氮氣循環(huán)與空氣循環(huán)流程的應用與選擇

蔣 旭，江楚標

(中空能源設備有限公司，浙江杭州濱江區(qū)濱盛路1509號1204 310051)

氣體工業(yè)是伴隨著國民經濟的增長而發(fā)展的，其增長率是GDP增長率的1.25～1.5倍，我國實行的是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，在今后相當長的一個歷史時期，將維持GDP 7% ～8%的年增長率，這就保證了氣體工業(yè)10%～12%的年增長率。雖然國民經濟的發(fā)展會有起伏，但那是波浪式前進或螺旋式上升，不會出現(xiàn)類似鋼鐵工業(yè)的飽和點，只要國民經濟在增長，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壓縮流程。但是由于采用的煤氣化技術不同(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、液氮等多種產品，尤其是對氮氣產品的需求較高，規(guī)格有的達6種之多。而且煤化工用氣量會在大范圍內變化，甚至當后續(xù)工藝停機時，短時間內用氮量也會增加幾倍。

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

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換成為同一低溫級的冷量，使空分設備實現(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行換熱。在使液氧氣化和復熱的同時，這股壓縮氣體則被冷卻和液化，然后送入塔內參與精餾。根據(jù)熱力學原理，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)，所以在內壓縮流程中需設置一臺循環(huán)增壓機和一個高壓換熱器。根據(jù)循環(huán)增壓機壓縮的介質不同，流程形式可分為空氣循環(huán)和氮氣循環(huán)。

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［1］，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

當氣量在8000 Nm3/h(3.0 MPa時)～20 000 Nm3/h(8.0 MPa時)以上時，氮氣透平壓縮機能夠滿足，流量小壓力高時整機效率較低，流量大時整機效率較高，此時應當采用氮氣外壓縮流程，因為能耗上氮氣外壓縮要較采用內壓縮占較大優(yōu)勢。

空氣循環(huán)單泵流程中高壓液氧與高壓空氣換熱，液化空氣進塔后大部分為參加精餾，導致這部分空氣當中的氮氣未分離，從而導致下塔氮氣分離量較外壓縮(全氣相進料，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料的下塔要少。

1.2 空氣循環(huán)雙泵流程

一般氣量在8000 Nm3/h(3.0 MPa時)～20 000 Nm3/h(8.0 MPa時)以下時，采用氮透無法做，而采用活塞氮壓機則是一方面需要有備機，投資較高，同時備件費用較貴;另一方面維護量較大，長期連續(xù)運行可靠性差，許多用戶均不愿選擇此種機型。同時下塔抽氮氣總量未超過氧氣量的1.5倍時，此時采用空氣循環(huán)雙泵流程的能耗較低，推薦采用空氣循環(huán)雙泵流程。

空氣循環(huán)雙泵流程的液化空氣量大(有高壓氧的復熱空氣和高壓氮的復熱空氣，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)單泵流程是指從下塔頂部外抽一股壓力氮氣出冷箱，經過增壓后外抽中高壓氮氣產品，同時剩余部分作為增壓復熱與膨脹工質，與中高壓液氧進行換熱的流程。

氮氣循環(huán)單泵流程較空氣循環(huán)單泵流程的下塔抽氮量要多20%，氮氣循環(huán)單泵流程本質上與外壓縮流程的下塔相同(也為全氣相進料，高壓板式中高壓氮氣與高壓液氧換熱，液化后返回下塔頂部)，這對于下塔抽氮氣量大超出最大抽氮限制時要節(jié)省不少能耗，但是氮氣循環(huán)單泵流程由于換熱器有循環(huán)量(增壓和膨脹)，二次復熱不足損失，循環(huán)量(壓力氮氣)外抽換熱附加能耗(換熱品質差距大)，氮氣作為增加復熱和膨脹制冷工質要比空氣差而多增能耗，氮氣膨脹后由于飽和點較空氣低(低4K，膨脹空氣中抽溫度低，這對于換熱是有利的)而產生的換熱器不可逆損失大(膨脹機機后帶液體限制)，膨脹空氣中抽溫度低而增強換熱所節(jié)省的能耗，同時中高壓產品規(guī)格與流程最佳增壓復熱壓力、膨脹制冷壓力的差距大而附加的能耗等各種因素導致氮氣循環(huán)單泵流程自身優(yōu)越性不能體現(xiàn)，有可能導致氮氣循環(huán)單泵流程能耗反而要高。

