀气体进下塔流程略低 且低压膨 胀机的制冷能力较 中压膨胀机弱 因此 外压缩流 程 的液体产量较大时 尤其带液氩产品 膨胀 空 气旁通 原料空气过度消耗 能耗偏高 所以对于 液体产量要求 不大 的用户可 推荐采用 常规外压 缩 流程 1 1 2 自增压 外压缩流程 自增压空分设备流程是依靠液氧柱势差对氧产 品加压的一种流程形式 自增压 外压缩流程是将 出冷箱的带压氧气经氧压机进一步升压到中压的流 程 主要 由原料空气过滤器 空压机 空气预冷系 统 分子筛纯化系统 精馏塔系统 含膨胀机 自增压器 氧 氮外压缩 系统和仪 电控制 系统等 组成 工艺流程如图 2所示 自 增压 外压缩流程提高了氧气产品出冷箱的 压力 压力需 求在低 于 0 1 5 M P a时可直接使 用 当钢厂氧气压力需求在 2 5 MP a时 采用氧 自增压 氧气外压缩流程 提高了氧压机人 口压力 使氧 气升压输送的能耗降低 可以减少电力消耗 1 9 图 2 自增压 外压缩空分设备流程简 图 A F 一空气过滤器T c 一空压机A c 一空冷塔 wc 一水冷塔 MS 1 2 一分子 筛吸附器 s L 一消声 器 E H一电加热器 E T 一 膨胀 机El 一 主换热器c 1 一下塔c 2 一上塔K 1 一冷凝蒸发 器 E 2 一过冷 器 c 7 O 1 一粗氩 I塔 c 7 o 2 一粗氩 塔 K 7 0 1 一 粗氩 冷凝器AP 一循环粗氩泵c 7 0 3 一精氩塔K 7 O 3 一精氩冷凝 器 K 7 o 4 一精氩蒸发器 N c 一氮压机O c 一氧压 机 K 2 一 自 增压 器 1 2内压缩流程 根据氧气 氮气产品的比例不 同 内压缩流程 可分为空气增压 内压缩流程和氮气循环内压缩流程 2种 另外还可以采用氧气 内压缩 氮气外 压缩 的 混合流程 该钢厂氧气 氮气产品需求 比例为 1 2 从综 合性能考虑可采用氧气内压缩 氮气外压缩流程和 氮气循环内压缩流程 1 2 1 氧气内压缩 氮气外压缩流程 配套设备主要有原料空气过滤器 空压机 空 气预冷 系统 分子筛纯 化系统 精馏 塔系统 含 膨胀机 空气增压 机 内压缩液氧泵 氮外压缩 系统和仪电控制系统等 工艺流程如图 3所示 氧气内压缩 氮气外压缩流程采用液体泵对氧 产品进行升压输送 大大提高了压氧过程的安全 性 对于用氧压力过高 用量过大的用户 且活塞 式氧压机和离心式氧压机 的选型均无法满足时可推 2 0 荐采用 1 2 2氮气循环 内压 缩流 程 配套设备主要有原料空气过滤器 空压机 空 气预冷系统 分子筛纯化 系统 精馏塔 系统 含 膨胀机 循环氮压机 输送氮压机 内压缩液氧 泵 内压缩液氮泵和仪电控制系统等 工艺流程如 图 4所示 2 流程特点与比较分析 从空分设备提供带压氧气的流程形式分析 内 压缩流程与外压缩流程各有特点 结合 国内外空分 行业的实际情况 下面主要从安全可靠性 运行能 耗和投资成本等几方面进行 比较 2 1 安全性与可靠性 液氧加压输送 比气氧加压输送理论上安全性高 一 图 3 氧气内压缩 氮气外压缩空分设备流程简图 A F 一空气过滤器T c 1 一空压机T c 2 一空气增压机A c 一空冷塔WC 一水冷塔M S 1 2 一分子筛吸附器s L 一消声器E H 一电加 热器E T 一膨胀机E l 一 主换热器 c 1 一下塔 c 2 一上塔 K l 一 冷凝蒸发 器E 2 一过冷 器c 7 0 1 一 粗氩 I塔 c 7 0 2 一粗 氩 塔 K 7 O 1 一粗氩冷凝器A P 一循环粗氩泵c 7 0 3 一精 