深冷空氣分離法在制氧系統(tǒng)中的應(yīng)用

馬倩（山東華魯恒升化工股份有限公司，山東 德州 253000）

0 引言

在當(dāng)前社會經(jīng)濟水平不斷提升的情況之下，各行各業(yè)得到了飛速發(fā)展，冶煉產(chǎn)業(yè)、石油化工產(chǎn)業(yè)、機械制造產(chǎn)業(yè)、航空航天、造紙以及污染物處理和富氧助燃等相關(guān)產(chǎn)業(yè)，對于氧氣的需求量也在不斷提升，極大地推動了制氧系統(tǒng)的研究和發(fā)展，深冷空氣分離法基于其自身制備純度較高、生產(chǎn)規(guī)模較大等優(yōu)勢在制氧系統(tǒng)當(dāng)中得到了良好應(yīng)用。為提升深冷空氣分離法的作用效果，加強對于該技術(shù)在制氧系統(tǒng)當(dāng)中的應(yīng)用研究是十分有必要的。

1 深冷空氣分離法

1.1 原理和優(yōu)缺點

深冷空氣分離法實際上是通過簡單的機械方法，以自然空氣為原料，通過壓縮、凈化以及熱交換等一系列措施，將空氣液化成為液空，然后在根據(jù)液氧和液氮二者沸點差異，經(jīng)過精餾之后，實現(xiàn)氣體分離，以此獲得氧氣、氮氣以及稀有氣體，是當(dāng)前常用的氣體生產(chǎn)技術(shù)?；谏罾淇諝夥蛛x法操作原理，該方法也被稱為低溫精餾法。

深冷空氣分離法的主要優(yōu)勢表現(xiàn)為氧氣制備的純度高達99%以上，而且生產(chǎn)規(guī)模相對較大，多用于大規(guī)模氣體分離工程當(dāng)中，當(dāng)前我國制氧量的80%是使用深冷空氣分離法完成的。但與此同時，該技術(shù)措施對于制氧條件也有一定要求，相應(yīng)系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜程度較高，維修難度較大，而且基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備投資成本較高，實際壓縮、冷卻過程中，需要消耗大量的能源，同時對于安全操作技術(shù)要求也十分嚴(yán)格[1]。

1.2 工藝流程

第一，空氣壓縮、凈化。需要先將空氣經(jīng)過空氣過濾器，清除其中的灰塵和雜質(zhì)，然后運輸至離心式空氣壓縮機當(dāng)中，壓縮到所需壓力，再將其送入到空氣冷卻器當(dāng)中，降低空氣溫度，然后通過空氣干燥凈化器，將其中的水分、二氧化碳以及其他碳氫混合物等清除干凈。空氣當(dāng)中雖然是以氧氣和氮氣為主的，但還包括微量稀有氣體、水分以及二氧化碳等其他物質(zhì)，而且其中存在的灰塵和顆粒等，還會增加設(shè)備磨損、降低換熱效率，甚至堵塞管道、閥門等，影響精餾效率，因此，空氣凈化是應(yīng)用深冷空氣分離法的重要步驟和環(huán)節(jié)。

第二，空氣分離。將凈化后的空氣送入到空分塔當(dāng)中，經(jīng)過冷卻系統(tǒng)，降低裝置中空氣溫度，以此減少后續(xù)換熱過程中系統(tǒng)負荷，然后將冷卻后的氣體送入換熱系統(tǒng)，進行空氣的液化、分離，并維持好空氣裝置的冷量平衡。最后，將液化空氣送入精餾系統(tǒng)，進行氧氣制備。精餾系統(tǒng)主要包括上塔、下塔以及主冷三個部分，其中下塔主要負責(zé)原料空氣初精餾，上塔負責(zé)富氧液空再精餾，而主冷則是連接上下塔完成液氧蒸發(fā)、氣氮冷凝的部分。

2 深冷空氣分離法在制氧系統(tǒng)中的應(yīng)用要點

2.1 深冷空氣分離制氧系統(tǒng)要求

氧氣作為無色無味的氣體，在空氣當(dāng)中的占比約為21%左右，熔點為-218.4 ℃，沸點為-183 ℃。在利用深冷空氣分離法進行制氧的過程中，需要對空氣進行液化處理，然后在根據(jù)氮氧沸點差異，進行分離，涉及的工藝多、復(fù)雜程度高，這也使得在制氧系統(tǒng)當(dāng)中應(yīng)用深冷空氣分離法時，存在以下突出特點。

