氮氣循環(huán)與空氣循環(huán)流程的應(yīng)用與選擇

蔣 旭，厲彥忠

（1. 中空能源設(shè)備有限公司，浙江 杭州 310051； 2. 西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049）

氣體工業(yè)是伴隨著國民經(jīng)濟(jì)的增長而發(fā)展的，只要國民工業(yè)在增長，氣體工業(yè)就會不斷發(fā)展。由于目前的煤化工裝置要求氧氣的壓力通常為4.0～9.0 MPa，所以煤化工型空分均采用內(nèi)壓縮流程。但是由于采用的煤氣化技術(shù)不同（主要是氣化爐型不同），煤制油、煤制天然氣、煤制甲醇、煤制烯烴等工藝路線，對需要的氧氣和氮氣數(shù)量、壓力、規(guī)格會有所不同，從而形成空分流程的多樣化。另外煤化工的空分設(shè)備通常要求提供高壓氧氣、高壓氮氣、中壓氮氣、低壓氮氣、儀表空氣、全化工廠用空氣、液氧、液氮等多種產(chǎn)品，尤其是對氮氣產(chǎn)品的需求較高，規(guī)格有的達(dá)6種之多。而且煤化工用氣量會在大范圍內(nèi)變化，甚至當(dāng)后續(xù)工藝停機時，短時間內(nèi)用氮量也會增加幾倍【1】。

所以合理選擇流程不僅可以降低投資、節(jié)省能耗，而且可使空分設(shè)備得以可靠連續(xù)地運行，這樣對于生產(chǎn)及投資都具有很好的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性，同時這也是投資一套空分設(shè)備的最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)。

1 三種空分流程型式

為了使加壓后液氧的低溫冷量能夠轉(zhuǎn)換成為同一低溫級的冷量，使空分設(shè)備實現(xiàn)能量平衡，必須要有一股逆向流動的壓縮空氣在換熱器中與加壓后的液氧進(jìn)行換熱。在使液氧氣化和復(fù)熱的同時，這股壓縮氣體則被冷卻和液化，然后送入塔內(nèi)參與精餾。根據(jù)熱力學(xué)原理，參與換熱的這股高壓氣體的壓力必須高于被壓縮液氧的壓力或者同處于超臨界狀態(tài)，所以在內(nèi)壓縮流程中需設(shè)置一臺循環(huán)增壓機和一個高壓換熱器。根據(jù)循環(huán)增壓機壓縮的介質(zhì)不同，流程形式可分為空氣循環(huán)和氮氣循環(huán)【2】。

其中空氣循環(huán)又分為空氣循環(huán)單泵流程（液氧）和空氣循環(huán)雙泵流程（液氧和液氮），氮氣循環(huán)只有一種形式，即氮氣循環(huán)單泵流程，以下具體簡介三種空分流程型式。

1.1 空氣循環(huán)單泵流程

空氣循環(huán)單泵流程中高壓液氧與高壓空氣換熱，液化空氣進(jìn)塔后大部分為參加精餾，導(dǎo)致這部分空氣當(dāng)中的氮氣未分離，從而導(dǎo)致下塔氮氣分離量較外壓縮（全氣相進(jìn)料，外壓縮流程或者氮氣循環(huán)單泵流程，液氮回下塔，其相當(dāng)于全氣相）少20%～30%（空氣循環(huán)雙泵流程）。所以空氣循環(huán)單泵流程的下塔抽氮量較全氣相進(jìn)料的下塔要少。

1.2 空氣循環(huán)雙泵流程

空氣循環(huán)雙泵流程的液化空氣量大（有高壓氧的復(fù)熱空氣和高壓氮的復(fù)熱空氣，對精餾的影響較大，尤其下塔抽氮氣量的最大量明顯要小，不能滿足時需要增大空氣量。

1.3 氮氣循環(huán)單泵流程

氮氣循環(huán)單泵流程從下塔頂部外抽一股壓力氮氣出冷箱，經(jīng)過增壓后外抽中高壓氮氣產(chǎn)品，同時剩余部分作為增壓復(fù)熱與膨脹工質(zhì)，與中高壓液氧進(jìn)行換熱的流程。

2 三種空分流程比較

下面比較時產(chǎn)品規(guī)格僅為高壓氮氣（只有）與壓力氮氣；當(dāng)有中壓氮氣時，還需要按照氮氣透平壓縮機是否能做，氮壓機投資等因素來考慮，中壓氮氣要與高壓氮氣量合并一起考慮。

