化工空氣分離裝置的工藝優(yōu)化和技術(shù)改進(jìn)

及輝(青海鹽湖元品化工有限責(zé)任公司，青海 格爾木 816099)

0 引言

文章介紹了從空氣中分離工業(yè)氣體的過程，并指出了每個(gè)過程的經(jīng)濟(jì)或其他限制。對(duì)于裝有燃?xì)廨啓C(jī)或作為副產(chǎn)品有大量多余熱量或能量的設(shè)施，介紹了低溫和非低溫工業(yè)燃?xì)饬鞒痰募蓹C(jī)會(huì)。與這些特性相關(guān)的過程通常是氧氣吹煉、部分氧化、 f-t 工廠，它們生產(chǎn)化學(xué)品、燃料、動(dòng)力、合成氣或合成原油產(chǎn)品，同時(shí)提出了低溫工業(yè)氣體發(fā)電廠和整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備的集成解決方案。

1 非低溫工業(yè)氣體加工技術(shù)概述

1.1 吸附

吸附過程是基于一些天然和合成材料優(yōu)先吸附氮的能力。在沸石的情況下，非均勻電場(chǎng)存在于材料的空隙空間中，導(dǎo)致分子的優(yōu)先吸附，這些分子與那些具有較大的靜電四極矩的分子一樣，更易極化。因此，在空氣分離中，氮分子比氧分子或氬分子吸附得更強(qiáng)。當(dāng)空氣通過沸石物質(zhì)層時(shí)，氮?dú)獗槐Ａ粝聛?，富氧氣流離開沸石層。碳分子篩的數(shù)量級(jí)和空氣分子一樣大。由于氧分子比氮分子稍小，它們擴(kuò)散進(jìn)入吸附劑的空腔的速度更快[1]。因此，碳分子篩對(duì)氧有選擇性，分子篩對(duì)氮有選擇性。沸石通常用于基于吸附的氧氣生產(chǎn)過程。壓縮空氣進(jìn)入裝有吸附劑的容器。氮?dú)獗晃?，富含氧氣的廢水流被產(chǎn)生，直到床被氮?dú)怙柡?。在這一點(diǎn)上，進(jìn)料空氣被切換到一個(gè)新鮮的容器和再生的第一床可以開始。可以通過加熱床層或降低床層壓力來實(shí)現(xiàn)再生，從而降低吸附劑的平衡含氮量。加熱通常稱為變溫吸附(TSA) ，減壓通常稱為變壓或真空變溫吸附(PSA或VSA)。減壓循環(huán)周期短，操作簡(jiǎn)單，是空分設(shè)備的首選工藝。影響操作效率的工藝變化包括分別對(duì)空氣進(jìn)行預(yù)處理以去除水和二氧化碳，在床層切換期間允許壓力能量回收的多床，以及減壓期間的真空操作[2]。根據(jù)產(chǎn)品流程、純度、壓力、能耗和預(yù)期使用壽命對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。氧氣純度通常是93%～95%體積。

1.2 聚合物膜系統(tǒng)

使用聚合物材料的膜過程是基于氧氣和氮?dú)馔ㄟ^分隔高壓和低壓過程流的膜的擴(kuò)散速率的差異。通量和選擇性是決定膜系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的兩個(gè)性質(zhì)，兩者都是特定膜材料的功能。膜通量決定了膜的表面積，是壓差除以膜厚度的函數(shù)。隨著膜的類型而變化的比例常數(shù)叫做滲透率。選擇性是待分離氣體的滲透率之比。由于氧分子體積較小，大多數(shù)膜材料對(duì)氧的滲透性大于對(duì)氮的滲透性。膜系統(tǒng)通常僅限于生產(chǎn)富氧空氣(25%～50% 氧氣)?；钚曰蛞谆瘋鬟f膜包含了一種氧絡(luò)合劑，以提高氧的選擇性，是一種潛在的提高膜系統(tǒng)中氧純度的方法，假設(shè)也有與氧相容的膜材料。膜分離的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是過程的簡(jiǎn)單性、連續(xù)性以及在接近環(huán)境條件下的操作。風(fēng)機(jī)提供足夠的壓頭壓力，以克服通過過濾器、薄膜管和管道的壓降。膜材料通常組裝成圓柱形模塊，這些模塊通過多聯(lián)連接在一起，以提供所需的生產(chǎn)能力。氧氣通過纖維(中空纖維型)或通過片(螺旋纏繞型)滲透，并作為產(chǎn)品提取。真空泵通常維持膜上的壓力差，并以所需的壓力輸送氧氣。二氧化碳和水通常出現(xiàn)在富氧空氣產(chǎn)品中，因?yàn)閷?duì)于大多數(shù)膜材料來說，二氧化碳和水的滲透性比氧更強(qiáng)。然而，膜系統(tǒng)容易適應(yīng)多達(dá)每天20 t的應(yīng)用，用水和二氧化碳污染物富集空氣的純度可以被容忍。這種技術(shù)比吸附或低溫技術(shù)更新，材料的改進(jìn)可以使膜對(duì)較大的氧需求更具吸引力。