2.1.1 設(shè)備材料要求高

在實際進行深冷空氣制氧的過程中，需要經(jīng)歷空氣液化處理這一過程，而此環(huán)節(jié)中空氣體積壓縮處理以及熱交換是十分重要的，對于相應(yīng)設(shè)備材料也有著較高的要求。一方面，需要低溫設(shè)備具備良好的耐壓性能，能夠滿足空氣壓縮要求，同時，應(yīng)確保設(shè)備材料焊接質(zhì)量良好，因此多選用合金材料；另一方面，為保障空氣液化效果，要求設(shè)備材料具有良好的保冷、隔熱性能，因此，保冷箱當(dāng)中填充物多選擇具有良好隔熱性能的傳導(dǎo)材料，但應(yīng)避免選用脆性較大碳鋼，以免壓力過大，出現(xiàn)斷裂情況。

2.1.2 雜質(zhì)容易出問題

空氣中不僅包括氧氣和氮氣，同時還含有灰塵、機械顆粒、二氧化碳以及水蒸氣等物質(zhì)，灰塵以及機械顆粒若混入制氧系統(tǒng)當(dāng)中，會加劇設(shè)備磨損，增加冷卻器阻力，降低換熱效率；而水、氧化氮等雜質(zhì)的凝固點較高，在制氧過程中，氧氣還未完全液化時，此類雜質(zhì)就已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w形態(tài)，進而造成管道、通路以及閥門等的堵塞，使得液態(tài)氧分流不順利，降低制氧效率，影響系統(tǒng)的正常運行。

2.1.3 工藝要求標(biāo)準(zhǔn)高

實際應(yīng)用深冷法進行制氧的過程中，需要經(jīng)歷冷卻、熱交換等流程，整體溫度跨度較大，因此，對于系統(tǒng)設(shè)備熱脹冷縮應(yīng)力以及承壓能力方面有著較高的要求，尤其是系統(tǒng)接口、閥門以及管道位置，對于焊接以及工藝連接要求較高，應(yīng)確保系統(tǒng)的密封性，避免出現(xiàn)泄漏問題。此外，為避免系統(tǒng)運行不暢、設(shè)備故障、泄壓不良等引發(fā)的爆炸等安全事故，應(yīng)結(jié)合實際情況，加強工藝流程的檢查、監(jiān)控和維護管理。

2.1.4 安全操作要求高

氧氣作為助燃氣體，有著極高的助燃性，為保障制氧系統(tǒng)運行的安全性以及可靠性，對于系統(tǒng)安全操作方面有著較高的要求。在制氧系統(tǒng)和設(shè)備附近，嚴(yán)禁放置木材或者焦炭等易燃物質(zhì)，在富氧環(huán)境下，此類物質(zhì)在受到外界撞擊或者與火星接觸后，很容易引發(fā)爆炸、火災(zāi)等不良事故，因此應(yīng)強化制氧現(xiàn)場環(huán)境以及操作安全管理，同時還應(yīng)按照相關(guān)安全規(guī)范，展開廢氣排放口管理，盡可能消除制氧過程中的各種安全隱患。

2.2 深冷空氣分離制氧系統(tǒng)設(shè)計原則

基于上述深冷空氣分離法在制氧系統(tǒng)當(dāng)中的相關(guān)應(yīng)用要求，為保障該技術(shù)措施的應(yīng)用質(zhì)量和效果，應(yīng)結(jié)合實際工藝特點和相關(guān)要求，加強對于制氧系統(tǒng)設(shè)計的研究和重視，明確相關(guān)設(shè)計原則，主要包括安裝施工原則、布置原則、冷箱內(nèi)配管原則以及閥門配置原則等，以此確保系統(tǒng)安裝布置符合工藝要求，保障系統(tǒng)運行的順暢性以及安全性。例如，為保障整個系統(tǒng)和裝置運行的順暢性以及高效性，應(yīng)加強對于氣溫、降水量以及風(fēng)沙等當(dāng)?shù)貧夂驐l件的考量，確保空氣過濾效果，避免影響制氧效率；在冷箱配管方面，應(yīng)加強對于焊縫位置、坡口加工以及配管順序和管路之間間距方面的控制，確保管道焊接質(zhì)量良好，冷熱管道外壁間距在200 mm 以上；在閥門配置方面，應(yīng)確保脫脂清洗到位，選用不銹鋼材質(zhì)配件，以此保障系統(tǒng)運行效果，并針對空氣管道采取適當(dāng)保冷措施，以此降低冷量損失，強化系統(tǒng)能耗控制。

