国内空分技术的现状与进展
吴 丰，石雷雷，李晓锋
（陕西渭河煤化工集团有限责任公司，陕西 渭南714000）
［摘 要］随着市场对工业气体需求的日益增长，我国的空分技术获得了长足进步。简介国内空分行业的发展历程，重点阐述空分装置中的关键设备——空压机、分子筛吸附器、精馏塔、冷凝蒸发器、板翅换热器以及透平膨胀机的主要特征和参数，指出空分装置中关键动静设备存在的技术问题，并对我国空分行业的发展方向和思路进行了讨论。
［关键词］ 空分装置；发展历程；空压机；分子筛吸附器；精馏塔；冷凝蒸发器；板翅换热器；透平膨胀机
［中图分类号］ TB 657.7 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2016）05-0052-05
近两年，受国际原油价格下跌的影响，新型煤化工产业（如煤制油、煤制天然气、煤制乙二醇、煤制二甲醚等）遭受重创。但我国的化石能源结构（以煤为主）决定了现代煤化工发展的必然性，而新型煤化工产业均离不开煤气化，而煤气化又必然需要空分，空分装置提供的工业气体（O2、N2、Ar）可以说是煤化工产业的血液，其中，低温空气分离法是当前高纯度工业气体获取的最主要方式。据统计，2015年全国合成氨产量达到57 910 kt，采用煤为原料的装置吨氨消耗氧量为500～900 m3，300 kt/a合成氨装置即需配套30 000 m3/h以上的空分装置［1］。当前，国内煤制油项目正稳步推进，2017年规划产能达10 000 kt，当1个煤制油项目耗煤量在2 000 t/d时，相应空分装置的规模就需达到48 000 m3/h。就国家政策方面而言，发改委于2011年已发文禁止小型煤化工项目上马，因而配套空分装置不断向大型化迈进是必然趋势，则我国空分行业也必然获得有效推动和蓬勃发展。
1 我国空分行业的发展历程
上世纪50年代初期，国产第一台制氧机单机容量仅为20 m3/h，氧气纯度为99.2%，迈出了空分设备制造领域的第一步。尽管国内起步较晚，但通过几十年来的技术引进、独立研究以及共同开发，经过了六代设备发展历程（见表1）［2］，我国空分技术正逐渐与国际先进水平接轨。其中，80年代后期，国内开始具备自主研发的能力，分子筛纯化、增压透平膨胀机流程、集散控制系统等逐步得到发展和应用。90年代中期，如今已经得到广泛运用的规整填料塔的研发及投用成为空分技术上的又一次重大进步，其与筛板塔相比，空分上塔具有更低的操作压力和更高的提纯效率，从而有利于减少综合能耗和增加液体产品的提取率。而进入本世纪，采用液氧泵的内压缩流程逐步取代气氧压缩机，高压氧产量获得有效提高，且更加便利、可靠及安全［3］。
表1 六代空分设备的发展历程
|
项 目 |
空分装置流程特点 |
开发时间 |
|
第一代 |
铝带蓄冷器高低压流程 |
20世纪50年代 |
|
第二代 |
石头蓄冷器全低压流程 |
20世纪60年代 |
|
第三代 |
切换板翅式换热器全低压流程 |
20世纪70年代 |
|
第四代 |
常温分子筛净化全低压流程 |
20世纪80年代 |
|
第五代 |
增压型常温分子筛净化、增压透平膨胀机流程 |
20世纪80年代末 |
同时，随着市场需求增长和技术革新，国产空分装置的规模也在不断扩大。2000年，杭州杭氧股份有限公司（以下简称“杭氧”）获得20 000 m3/h的空分设备订单；2003年，杭氧30 000 m3/h空分设备顺利运行，成为国产首套大型空分设备。2004年，开封空分设备集团有限公司（以下简称“开空”） 40 000 m3/h内压缩流程空分设备投产；2007年，开空50 000 m3/h空分设备投产。2008年，杭氧60 000 m3/h外压缩流程空分设备投产，而60 000 m3/h内压缩流程空分设备也于次年成功开车，随后通过了中国机械工业联合会的鉴定，标志着我国成为世界上第5个拥有60 000 m3/h 大型空分设备制造能力的国家。2011—2012年，杭氧又先后取得80 000 m3/h和120 000 m3/h的空分设备订单，空分设备制造逐渐由大型化向超大型化迈进。其中120 000 m3/h等级设备出口至伊朗卡维公司［4］，是迄今国内生产的规模最大的空分装置。
截至目前，现代空分装置工艺流程具有以下基本特点：分子筛吸附净化，规整填料塔，液氧内压缩工艺，全精馏无氢制氩，集散控制系统调控。国产空分设备的氧气、氮气产品纯度以及氧气、氩气提取率等项工艺指标均达到国际同行的水平，但在能耗方面仍存在差距，以杭氧60 000 m3/h空分装置为例，其制造1 m3 O2的电耗为038 kW·h，而国际先进技术能耗水平为028～030 kW·h［5］。国产设备的优势在于成本相对较低，且拥有自主知识产权，有效地突破了国外的技术垄断与封锁，具有一定的市场竞争力。
2 空分技术进展
2.1 工艺流程
据分析，不同工艺流程对空分装置能耗的影响可达5%。现代煤化工行业对气体产品种类上的要求越来越多，1套装置需生产输送流量不同、压力等级各异的气体，以满足工艺运行、仪表调节、装置密封等方面的需求，即使是相同规模的装置，不同购买商根据自身需求及投资情况仍然存在细节上的差异与特性，因此有针对性的设计促进了当前空分流程形式的多样化，也是空分技术今后发展的必然趋势。
流程的设计需借助于计算机软件，一方面可以确定流程的最佳形式，另一方面还可以对其中的参数进行进一步优化。广泛应用的经典软件有：Aspen流程模拟系统，用于过程的热力学衡算；Hysys流程模拟平台，用于流程和单元操作的集成式模拟，以及工艺参数的优化等。其中，杭氧还以精馏软件为基础自主开发了适用性更强的专用计算模块，实现了对主塔和氩塔精馏过程的耦合计算。
在煤化工领域，氧气产品压力可分为中压（4.5～5.2 MPa）和高压（6.4～9.8 MPa）两个等级，以匹配不同的煤气化工艺。为此，杭氧先后开发出3种中压和5种高压内压缩流程。而空分设备根据制冷量的产生方式，可分为空气膨胀和氮气膨胀两类：空气膨胀相对节省能耗，但由于空气压缩机出口有部分气体要参与膨胀制冷，因此产品提取率较低；而氮气膨胀能耗较高，但作为膨胀工质更加纯净，可有效减少膨胀机的磨损。此外，通过对能耗的模拟计算，膨胀方式的选择还与氧氮产量的比例存在一定的关系［6］。
2.2 空分装置中的关键动静设备
更多内容详见《中氮肥》2016年第5期