2.1 空氣循環(huán)雙泵與氮氣循環(huán)單泵流程

當(dāng)中高壓氮壓機無法做時，采用空氣循環(huán)雙泵流程或者氮氣循環(huán)單泵流程。產(chǎn)品規(guī)格為：高壓氧氣流量20 000 Nm3/h，壓力53 barA；高壓氮氣流量12 000 Nm3/h，壓力82 barA；壓力氮氣流量1 1000 Nm3/h，壓力5.5 barA。

由于氣量在 8 000 Nm3/h（30 bar時），20 000 Nm3/h(80 bar時)以下，氮氣透平壓縮機無法做，所以只能采用空氣循環(huán)雙泵流程或者氮氣循環(huán)單泵流程，其中氮氣循環(huán)單泵流程的增壓機末級與高壓氮氣產(chǎn)品規(guī)格相同，空氣循環(huán)雙泵流程的增壓機末級排壓為最佳復(fù)熱壓力。取增壓機效率、膨脹機效率相同，膨脹機機后均帶液 7%，其余高壓換熱器，低壓換熱器的溫差取相同，冷損相同，具體見表1。

表1 空氣循環(huán)雙泵與氮氣循環(huán)單泵流程比較Table 1 Comparison of air recycling dual pump process & nitrogen recycling single pump process

可以看出空氣循環(huán)雙泵流程的空氣量要比氮氣循環(huán)單泵流程量大，說明液化空氣影響抽氮因素明顯，同時由于空氣量大的原因，氬產(chǎn)品要多一些，由于氮內(nèi)壓，所以空氣循環(huán)雙泵流程的高壓主換熱器要比氮氣循環(huán)單泵流程要大，低壓換熱器面積氮氣循環(huán)單泵流程要大些。

對于能耗而言，氮氣循環(huán)單泵流程由于氮氣作為增壓復(fù)熱和膨脹制冷工質(zhì)焓降低，所以流量要大些；同時氮氣的飽和點較空氣要低，中抽換熱器溫差較大，不可逆損失大，造成能耗多，所以對于氮氣循環(huán)單泵流程而言，換熱器的熱端溫差不宜過大，一般不超過3 K最好，這樣不可逆損失小些，另外由于壓力氮氣的大量抽出，所需復(fù)熱量較上塔低壓氮氣大，進(jìn)而導(dǎo)致高壓復(fù)熱氮氣流量大。

所以影響氮氣循環(huán)單泵流程的能耗有兩大因素，一個為產(chǎn)品壓力與增壓機的最佳復(fù)熱壓力是否接近；另外一個是氮氣工質(zhì)換熱如何降低不可逆損失問題，一般大型裝置配置高溫膨脹機較為合適【3】。

2. 2 空氣循環(huán)單泵與氮氣循環(huán)單泵流程

當(dāng)中高壓氮壓機能做時，采用空氣循環(huán)單泵流程或者氮氣循環(huán)單泵流程。產(chǎn)品規(guī)格為：高壓氧氣流量40 000 Nm3/h，壓力53 barA；高壓氮氣流量24 000 Nm3/h，壓力82 barA；壓力氮氣流量22 000 Nm3/h，壓力 5.5 barA。

由于氣量在 8 000 Nm3/h（30 bar時），20 000 Nm3/h(80 bar時)以上，氮氣透平壓縮機能夠做，由于氮氣外壓縮能耗上占絕對優(yōu)勢，所以采用空氣循環(huán)單泵流程或者氮氣循環(huán)單泵流程，其中氮氣循環(huán)單泵流程的增壓機末級與高壓氮氣產(chǎn)品規(guī)格相同，空氣循環(huán)單泵流程的增壓機末級排壓為最佳復(fù)熱壓力。

取增壓機效率、膨脹機效率相同，膨脹機機后均帶液 7%，其余高壓換熱器，低壓換熱器的溫差取相同，冷損相同，具體見表2。

可以看出隨著下塔抽氮氣量的增大，當(dāng)?shù)獨馔钙綁嚎s機的效率為50%時，空氣循環(huán)單泵流程的能耗越來越接近氮氣循環(huán)單泵流程，甚至要低。但是當(dāng)?shù)獨馔钙綁嚎s機的效率大于50%時，空氣循環(huán)單泵流程的能耗要低許多，占較大優(yōu)勢。

當(dāng)能耗相差不大時，氮氣循環(huán)單泵流程由于節(jié)省投資(一臺高壓氮壓機（中抽）或者一臺高壓氮壓機，一臺中壓氮壓機，但是氮氣循環(huán)的增壓機較大，低壓 板式多)而較占優(yōu)勢，此時推薦氮氣循環(huán)單泵流程。