2 三種空分流程比較

下面比較時產品規(guī)格僅為高壓氮氣與壓力氮氣;當有中壓氮氣時，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。產品規(guī)格為:高壓氧氣流量20 000 Nm3/h，壓力5.3 MPa;高壓氮氣流量12 000 Nm3/h，壓力8.2 MPa;壓力氮氣流量 11 000 Nm3/h，壓力 0.55 MPa。

由于氣量在8000 Nm3/h(3.0 MPa時)～20 000 Nm3/h(8.0 MPa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 Compare with 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，氬產品要多一些，由于氮內壓，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。

當隨著內壓縮高壓液氮量的增大，液化空氣影響因素增大，所需空氣量增大，能耗增大。但是氮氣循環(huán)所節(jié)省的能耗有限，因為其只能增大20%左右的下塔氮氣量，抽氮氣量大時，需要增大空氣量，當高壓液氮量超出氧氣量的60% 時，且下塔抽氮氣量超過氧氣量的1.3倍時，兩種流程能耗持平，隨著高壓液氮量的增大，以及下塔氮氣抽量的增大，空氣循環(huán)雙泵流程的優(yōu)勢越來越明顯，最大節(jié)省能耗1%左右。

當高壓液氮量一定時，隨著下塔抽氮氣量的增大，抽氮受限制影響有限，氮氣循環(huán)單泵流程的優(yōu)勢不太明顯，僅僅略微低些。

對于能耗而言，氮氣循環(huán)單泵流程由于氮氣作為增壓復熱和膨脹制冷工質焓降低，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3K最好，這樣不可逆損失小些，另外由于壓力氮氣的大量抽出，所需復熱量較上塔低壓氮氣大，進而導致高壓復熱氮氣流量大。

所以影響氮氣循環(huán)單泵流程的能耗有兩大因素，一個為產品壓力與增壓機的最佳復熱壓力是否接近;另外一個是氮氣工質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。

2.2 空氣循環(huán)單泵與氮氣循環(huán)單泵流程

當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。產品規(guī)格為:高壓氧氣流量40 000 Nm3/h，壓力5.3 MPa;高壓氮氣流量24 000 Nm3/h，壓力8.2 MPa;壓力氮氣流量 22 000 Nm3/h，壓力 0.55 MPa。

由于氣量在8000 Nm3/h(3.0 MPa時)～20 000 Nm3/h(8.0 MPa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。

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

可以看出隨著下塔抽氮氣量的增大，當?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?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。

由于高壓氧產品量一定，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。

空氣循環(huán)單泵流程的空氣量要比氮氣循環(huán)單泵流程量略微大些，同時由于空氣量大的原因，空壓機能耗高，氬產品要多，由于本質都是氮氣外壓縮，所以空氣循環(huán)單泵流程的高壓主換熱器與氮氣循環(huán)單泵流程較為接近，低壓換熱器面積氮氣循環(huán)單泵流程要比空氣循環(huán)單泵流程多50%。

對于能耗而言，氮氣循環(huán)單泵流程由于氮氣作為增壓復熱和膨脹制冷工質焓降低的原因，其流量要大些;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3K最好，這樣不可逆損失小些，另外由于壓力氮氣的大量抽出，所需復熱量較上塔低壓氮氣大，進而導致高壓復熱氮氣流量大。

而空氣循環(huán)單泵流程由于增壓空氣量一定，液化空氣量也一定，影響有限。冷損小膨脹制冷空氣量小導致中抽量小能耗低。在能耗上空氣循環(huán)單泵流程占有絕對優(yōu)勢，即使氮氣透平壓縮機的效率只有50%，其總能耗也是低出不少。

