深冷空氣分離法在制氧系統(tǒng)中的應(yīng)用探析

李立衛(wèi)

(福建大東海實業(yè)集團有限公司制氧廠，福建 福州 350217)

在社會經(jīng)濟發(fā)展速度逐漸增快的背景下，氧氣的作用越發(fā)關(guān)鍵，需求量也得到了提升。尤其在現(xiàn)代工業(yè)以及醫(yī)藥行業(yè)中，氧氣運用范圍實現(xiàn)了進一步的拓寬。所以，探究高效、節(jié)能、安全的制氧技術(shù)，屬于氧氣制造業(yè)需要重點關(guān)注的課題。

1 深冷空氣分離法

1.1 原理

空氣的構(gòu)成包括氮氣、氧氣、二氧化碳、稀有氣體以及水蒸氣等[1]，其中，氧氣與氮氣所占比例最高。分離空氣中的其它組分，能夠獲取到純凈的氧氣，較為常用的方式有三種，即深度冷凍法、膜分離法、吸附法。其中，深度冷凍法簡稱為深冷法，原理是先將凈化空氣壓縮，并運用熱交換的方法，讓空氣轉(zhuǎn)換成液態(tài)，再結(jié)合氣體沸點存在的差異，進行精餾，最終得到純凈的氧氣、氮氣、稀有氣體等。

通過深冷法制取氧氣步驟為：首先，對凈化之后的空氣實施制冷、液化；其次，通過雙精餾塔對液態(tài)空氣予以精餾，進而得到液態(tài)氧與液態(tài)氮。

1.2 制氧能耗

制氧能耗一般以生產(chǎn)1 m3氧氣所需要的電能予以衡量。流程壓力是深冷空氣分離法制氧能耗的重點，諸如高壓流程，在壓力范圍為6～10 MPa 時，能耗則在1.5～1.7 kWh/m3內(nèi)。全低壓流程的壓力范圍在0.45～0.7 MPa時，能耗為0.45～0.7 kWh/m3。所以，運用低壓流程，能夠減少深冷空氣分離法制冷過程中的能耗。因此，大型和特大型空氣裝置大多選用全低壓流程。

2 深冷空氣分離制氧的特點

氧氣和氮氣的沸點分別為-183 ℃、-196 ℃，通過深冷法制氧，需要讓空氣液化，再利用氧、氮沸點不同，將其分離[2]。深冷法制氧的特點主要涉及以下幾點。

2.1 對材料要求高

空氣液化處理的過程中，空氣體積壓縮以及熱交換方式是重點。所以，應(yīng)確保低溫設(shè)備具備良好的耐壓性能，同時在接口焊接方面也有較高要求，一般運用合金材料。并且，要避免外源熱量傳入，材料需要保冷。另外，保冷箱填充物應(yīng)選擇具備較強惰性的熱傳導(dǎo)材料。需要注意的是，不可以選用碳鋼，主要是由于碳鋼較脆，承受過大壓力可能會產(chǎn)生斷裂。

2.2 雜質(zhì)組分易產(chǎn)生問題

由于空氣內(nèi)還有二氧化碳、灰塵、水蒸氣等，它們凝固點較高，在氧氣還未完全液化時，就已經(jīng)轉(zhuǎn)變成固態(tài)，會引起管道與閥門的阻塞，精餾過程中液態(tài)氧難以順利的分流，妨礙了裝置正常工作。

2.3 設(shè)備工藝標(biāo)準(zhǔn)高

深冷法制氧涉及的溫度跨度較大，需重點考慮設(shè)備熱脹冷縮應(yīng)力以及承壓能力。特別是閥門、管道及接口處應(yīng)運用特殊工藝連接與焊接，確保不會出現(xiàn)泄露。落實安全保護工作，制定設(shè)備故障、壓力升高的正確泄壓、排放方式，避免爆炸。

2.4 安全要求高

雖然氧氣不能燃燒，但其助燃性很強。在設(shè)備及其附近，不能夠放置木材或焦炭等。上述物質(zhì)浸潤液氧后，受到外界撞擊或接觸火星，都會導(dǎo)致燃爆事故發(fā)生。同時，制取設(shè)備的廢棄排放口需嚴格遵循有關(guān)規(guī)定。