2.3 深冷空氣分離制氧系統(tǒng)工藝流程

深冷空氣分離法在制氧系統(tǒng)當(dāng)中應(yīng)用時，具體工藝流程包括以下三個步驟。

第一，空氣過濾和壓縮。對此，需要采取自潔式空氣吸入過濾器，對空氣進行過濾處理，清除掉空氣當(dāng)中混有的灰塵、機械顆粒等雜質(zhì)，然后將過濾后的原料空氣輸送到空氣壓縮機當(dāng)中，展開多級壓縮，最后，再將其送入到空冷塔當(dāng)中。

第二，空氣預(yù)冷和純化。在空氣經(jīng)過空冷塔之后，會被送入分子篩吸附器當(dāng)中，進一步去除掉空氣當(dāng)中的水分、二氧化碳以及碳氫化合物等，形成純化空氣，而后續(xù)氧氣的制備提供原料。

第三，空氣精餾。經(jīng)過上述純化處理后的空氣，僅剩余氧氣和氮氣，原料空氣中的部分氣體將會經(jīng)由污氮換熱器進行冷卻處理，然后進入到下塔，而另一部分氣體則需要進一步進行壓縮、冷卻，然后再輸送至下塔。與此同時，增壓機的末級空氣需要先后經(jīng)過主換熱器以及液體膨脹機，再被送入下塔當(dāng)中。此時，再利用系統(tǒng)，使純化空氣與回流液體接觸，其中回流液主要是由液氮組成，其他液氮將會作為產(chǎn)品由過冷器排出，下塔當(dāng)中的頂部冷凝蒸發(fā)器將發(fā)揮作用，完成氮氣的冷凝處理，而此時液氧將會不斷蒸發(fā)，同時經(jīng)過主換熱器復(fù)熱的純氮氣將會作為產(chǎn)品從系統(tǒng)當(dāng)中排出，而污液氮和富氧液空則會作為上塔的回流液，經(jīng)過冷卻器冷卻。當(dāng)污氮氣產(chǎn)生之后，上塔底部會出現(xiàn)液氧，將此處液氧抽出后，經(jīng)過液氧泵壓縮、主換熱器進行熱交換之后，就能夠得到高壓氧氣，而部分液氧也會作為產(chǎn)品被輸送到冷箱外部。

2.4 深冷空氣分離制氧系統(tǒng)機組設(shè)備

第一，自潔式空氣過濾器。主要負責(zé)過濾空氣中的灰塵、機械顆粒等雜質(zhì)，包括負壓探頭、出口管、濾芯、文氏管、反吹氣源噴以及電控箱、壓差控制儀等。該過濾器在過濾空氣時，可通過小顆粒粉塵在濾料迎風(fēng)面形成塵膜，以此增大過濾器氣流阻力，保障過濾效果，降低粉塵雜質(zhì)等對于系統(tǒng)的磨損影響。

第二，預(yù)冷系統(tǒng)?？刹捎盟涂諝庵苯咏佑|的空冷塔設(shè)備，以此改善分子篩工作環(huán)境，降低空氣溫度，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)對于空氣中酸性氣體和機械顆粒的清洗。該系統(tǒng)還采用了散裝填料塔，能夠有效減小阻力，提高換熱效率。此外，還可進一步選用新型、高效分布器進行預(yù)冷系統(tǒng)的設(shè)計，促使空氣與水得以充分接觸，在減少冷凍水量需求的同時，提高塔的換熱性能，降低冷卻系統(tǒng)能耗。

第三，純化系統(tǒng)。可采用單層床結(jié)構(gòu)分子篩吸附器，不僅能夠有效降低再生阻力，同時也會降低再生能耗，以此達到良好的節(jié)能效果。此外，純化系統(tǒng)控制閥門應(yīng)選用三桿閥，長周期分子篩純化系統(tǒng)設(shè)計形式，并采取無沖擊切換方式，以此全面提升分子篩系統(tǒng)純化性能，實現(xiàn)系統(tǒng)自動控制與手動控制間的靈活切換，延長分子篩閥門壽命，確保閥門切換勻速穩(wěn)定。