2.3 空氣循環(huán)雙泵與空氣循環(huán)單泵流程

當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8000 Nm3/h(3.0 MPa時)～20000 Nm3/h(8.0 MPa時)，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 Compare with air recycling dual pump process＆air recycling single pump process

對投資而言，空氣循環(huán)雙泵流程氣量大一些，設備整體大一些，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)，當機組效率超出55%時，能耗要低出不少，此時能耗費用要遠遠高于節(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)省投資的角度上考慮，應該選擇空氣循環(huán)雙泵流程。

3 氮氣循環(huán)單泵流程特點

1.對于空氣循環(huán)，當下塔抽氮氣超過1.5倍的氧氣產品量時，由于破壞正常精餾工況而導致空氣量增大，此時氮氣循環(huán)(氮氣循環(huán)抽氮氣可達1.8倍，相當于外壓縮下塔，為全氣相進料，高壓氮氣與高壓液氧換熱，相當于部分主冷)更占能耗優(yōu)勢，能耗增加原因主要是超出下塔抽氮限制，進而導致空氣量增加，能耗增加，對于空氣循環(huán)單泵流程優(yōu)勢不明顯，對于空氣循環(huán)雙泵流程優(yōu)勢較大。

2.當下塔抽氮氣量不大，流程需要氮透時，如果是蒸汽驅動，還需要投資汽輪機。氮氣循環(huán)單泵流程的優(yōu)勢是能耗相差不多時，投資少一臺氮壓機(蒸汽驅動時還有汽輪機)，產品種類多時為多臺(中壓氮壓機，高壓氮壓機)，部分產品規(guī)格可能量小而無法做，避免下塔抽氮氣量大采用部分高壓氮產品內壓縮(量大時)而導致能耗較氮氣循環(huán)高，另外一般需單獨配置儀表氣壓縮機。

3.采用氮氣循環(huán)單泵流程，一方面增壓機流量增大避開機器流量小而效率低的區(qū)域，另外當中壓氮氣產品與膨脹空氣2.7 MPa越接近(理論上其他壓力也可以中抽)，高壓氮氣與高壓氧氣產品的增壓復熱最佳壓力越接近，能耗越小，而偏離越大，能耗越大。

4.穩(wěn)定運行方面，氮氣循環(huán)的機組需要采用進口多軸機型，投資要較單軸機型略高，單軸機型一般壓力高、末級流量小時也無法滿足，效率較低導致能耗較高，產品壓縮機與增壓機合二為一，可靠性不好，但是操作維護量小。

5.對于氮氣循環(huán)所配置的低溫膨脹機最好可以帶液體量7%左右的，這樣較好地平衡了換熱溫差，減小了不可逆損失，從而節(jié)省了能耗。對于中抽量大的，需要配置低溫冷氣機組或者高溫膨脹機，使換熱器熱段溫差減小，不可逆損失減小，從而節(jié)省能耗。

當下塔抽氮氣2倍以上，此時抽氮氣量大，應該選擇配置雙下塔(配置一個氣量占總氣量不小于30% 的工作壓力為0.3 MPa的高純氮裝置)的空氣循環(huán)單泵流程(高純氮裝置冷凝器的液空蒸發(fā)氣體進上塔，相當于外壓縮流程上塔)，對精餾而言，空氣循環(huán)雙下塔單泵流程對氧氮有利而對氬不利。

4 結束語

當前空分行業(yè)正處于黃金時期，它開始于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)的產能已經趨緩，對空分設備的需求會有所下降，這個缺額已經被三大化工，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)。例如一個年產油品300萬t的煤制油項目就需要6萬等級的空分設備10套左右，其它配套煤化工項目的空分裝置也越來越多，也就是說煤化工項目仍將是空分行業(yè)的最大用戶。

氮氣循環(huán)空分流程應用最初是由于增壓空氣及產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。其可以將產品壓縮機與增壓復熱機組合二為一，同時也節(jié)省了機組投資。

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

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