郭亚兵，司浩然，陈平
（杭州中泰深冷技术股份有限公司，浙江 杭州311402）
［摘 要］常规空分装置分子筛吸附系统大多采用双塔变压吸附流程，吸附塔体积较大，分子筛装填量较多且较易粉化，会导致系统阻力增大等。经分析与探讨，提出一种改进型分子筛吸附工艺（4台小型吸附塔依次按照“吸附—冷吹—高温再生—余热再生”循环运行），利用空压机一级换热器与二级换热器预热污氮气用于吸附塔的余热再生与高温再生。此举可有效减少空压机系统的热量损失及循环水用量，并减少分子筛再生电加热器的电耗、延长分子筛使用寿命等；虽然其一次性投资会有所增加，但利于分子筛吸附系统与空分装置的优质运行与节能降耗。目前，本工艺尚处于前期分析论证阶段，还需根据工艺需要进一步优化，新上空分项目（或技改项目）建议采用此种改进型分子筛吸附工艺（四塔流程）。
［关键词］空分装置；分子筛吸附工艺；两塔流程；四塔流程；对比分析；空压机级间换热器；余热利用；总体评价
［中图分类号］TQ028.1+5 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2024）03-0001-04
0 引 言
空气分离技术发展至今已有100多年的历史，将空气中的各组分予以分离生产氧气、氮气和氩气等气体产品，广泛应用于工业生产、医疗、航空航天等领域。空气分离设备设施主要包括空压机、预冷系统、纯化系统、增压机系统、精馏系统及附属系统等，原料空气先经空压机加压至0.4～0.6 MPa，再经空气预冷设备冷却、分子筛吸附塔净化后进入空分冷箱精馏塔进行精馏分离。其中，常规分子筛吸附塔设置2台，1台吸附、1台再生，切换运行，利用分子筛选择性吸附空气中的水分和CO2等易致冷箱冻堵的有害杂质气体，当分子筛吸附杂质达到饱和后，通过加热再生的方式将分子筛吸附的水和CO2等杂质气体解吸出来，分子筛冷却降温后转入下一个吸附—解吸循环。
空压机末级后未设冷却器时，排气温度较高（如无油螺杆空压机末级排气温度可达180 ℃），原料空气需经过空冷塔或预冷机组冷却至适宜的温度再进入纯化系统脱除水和CO2等杂质，经纯化系统净化后的空气才能进入冷箱精馏分离。此工艺过程中，压缩空气有一个从高温到低温的变化过程，空压机做功产生的热量（压缩空气潜热）白白浪费了，而纯化系统分子筛吸附塔再生过程中需要加热再生（以电加热为例——独立运营的空分装置只能采用电加热的方式，依托热电厂或有锅炉的企业可以采用蒸汽加热）来脱除吸附在分子筛上的水和CO2等，无疑造成了热量的损失，带来了能源的浪费。
目前，常规纯化系统分子筛吸附工艺中，大多采用2台吸附塔变压吸附的方式，通常吸附塔的体积较大，分子筛装填量较多，一旦吸附塔在充压、泄压过程中分子筛床层的压力变化较快以及再生过程中温度突变（升温/降温幅度较大），会造成分子筛粉化，导致系统阻力增大，影响分子筛吸附效果，且分子筛粉尘进入冷箱后会堵塞冷箱通道而影响板翅式换热器的换热效果。
针对上述问题，基于系统的工艺特点，经分析与探讨，笔者对分子筛结构及吸附剂装填数量等提出优化改进，提出一种空压机排气余热利用系统，此举可有效减少空压机系统的热量损失、减少循环水用量，并减少分子筛再生电加热器的电耗，达到节能减排的目的（可大幅减少空分装置的能耗）。以下对有关情况作一介绍。
1 改进型分子筛吸附系统工艺概况
常规空分装置分子筛吸附系统大多采用双塔变压吸附流程［1台吸附塔吸附、1台吸附塔再生（加温和冷吹)，轮换工作］，其工艺比较成熟，于此不再赘述。
1.1 改进型分子筛吸附系统工艺流程
改进型分子筛吸附系统最大的特点是设置4台吸附塔，4台吸附塔依次按照“吸附—冷吹—高温再生—余热再生”循环运行，系统工艺流程如图1(注：TIS-1201～1208为吸附塔进/出口温度，TI-101为来自于冷箱的污氮气温度，TIS-102为空压机出口气温度，FI-1201为加温气总流量，FI-1202为高温加温气总流量，TIS-1209/TIS-1210为高温加温气于电加热器进/出口温度；空压机一级换热器出口气温度135 ℃，空压机二级换热器出口气温度85 ℃，空压机末级循环水换热器出口气温度55 ℃；分子筛均压手动阀第一次调试完后一直处于某些固定开度)。
1.2 分子筛吸附塔工作过程概述
1.2.1 吸附塔工作循环过程
以第一分子筛吸附塔（MS1201）处于吸附阶段的工艺过程为例，4台吸附塔一个工作循环过程如下：当第一分子筛吸附塔（MS1201）吸附时，打开第一压缩空气进气蝶阀（V1）和第二压缩空气出气蝶阀（V2），吸附压缩空气中的水和CO2等；第二分子筛吸附塔（MS1202）处于冷吹状态，来自冷箱的污氮气经过第九冷吹气蝶阀（V9）和第十再生气出气蝶阀（V10）对已经高温再生的第二分子筛吸附塔（MS1202）进行冷吹，脱除分子筛中的水和CO2等，此步骤结束的条件为第四温度计（TIS1204）所测温度≤20 ℃；第三分子筛吸附塔（MS1203）处于高温再生阶段，打开第十六再生气出气蝶阀（V16）和第十八高温气蝶阀（V18），来自冷箱的污氮气经空压机二级换热器（E2）及空压机一级换热器（E1）预热后，再利用电加热器
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