氩塔K 7 0 3 一 精氩冷凝器K 7 0 4 一精氩蒸发器N c 一氮压机O P 液氧泵 氮气 压力氮 I 氧气 El GS 3 GS 2 C2 K1 C1 C7 0 1 K7 O l C7 0 2 I 液氧 I 一 一 o 3 C7 0 3 K7 o 4 图4 氮气循环内压缩空分设备流程简图 A F 一空气过滤器T c 1 一空压机T c 2 一输送氮压机T c 2 一循环氮压机A c 一空冷塔w c 一水冷塔M S 1 2 一分子筛吸附器 s L 一消声器E H一 电加热器E T 一膨胀机E 1 一 主换热 器c1 一下塔c 2 一上塔Kl 一冷凝蒸发器E 2 一 过冷器C 7 O 1 一粗氩 I 塔 c 7 o 2 I I 塔K 7 0 1 一粗氩冷凝器A P 一循环粗氩泵 c 7 0 3 一精氩塔K 7 0 3 一精氩冷凝器K T 0 4 B 0 P 液氧泵 0 P 一液氮泵G S 2 3 一 气液分离器 21 相对而言 外压缩空分设备的安全隐患主要在 于冷凝蒸发器 内液氧 中碳 氢化合物 的积 聚和氧压 机 前者可以通过在线监控和定时进行液氧安全排 放来控制 至于后者 国产氧压机 的技术 早 已过 关 可以保证安全 又经过多年的技术发展 外压 缩流程空分设备的安全性完全可以保证 空分设备的运行可靠性与设备质量 操作水平 等因素密切相关 外压缩流程的应用最为广泛 技 术成熟 用户的操作也都很熟练 而且空分设备与 压氧系统相对独立 氧压机的停车对空分设备的运 行不会产生影响 可靠性很高 内压缩流程相对来 说要复杂一些 自动化控制 的要求更高 为保证整 套空分设备正常运行 配套机组多采用进 口产品 2 2运行能耗 采用 上述 4种 流程 形式 分 别对 K D O N 一 1 0 0 0 0 2 0 0 0 0型空分设备进行流程计算 通过选配 各机组参数 各流程电力消耗见表 2 3 4 5 表2 常规外压缩空分设备流程电力消耗 项 目 电机功率 k w 轴功率 k w 数量 备注 空气过滤器 1 空压机 4 8 0 0 一4 3 6 0 l 常温水泵电机 3 0 2 一2 2 2 1用 1 备 空气预冷系统 低温水泵电机 1 8 5 2 l 5 2 1 用 1 备 冷水机组 9 0 8 0 1 分子筛纯化系统 电加热器 6 0 0 2 设计功率 2 4 0 平均使用功率 2 1用 1 备 油泵电机 2 2 2 一 2 2 开车时用 增压透平膨胀机 加热器 3 2 2 启动时用 精馏塔系统 循环粗氩泵 1 1 2 8 2 1用 1 备 仪控系统 一7 使 用功率 1 氧压机 2 2 o o 一1 9 5 0 l 氮压机 3 2 0 o 一 2 7 5 5 l 1用 1 备 总计 轴功率 9 4 3 9 表 3 自增压 外压缩 空分设备流程 电力消耗 项 目 电机功率 k w 轴功g k W 数量 备注 空气过滤器 1 空压机 5 7 0 o 5 1 0 o 1 常温水泵 电机 3 O 2 2 2 2 1用 1备 空气预冷系统 低 温水泵 电机 1 5 2 1 2 2 1用 1备 冷水机组 7 5 6 0 1 分子筛纯化系统 电加热器 6 0 0 2 设计功率 2 4 0 平均使用功率 2 1 用 1 备 油泵 电机 2 2 2 2 2 开车时用 增 压透平 膨胀机 加热器 3 2 2 启动时用 精馏塔 系统 循环粗氩泵 1 1 2 8 2 1 用 1备 仪控 系统 7 使用功率 1 氧压机 1 7 o o 一1 4 2 0 1 氮压机 3 2 0 o 一2 