2 低溫工業(yè)氣體處理技術(shù)

2.1 低溫加工概述

低溫空氣分離技術(shù)是目前生產(chǎn)大量氣態(tài)或液態(tài)氧、氮和氬的最有效和最具成本效益的技術(shù)?？諝夥蛛x裝置(ASU)使用傳統(tǒng)的多柱低溫精餾過程，以高回收率和純度從壓縮空氣中產(chǎn)生氧氣。低溫技術(shù)還可以以相對(duì)較低的增量成本生產(chǎn)高純度的氮?dú)庾鳛橛杏玫母碑a(chǎn)品流。此外，液氬、液氧和液氮可以添加到產(chǎn)品板巖中，用于儲(chǔ)存產(chǎn)品備份或副產(chǎn)品銷售，增加的資本和電力成本較低。作為通過規(guī)模經(jīng)濟(jì)降低單位成本的一種方法，繼續(xù)研究如何提高單臺(tái)設(shè)備列車的生產(chǎn)率。 大多數(shù)設(shè)備使用傳統(tǒng)的電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)設(shè)備壓縮空氣進(jìn)料到空分設(shè)備，以及氧氣和其他產(chǎn)品流。值得注意的是，IGCC 設(shè)施通過從燃?xì)廨啓C(jī)中抽出空氣來接收所有的空氣供給，該燃?xì)廨啓C(jī)用于從煤制合成氣發(fā)電的聯(lián)合循環(huán)[3]。

2.2 壓縮周期

空氣分離過程通常產(chǎn)生的氣體產(chǎn)品流略高于大氣壓力和接近環(huán)境溫度。通常產(chǎn)品的氧氣在低壓下離開主熱交換器，壓力范圍從3.5～70.0 MPa 不等，離心式壓縮機(jī)組的進(jìn)口體積流率相對(duì)較高，在所需壓力下輸送產(chǎn)品。世界各地有數(shù)百家這樣的工廠。

2.3 泵送液體循環(huán)

液體產(chǎn)品可以從蒸餾部分上游的低溫?zé)峤粨Q器用于蒸發(fā)和加熱。這些產(chǎn)品可以被泵送到所需的輸送壓力或中間壓力。然而，由于從蒸餾系統(tǒng)生產(chǎn)液體產(chǎn)品所需的功率是生產(chǎn)氣體產(chǎn)品的2～3倍，因此循環(huán)必須有效地回收泵送產(chǎn)品流中所含的制冷劑。這是通過對(duì)低溫?zé)峤粨Q器中的蒸發(fā)產(chǎn)物流進(jìn)行高壓冷凝空氣或氮?dú)膺M(jìn)料流來實(shí)現(xiàn)的。液化空氣或氮?dú)庠戏祷氐秸麴s部的冷藏。將產(chǎn)品流抽到空分設(shè)備出口處的中間壓力的泵送液體工藝循環(huán)稱為部分泵送液體循環(huán)，它需要額外的設(shè)備將產(chǎn)品流壓縮到最終的輸送壓力。產(chǎn)品流的全泵或部分泵增加了優(yōu)化低溫循環(huán)的另一個(gè)自由度，可以消除或減小氧氣壓縮機(jī)的尺寸。

2.4 低壓和高壓循環(huán)

低壓(LP)空分單元循環(huán)的基礎(chǔ)上壓縮的飼料空氣只有壓力要求拒絕氮副產(chǎn)品在大氣壓力。因此，進(jìn)料空氣壓力通常在360～6 000 MPa之間變化，這取決于氧氣純度和所需的能源效率水平。高壓空分設(shè)備循環(huán)在遠(yuǎn)高于大氣壓力的條件下生產(chǎn)產(chǎn)品和副產(chǎn)品流，通常需要更小和更緊湊的低溫部件，這樣可以節(jié)省成本。EP 循環(huán)通常使用超過700 MPa 的進(jìn)料空氣壓力。當(dāng)所有或幾乎所有的氮副產(chǎn)品作為產(chǎn)品流被壓縮時(shí)，EP 循環(huán)可能是適當(dāng)?shù)?。此外，為了將空分設(shè)備與其他過程單元(如燃?xì)廨啓C(jī))整合在一起，常常選擇 EP 循環(huán)。

3 過程替代品的比較及技術(shù)改進(jìn)

