KDON-20000/20000制氧裝置熱平衡分析與計(jì)算

孟令軍

（營(yíng)口鋼鐵有限公司，遼寧營(yíng)口115000）

氧氣作為氧化劑和助燃劑在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，在金屬冶煉（煉鋼、重金屬冶煉）、化工（合成氨、甲醇、乙烯、煤氣化）、機(jī)械（金屬切割）、國(guó)防工業(yè)（火箭推進(jìn)劑、液氧炸藥）和醫(yī)療等行業(yè)都需要大量的氧氣，制氧行業(yè)已是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。大規(guī)模的工業(yè)制氧主要是把周圍空氣中的氧氣、氮?dú)夥蛛x來制取氧氣、氮?dú)狻Ｄ壳皯?yīng)用最為廣泛的制氧方法就是深度冷凍法[1]。

深度冷凍法制氧是深冷和精餾的結(jié)合。通過壓縮、降溫，把空氣溫度降到100K以下，使空氣液化，再利用氧氣、氮?dú)夥悬c(diǎn)差異（氧沸點(diǎn)90K，氮沸點(diǎn)77K），通過精餾的方法使氧氮分離。

一般精餾生產(chǎn)的介質(zhì)在常溫下都是液體，也叫常溫精餾，在精餾塔塔底設(shè)置再沸器，用蒸汽把液體加溫產(chǎn)生上升蒸汽，在塔頂設(shè)置冷凝器，利用冷卻水把蒸汽冷凝產(chǎn)生回流液，在塔板上上升蒸汽和回流液體接觸，多次的傳質(zhì)傳熱，實(shí)現(xiàn)分離。所以精餾過程中驅(qū)動(dòng)物質(zhì)分離的能量是在再沸器中，以熱量的形式加入精餾塔中。而在深冷法制氧過程中，驅(qū)動(dòng)氧氮分離的能量則是以功的形式加入精餾過程中。由于空氣在常溫下是以氣態(tài)存在的，為了使空氣液化，需要把空氣壓縮到一定的壓力，然后通過熱交換把空氣冷卻到部分液化的狀態(tài)進(jìn)入精餾塔塔底。未液化的那部分空氣則成為精餾塔內(nèi)的上升蒸汽，故塔底無需設(shè)置再沸器。實(shí)際上，該裝置共有精餾塔5座，每座塔的冷凝器和再沸器都是用的流程內(nèi)各種氣體、液體，根據(jù)壓力、溫度的區(qū)別巧妙設(shè)置，沒有使用流程外的冷凝水或者蒸汽[2，3]。

下面結(jié)合我公司2萬m3/h制氧機(jī)組，對(duì)制氧過程的物料和熱量轉(zhuǎn)換進(jìn)行量化分析。

1 空壓機(jī)排氣量的計(jì)算

我公司制氧裝置每h可生產(chǎn)20000m3，純度99.6%的氧氣，同時(shí)每h生產(chǎn)相當(dāng)于600m3，純度為99.7%的液氧產(chǎn)品和相當(dāng)于750m3氬氣的液氬產(chǎn)品?？諝庵醒鯕夂繛?0.95%。氧氣提取率按照99%計(jì)算。那么理論上所需要的空氣總量為：

另外，每h有5000m3的膨脹空氣旁通到污氮?dú)夤艿啦粎⑴c精餾，分子篩切換空氣損失為0.4%，那么實(shí)際所需空氣量為：

考慮到裝置75%～105%的操作彈性，空壓機(jī)實(shí)際排氣量按照110000m3/h設(shè)定。

2 空壓機(jī)排氣壓力的計(jì)算

空壓機(jī)的排氣壓力是由精餾所需的壓力和各個(gè)工序的阻力之和所確定的，故計(jì)算空壓機(jī)排氣壓力需從裝置末端往前計(jì)算。

氮?dú)獬隼湎涞膲毫?5kPa，主換熱器和過冷器阻力之和約為20kPa，則上塔頂部壓力為35kPa，上塔為填料塔，阻力為5kPa，那么下塔底部壓力為 40kPa，40kPa時(shí)液氧的飽和溫度為92.5K，主冷凝蒸發(fā)器溫差取2K，則下塔頂部氮?dú)怙柡蜏囟葹?4.5K，對(duì)應(yīng)的飽和壓力為450kPa。下塔阻力為20kPa，則下塔底部壓力為470kPa，主換熱器阻力20kPa，分子篩阻力為8kPa，空冷塔阻力為7kPa，則空壓機(jī)排氣壓力為505kPa。

3 能量轉(zhuǎn)換計(jì)算

3.1 原料空氣經(jīng)過空壓機(jī)壓縮后帶入裝置的能量

3.1.1 空壓機(jī)有效功率約8950kW·h，每小時(shí)消耗能量約為7697×103kcal/h。

3.1.2 中間冷卻器冷卻水用量為400m3/h，溫度上升4℃，則冷卻水帶走的熱量為：

公式中：1為水的比熱容，1kcal/（kg℃）

1000為水的密度，1000kg/m3

3.1.3 空冷塔帶走的熱量

105000m3/h空氣進(jìn)空冷塔后，溫度下降約75℃，則帶走的熱量為：

公式中：0.2388為空氣的比熱容，0.2388kcal/（kg℃）

1.29為空氣的密度，1.29kg/m3

則真正帶入裝置的能量為：

3.2 制冷所消耗的能量

由于裝置存在冷量損失，需消耗一部分能量去制冷。熱力學(xué)中并沒有冷量的概念，制氧行業(yè)中所謂冷量就是反方向的熱量，冷損就是指熱量從外界進(jìn)去了系統(tǒng)中。制氧裝置的冷損主要包括復(fù)熱不足冷損、排液冷損、絕熱冷損。