第四，精餾塔系統(tǒng)。精餾塔是整個制氧系統(tǒng)當(dāng)中的關(guān)鍵設(shè)備，根據(jù)深冷空氣分離法實際操作需求，精餾塔為上下塔結(jié)構(gòu)，優(yōu)選液體透平膨脹機，以此提升整個系統(tǒng)的運行效率，降低系統(tǒng)能耗。

第五，控制系統(tǒng)。選用DCS 集散型控制系統(tǒng)，搭配在線分析儀等相應(yīng)測控組件，以此全面保障深冷空氣分離法在制氧系統(tǒng)當(dāng)中的應(yīng)用能效，確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行。

3 深冷空氣分離法制氧系統(tǒng)在實踐中的應(yīng)用

在冶金生產(chǎn)中的應(yīng)用。冶金工業(yè)不僅需氧量較大，而且對于氧氣的純度要求較高，以此確保氧能夠與鋼當(dāng)中的硅、碳等元素得到充分反應(yīng)，進而減少其中硅、碳等雜質(zhì)。與此同時，氧化反應(yīng)發(fā)生過程中，還能夠更好地保障煉鋼溫度。深冷空氣分離法制氧系統(tǒng)在冶金生產(chǎn)中的應(yīng)用，能夠在實際冶金生產(chǎn)中實現(xiàn)高純度吹氧，不僅有助于提高鋼材的質(zhì)量，同時還能夠縮短冶煉時間。與此同理，在冶煉有色金屬的過程中，通過富氧的方式，也能夠縮短冶煉時間，提高金屬冶煉質(zhì)量和產(chǎn)量。

在石油化工行業(yè)中的應(yīng)用?？辗盅b置在石油化工行業(yè)當(dāng)中應(yīng)用十分廣泛，通過空分裝置能夠為石油化工生產(chǎn)提供充足氧氣和氮氣。例如，化肥、銨鹽以及塑料等相關(guān)產(chǎn)業(yè)需要大量的氨，而合成氨的過程中，需要很多高純度的氧氣；再比如，煤化工產(chǎn)業(yè)、固定床、氣流床企劃技術(shù)等，也需要應(yīng)用大量氧氣。因此深冷空氣分離法制氧系統(tǒng)在此類行業(yè)當(dāng)中也有著十分廣泛的應(yīng)用，對于產(chǎn)業(yè)發(fā)展，生產(chǎn)效率等有著重要影響。

在機械制造行業(yè)中的應(yīng)用。常見的包括汽車、船舶制造工業(yè)當(dāng)中，多涉及金屬切割、焊接等技術(shù)，因此，對于氧氣的需求量相對較大，可借助深冷空氣分離法制氧系統(tǒng)實現(xiàn)大規(guī)模制氧，確保實際生產(chǎn)制造工作得以順利推進。在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用。液氧是航空領(lǐng)域當(dāng)中的燃料，同時氧氣也是維持生命的重要氣體，在航天航空生命支持系統(tǒng)當(dāng)中有著無可替代的作用，因此航空航天領(lǐng)域?qū)τ谘鯕庖约耙貉醯男枨罅枯^大，而且純度要求較高，傳統(tǒng)制氧技術(shù)難以達到實際工作需求，可采用深冷空氣分離法制氧系統(tǒng)實現(xiàn)液氧和氧氣的大規(guī)模生產(chǎn)[2]。

4 結(jié)語

綜上所述，深冷空氣分離法在制氧系統(tǒng)當(dāng)中的應(yīng)用不僅能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模制氧，而且還有助于提升制氧的質(zhì)量和效率，保障氧氣以及液氧的純度，在實際應(yīng)用該技術(shù)的過程中，應(yīng)首先明確技術(shù)應(yīng)用相關(guān)要求，包括材料質(zhì)量、雜質(zhì)處理、工藝流程以及操作安全等方面，以此保障技術(shù)應(yīng)用效果。同時，還應(yīng)提前明確系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)原則，設(shè)施安裝、布置要求，以及工藝流程，并根據(jù)工藝流程和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，合理進行系統(tǒng)機組設(shè)備的設(shè)計，如：自潔式空氣過濾器、預(yù)冷系統(tǒng)、純化系統(tǒng)等，以此保障深冷空氣分離法應(yīng)用效果，同時降低系統(tǒng)能耗，確保其能夠在冶金、機械制造等領(lǐng)域當(dāng)中充分發(fā)揮自身價值和作用。