通過吸附劑和膜材料的持續(xù)研究和開發(fā)，吸附和聚合物膜過程將繼續(xù)提高成本和能源效率。預(yù)計(jì)這兩種技術(shù)都無法挑戰(zhàn)低溫技術(shù)大量生產(chǎn)氧的能力，尤其是純度較高時(shí)。無論是吸附系統(tǒng)還是膜系統(tǒng)，都會(huì)產(chǎn)生含有大量氧氣的副產(chǎn)品氮。如果需要高純度的氮，則必須采用附加脫氧或其他凈化系統(tǒng)來提高氮的質(zhì)量。這兩種方法都不能直接生產(chǎn)氬氣或稀有氣體。用于系統(tǒng)備份的液氧或氮的生產(chǎn)需要附加的低溫裝置或從工廠設(shè)備運(yùn)輸產(chǎn)品。另一方面，與低溫技術(shù)相比，吸附和膜過程更加簡(jiǎn)單和被動(dòng)[4]。

從燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)中抽出的空氣可以部分或完全滿足空分設(shè)備的進(jìn)料要求。在一個(gè)簡(jiǎn)單的配置，ASU 蒸餾壓力將設(shè)置的萃取空氣壓力。如果抽出的空氣流量小于空分所需的總量，將使用輔助空氣壓縮機(jī)，其排氣壓力將與抽出的空氣壓力相匹配。如果抽出的空氣供應(yīng)量約為空分設(shè)備總需求量的四分之一，可以獨(dú)立建立空分設(shè)備蒸餾壓力，并采用泵送液體工藝。高壓萃取空氣在低溫?zé)峤粨Q區(qū)沸騰加壓液氧和/或氮。輔助壓縮空氣供應(yīng)設(shè)定空分設(shè)備的蒸餾壓力。

在使用燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)施中，空氣可能因各種原因被抽出。作為空氣分離裝置的進(jìn)料，作為渦輪機(jī)本身的“排氣”冷卻空氣，或設(shè)施內(nèi)對(duì)加壓空氣的其他要求。抽出的空氣 含有有價(jià)值的熱量，這些熱量可以通過沸騰液體在離散溫度水平上回收，或者通過顯熱轉(zhuǎn)移到另一種液體中回收。利用回收熱量的一類應(yīng)用是溶劑再生，該過程先進(jìn)行氣體/液體吸收步驟，然后將熱量傳遞到液體，以解吸氣體產(chǎn)品或污染物。這一步驟擁有的屬性是可以從這種熱集成中受益的工藝實(shí)例包括但不限于下列單元操作，這些操作可以在碳?xì)浠衔餁饣蛱細(xì)浠衔锾幚碓O(shè)施中找到。作為低溫空氣分離裝置一部分的液基空氣預(yù)處理系統(tǒng)的再生。采用液基吸收步驟去除空氣進(jìn)料流中的污染物至空分設(shè)備可以從萃取空氣熱回收中獲益。在一個(gè)實(shí)施方案中，將熱空氣與來自吸收塔的液體底部相對(duì)冷卻。冷卻后的空氣進(jìn)入塔內(nèi)并與液體吸收劑接觸，其中空氣流中的雜質(zhì)被吸收到液體中?？諝獾轿談┘訜岵襟E將解吸吸收液中的污染物，然后將其送回吸收劑柱。吸收系統(tǒng)可以包括一個(gè)或多個(gè)流體在幾個(gè)吸收步驟，以提高效率去除或使用特定的吸收劑去除空氣流中的特定雜質(zhì)。吸收劑再生可以包括從其他來源加熱，結(jié)合加熱降低壓力以解吸雜質(zhì)。

抽出的空氣中的熱量可以通過熱空氣與工藝流體間接接觸，或者通過空氣向工作流體(如：蒸汽或惰性氣體)傳熱來回收。在這個(gè)例子中，從抽出的空氣源中產(chǎn)生的高水平熱量被轉(zhuǎn)移到返回到燃?xì)廨啓C(jī)的氮?dú)饬髦?。抽出的空氣通過與用于預(yù)處理空氣進(jìn)料到空分設(shè)備的吸收塔富集底部接觸而進(jìn)一步冷卻。這個(gè)傳熱步驟也可以在設(shè)備的 POX 或 POX 產(chǎn)品工作區(qū)內(nèi)的其他吸收系統(tǒng)中完成。取決于溶劑和材料的吸收，高水平的熱回收步驟可能被取消，所有抽出的空氣熱量用于吸收器再生。二氧化碳可以作為副產(chǎn)品加工出售，或者在工廠內(nèi)部使用。一個(gè)例子是將二氧化碳作為添加的稀釋劑返回到燃?xì)廨啓C(jī)。

4 結(jié)語(yǔ)

低溫工藝是目前向大型設(shè)備供應(yīng)工業(yè)氣體的首選方法。工業(yè)氣體工藝和整個(gè)設(shè)施內(nèi)其他單元之間的熱、制冷、工藝和廢物流的集成可以提高效率和降低成本。先進(jìn)的熱集成概念可能有利于在未來使用化學(xué)或 ITM 過程。