3 深冷空氣分離法在制氧系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 深冷空氣分離法制氧工藝組成

過濾壓縮系統(tǒng)：通過過濾器除去空氣中的灰塵等雜質(zhì)，然后進入空氣壓縮機壓縮。預(yù)冷純化系統(tǒng)：壓縮后的空氣進入空冷塔，完全冷卻后利用分子篩純化，純化后的空氣分兩路分別進入板式換熱器、增壓機增壓[3]。板式換熱器系統(tǒng)：通過純化后的兩路空氣均需在換熱器內(nèi)冷卻，同時讓氧氣、氮氣等復(fù)熱；沒有進入增壓機的空氣進入下塔，而增壓機之中的空氣進入到制冷過程中。膨脹制冷系統(tǒng)：增壓后的空氣，通過氣體膨脹機膨脹制冷，并將冷量供給系統(tǒng)。精餾系統(tǒng)：包含上、下塔以及冷凝蒸發(fā)器。精餾過程中，污氮氣集中在上塔上部，液氧在冷凝蒸發(fā)器內(nèi)，可制成兩種產(chǎn)品，即液氧和氧氣。液氧由上塔底部獲得，氮氣產(chǎn)品則在上塔頂部。液氧后備系統(tǒng)：主要應(yīng)用在空分裝置停車后，提供氧氣產(chǎn)品。液氧產(chǎn)品在液氧貯槽中進行保存。將貯槽中的液氧抽出，經(jīng)液氧泵壓縮，再在水浴式汽化器內(nèi)復(fù)溫汽化，最后向氧氣管網(wǎng)運輸。

3.2 深冷空氣分離法制氧系統(tǒng)在各個行業(yè)中的運用

深冷法制氧系統(tǒng)在有較大需氧量的行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。①冶煉生產(chǎn)。冶金工業(yè)在冶煉的過程需要高純度氧氣，從確保氧能夠與鋼之中的硅、碳、硫等相關(guān)元素反應(yīng)，達到減少含碳量以及消除硅、硫等雜質(zhì)的效果[4]。同時，在氧化中的熱量，可以使煉鋼需要的溫度得到滿足。吹氧的方式，除了能夠促進鋼質(zhì)量的提高之外，還可以減少冶煉時間。高爐煉鐵的過程中，增加鼓風(fēng)中的氧濃度可實現(xiàn)降焦比，促進煉鐵產(chǎn)量的提高。同時，在有色金屬冶煉中，運用富氧也可減少冶煉時間，并加強質(zhì)量和提高產(chǎn)量；②石油與化工行業(yè)?？辗盅b置屬于石油與化工企業(yè)的主要配套裝置，用于向生產(chǎn)提供氧氣以及氮氣。例如，氨是化工行業(yè)的重要原料，主要應(yīng)用于化肥、銨鹽、塑料、硝酸等相關(guān)產(chǎn)業(yè)，合成氨的過程中需要運用到許多的氧氣。現(xiàn)階段，煤化工裝置規(guī)模增加，提高了煤氣化的需氧量。固定床、流化床，或是氣流床氣化技術(shù)均需運用大量氧氣；③機械制造業(yè)。在機械制造業(yè)中，諸如汽車、船舶制造等，經(jīng)常性的運用金屬切割、焊接等。這些工藝，均需要消耗氧氣；④航空航天。航空燃料需包含高純度液氧，并且氧氣也是生命支持系統(tǒng)中必不可少的部分；⑤造紙行業(yè)。將氧氣運用到漂白工藝中，可以讓纖維聯(lián)結(jié)的木質(zhì)素含量降低，進而促進紙張質(zhì)量的提高，并降低漂白所需能耗，減少有機廢物污染。將氧氣運用到堿提取工藝中，可以減少漂白成本；⑥污染處理。涉及污水與污染土壤處理等。其中，污水主要是氧化處理法。污染土壤處理的熱處理方式，即焚燒處理，使用氧氣可提高燃燒速度；⑦富氧助燃。由于氧氣有助燃的特點，因此在玻璃熔化爐、水泥生產(chǎn)窯、磚瓦窯等方面實現(xiàn)了廣泛運用，通過發(fā)揮富氧助燃的效果，可實現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)[5]。除此之外，在需要氧氣的領(lǐng)域，如高原用氧等領(lǐng)域，也可以借助深冷法制氧系統(tǒng)。