表2 空氣循環(huán)單泵與氮氣循環(huán)單泵流程Table 2 Comparison of air recycling single pump process & nitrogen recycling single pump process

由于高壓氧產(chǎn)品量一定，所以液化空氣的量是一定的，液化空氣影響抽氮因素不太明顯【4】。

2. 3 空氣循環(huán)雙泵與空氣循環(huán)單泵流程

當(dāng)中高壓氮壓機能做時，但是效率較低，采用空氣循環(huán)單泵流程或者空氣循環(huán)雙泵流程。

由于氣量在8 000 Nm3/h（30 bar時），20 000 Nm3/h(80 bar時)左右，氮氣透平壓縮機也能夠做，但是效率較低，由于氮氣外壓縮能耗上占絕對優(yōu)勢，所以采用空氣循環(huán)單泵流程或者氮氣循環(huán)單泵流程，其中氮氣循環(huán)單泵流程的增壓機末級與高壓氮氣產(chǎn)品規(guī)格相同，空氣循環(huán)單泵流程的增壓機末級排壓為最佳復(fù)熱壓力。取增壓機效率、膨脹機效率相同，膨脹機機后均帶液 7%，其余高壓換熱器，低壓換熱器的溫差取相同，冷損相同，具體見表3。

表3 空氣循環(huán)雙泵與空氣循環(huán)單泵流程Table 3 Comparison of air recycling dual pump process & nitrogen recycling single pump process

對投資而言，空氣循環(huán)雙泵流程氣量大一些，設(shè)備整體大一些，空氣循環(huán)雙泵流程有增壓機，4臺液體泵，高壓換熱器較大一些；空氣循環(huán)單泵流程的投資有增壓機，氮壓機（1臺或者2臺），投資較高。

能耗上空氣循環(huán)單泵流程占絕對優(yōu)勢，在氮壓機效率只有50%，同雙泵流程較為接近（要低一些），當(dāng)機組效率超出55%時，能耗要低出不少，此時能耗費用要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于節(jié)省氮壓機的費用，推薦空氣循環(huán)單泵流程；而能耗相差不多時，從節(jié)省投資的角度上，應(yīng)該選擇空氣循環(huán)雙泵流程。

4 結(jié)束語

當(dāng)前空分行業(yè)正處于黃金時期，他開始于2002年，是被鋼鐵工業(yè)的迅猛發(fā)展造就的，目前增長勢頭不減，從2007年開始鋼鐵工業(yè)的產(chǎn)能已經(jīng)趨緩，對空分設(shè)備的需求會有所下降，這個缺額已經(jīng)被三大化工，特別是煤化工中煤制油項目的新增需求所填補，因而黃金時期仍將延續(xù)【5】。

氮氣循環(huán)空分流程應(yīng)用最初是由于增壓空氣及產(chǎn)品氮氣壓力高流量小而機組不能做（活塞機臺數(shù)多），選擇氮氣循環(huán)空分流程是實現(xiàn)2～4萬等級化工型空分裝置節(jié)能節(jié)資的一種途徑，在氮氣產(chǎn)品壓力與增壓空氣壓力接近的情況下，能耗也較為接近。其可以將產(chǎn)品壓縮機與增壓復(fù)熱機組合二為一，同時也節(jié)省了機組投資。

由于空氣和氮氣在沸點、潛熱、臨界點等物理性質(zhì)有所差異，所以兩種空分流程在流程組織、產(chǎn)品提取率、增壓氣量、換熱器熱負(fù)荷、設(shè)備投資以及最終綜合能耗指標(biāo)也有所不同，內(nèi)壓縮空分流程以其巨大的包容性完成了化工生產(chǎn)當(dāng)中所需產(chǎn)品氣的問題，相信內(nèi)壓縮空分流程在日后的發(fā)展和應(yīng)用之中會更加多樣化和成熟。

［1］蔣旭.化工型空分設(shè)備內(nèi)壓縮流程選擇[J].深冷技術(shù)，2011(7):10-15.

［2］蔣旭，張淼，白寧莉.冶金型空分設(shè)備的流程選擇[J].低溫與特氣，2012(5):6-10.

［3］祐張祉 .低溫技術(shù)原理與裝置[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1985.

［4］黃建斌.工業(yè)氣體手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

［5］蔣旭，丁友勝，厲彥忠，趙小瑩.鋼廠應(yīng)用空分裝置的配套[J].通用機械，2013（11）：40-43.