7 5 5 1 1用 1 备 总计 轴功率 9 6 2 6 2 2 表 4 氧气 内压缩 氮气 外压 缩空分设备流程电力消耗 项目 电机功率 k w 轴 功率 k w 数量 备注 空气过滤器 l 空压机 5 0 o O 4 3 9 0 l 空气增压机 3 6 o o 3 0 8 0 1 常温水泵 电机 3 O 2 一 2 2 2 1用 1备 空气预冷系统 低温水泵 电机 1 8 5 2 1 5 2 1用 1备 冷水机组 9 0 8 0 1 分子筛纯化系统 电加热器 6 O O X2 设计功率 2 4 0 平均使用功率 2 1 用 1 备 油泵 电机 2 2 x2 一2 2 1 用 1备 增压透平膨胀机 加热器 3 2 2 启动时用 循环粗氩泵 l 1 2 8 2 1 用 1备 精馏塔系统 内压缩液氧泵 2 2 2 1 8 2 1 用 1备 氮压机 3 2 0 0 一 2 7 5 5 1 仪控系统 7 使用功率 1 总计 轴功率 1 O 6 l 0 表 5氮气循环 内压 缩空分设备流程电力消耗 项 目 电机功 K k W 轴功 k W 数量 备注 空气过滤器 1 空压机 4 6 O 0 4 O 8 O 1 循环氮压机 5 5 o o 4 8 5 0 1 输送氮压机 1 8 0 o 1 4 6 o l 常温水泵 电机 3 0 2 一2 2 2 1 用 1 备 空气预冷系统 低温水泵 电机 1 8 5 2 1 5 2 1 用 1 备 冷水机组 9 0 8 0 1 分子筛纯化系统 电加热器 5 8 0 X 2 设计功率 2 3 0 平均使 用功率 2 1 用 1 备 油泵 电机 2 2 2 一2 2 1 用 1 备 增 压透平膨胀机 加热器 3 2 2 启动 时用 循环粗氩泵 l 1 2 8 2 1 用 1 备 精馏塔系统 内压缩液 氧泵 2 2 2 1 8 2 1 用 1 备 内压缩液 氮泵 3 6 2 3 0 2 1 用 1 备 仪控系统 7 使用功率 1 总计 轴功率 一1 0 8 0 2 由此可见 在相同产品工况下 各流程能耗指 标按常规外压缩 自增压 外压缩 氧气 内压缩 氮气外压缩 氮气循环 内压缩依次升高 而且 内压 缩流程的产品能耗 比外压缩流程高 23 2 3 投资成本 内压缩流程与外压缩流程的投资成本主要体现 在内压缩流程 的液体泵加上 空气增压机 或循 环 氮压机 与外压缩 的氧压 机 氮压 机相 比 外 压 缩流程的氧压机完全 可以采用 国产 产品 性能 良 好 价格 低廉 且安全性能好 J 而 内压缩流 程 所需 的空气增压机或循环氮压机 因国内外机组效 率差异较大 从长期运行成本角度考虑一般要求采 用进 口机组 国产机 组还不能完 全满足要求 所 以 采用内压缩流程的空分设备的成本较高 另外 因为内压缩流程空分设备需要配置中高 压板翅式换热器和中高压调节阀 会涉及到投资成 本的变化 3 总结 内压缩流程和外压缩流程的成本和性能的整体 比较见表 6 通过对 K D O N 一 1 0 0 0 0 2 0 0 0 0型空分设备工艺流 程的计算与 比较分析 为同种类型的空分设备的流 程选择提供 了借鉴 在空分设备筹建之初 空分设 备生产厂家依据用户对氧 氮 氩气体产品的工艺 表 6 内压缩流 程和外压缩流程整体 比较 项 目 内压缩 流程 外压缩 流程 备注 视 氧 氮 产 通用 一般 流程选择 品压力 产量等 都 可以采用 多方面因素 主要是获得带压 装置安全性 相对更高 高 氧气 的方式不 同 一 次性投资 较高 较低 外压缩 流程设有 产 品压缩机