對于以上行業(yè)要想使用氧氣或液氧，均需要通過深冷空氣分離法在制氧系統(tǒng)來獲取液氧和氧氣。

3.3 深冷空氣分離法制氧和其它制氧方式的比較

深冷液化分離法的流程如圖1所示。根據(jù)圖1，在空氣過濾器中導(dǎo)入空氣，實現(xiàn)凈化，再利用壓縮機2加壓到0.5 MPa，然后導(dǎo)入到空氣分離裝置3中，便得到氧氣，其主要由復(fù)式精餾塔、可逆式熱交換器、透平膨脹機構(gòu)成。

圖1 深冷液化分離法制氧流程簡圖

圖2是變壓吸附制取氧氣的流程。根據(jù)圖2，原料通過壓縮機4壓縮到0.4 MPa，然后導(dǎo)入變壓吸附分離裝置5內(nèi)，其由吸附塔等構(gòu)成，進而可將氧氣與氮氣分離出來，制成產(chǎn)品氧氣。和深冷空氣分離法相比，其產(chǎn)量不高。

圖2 變壓吸附制氧流程簡圖

膜分離制氧則是利用鼓風(fēng)機將原料空氣加壓到0.1～0.2 MPa，然后導(dǎo)入氧氣膜分離裝置之中，該裝置主要由氧氣穿透膜以及該氧氣穿透膜兩側(cè)——第1和第3室構(gòu)成。氧氣穿透膜是空氣內(nèi)氧氣極易滲透的醋酸纖維素和硅膠類膜，將分壓差施加到兩側(cè)，即第1和第2室之間，能夠讓氧氣由高壓側(cè)滲透到低壓側(cè)。如此一來，通過鼓風(fēng)機不斷的把原料空氣輸送到氧氣分離膜裝置內(nèi)，就可以獲取到氧氣濃度較高的富氧空氣。然后再利用壓縮機加壓到0.8 MPa，導(dǎo)入空氣分離裝置，便能夠制造出氧氣。盡管膜分離制氧濃縮成本低，但其不能將產(chǎn)品濃縮成干物質(zhì)。

對比三種方式，深冷空氣分離法的優(yōu)點如下：其一，制氧純度高。深冷空氣分離法制得的氧氣純度可達99.6%之上；其二，生產(chǎn)規(guī)模大。與變壓吸附法與膜分離法制氧相比，深冷法制氧單套設(shè)備表現(xiàn)出來的生產(chǎn)力就已經(jīng)高于10萬m3/h；其三，運用廣泛。深冷法是現(xiàn)階段運用范圍最為廣泛的一種空氣分離方式，在大型和超大型制氧場合中具備良好的優(yōu)勢；其四，技術(shù)成熟。深冷法最早由林德教授于1902年提出，現(xiàn)階段我國80%的制氧量均是由深冷分離法生產(chǎn)的，在長時間的發(fā)展過程中，其存在的能耗大缺點已經(jīng)實現(xiàn)了改善。

4 結(jié)語

總而言之，現(xiàn)階段，我國經(jīng)濟得到了迅猛發(fā)展，能源結(jié)構(gòu)日益優(yōu)化，氧氣需求量逐漸升高，進而加強了對于制氧技術(shù)的重視。盡管新制氧法也得到了一些運用，深冷法依然是大規(guī)模制氧的主要方式，運用范圍廣泛。但是，此方法具有設(shè)備多、工序復(fù)雜性較強、標(biāo)準(zhǔn)嚴格等特點，因此，仍需積極對深冷制氧法進行完善和研究。