3.2.1 復(fù)熱不足冷損

復(fù)熱不足冷損指冷箱的氧氣、氮?dú)?、污氮?dú)庠谥鲹Q熱器中與入塔空氣換熱不充分，存在熱端溫差。入塔空氣溫度23℃，出塔氧氣、氮?dú)?、污氮?dú)鉁囟绕骄鶠?0℃，熱端溫差3℃。進(jìn)塔空氣量為105000m3/h，減去液體產(chǎn)品的1350m3/h，則出塔的返流氣體量為103650 m3/h，冷量損失為：

公式中：0.2388為空氣的比熱容，0.2388kcal/（kg℃）

1.29為空氣的密度，1.29kg/m3

3.2.2 排液冷損

公式中：130為空氣冷凝到液體時(shí)的溫降和冷凝潛熱之和，130kcal/m3

3.2.3 絕熱冷損

由于該裝置大部分設(shè)備都屬于低溫狀態(tài)，設(shè)置在冷箱內(nèi)，盡管冷箱內(nèi)填充了珠光砂等保溫材料，但是由于體積大，難免存在冷損，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)該裝置的絕熱冷損取60000kcal/h。

故該裝置總的冷損為：

為了驗(yàn)算計(jì)算結(jié)果，可通過計(jì)算制冷量是否與裝置冷損一致。制冷量主要包括：參與制冷的空氣量及膨脹空氣制冷量和節(jié)流制冷量。

3.2.4 節(jié)流制冷量

該裝置的節(jié)流制冷量大約為40×103kcal/h

3.2.5 膨脹空氣制冷量

該裝置膨脹空氣量為15000m3/h，按照每標(biāo)準(zhǔn)立方米的膨脹空氣制冷量為18kcal計(jì)，則膨脹空氣制冷量為：

則總的制冷量為310×103kcal/h，與該裝置的總冷損331.3×103kcal/h基本吻合。

3.3 精餾能量損失

精餾過程是以能量為分離劑的，因?yàn)檠醯姆悬c(diǎn)差較小，在精餾的過程存在很大的不可逆性。能量損失主要體現(xiàn)在：

3.3.1 氣、液流動(dòng)時(shí)的動(dòng)量傳遞。即由于上升蒸氣在通過塔板會(huì)產(chǎn)生壓降。

3.3.2 氣、液傳熱時(shí)的熱量傳遞。上升蒸氣與回流液體接觸時(shí)有溫差。

3.3.3 氣、液傳質(zhì)時(shí)的質(zhì)量傳遞。進(jìn)出每塊篩板的氣相和液相存在濃度差。從下一塊篩板上升的蒸氣與上一塊篩板下流的液體相比較，蒸氣中氮組分的含量小于與下流液體相平衡時(shí)的氮含量。當(dāng)然這也是氣液之間傳質(zhì)的推動(dòng)力。

精餾能量損失由能量守恒計(jì)算可得：

4 結(jié)論

由上所述：空壓機(jī)給予原料空氣的能量為7697×103kcal/h，其中在空氣壓縮過程中由于空氣溫度升高，而需要進(jìn)行冷卻，該過程消耗的能量為4025.9×103kcal/h，約占總能耗的52.3%；精餾過程消耗能量 3339.8×103kcal/h，約占總能耗的43.4%；裝置冷損消耗能量331.3×103kcal/h，約占總能耗的4.3%。

由于制氧的原料就是周圍的大氣，所以原料是免費(fèi)，那么減少能耗就顯得十分重要。能量轉(zhuǎn)換計(jì)算分析出能量消耗在什么環(huán)節(jié)，針對(duì)上述分析結(jié)論可以得出以下幾點(diǎn)節(jié)能措施：

4.1 原料空壓機(jī)采用高效空壓機(jī)。由于空壓機(jī)能耗占比很高，且分段冷卻時(shí)，被冷卻水帶走的熱量較多，故空壓機(jī)應(yīng)采用多級(jí)壓縮等溫效率高的壓縮機(jī)。但這也增加了設(shè)備投資成本。一般同級(jí)別的空壓機(jī)進(jìn)口產(chǎn)品的價(jià)格是國(guó)產(chǎn)空壓機(jī)的2～2.5倍。隨著能源管控措施的加強(qiáng)，電費(fèi)成本升高，能夠長(zhǎng)周期運(yùn)行的制氧裝置采用高效壓縮機(jī)是合算的。

4.2 減少裝置冷損。冷損中生產(chǎn)液體產(chǎn)品和絕熱冷損都是無法避免的，故主要研究減少復(fù)熱不足冷損。復(fù)熱不足冷損主要是出塔的氧氣、氮?dú)狻⑽鄣獨(dú)庠谂c進(jìn)塔的空氣換熱時(shí)，存在熱端溫差，導(dǎo)致冷量損失。由于換熱介質(zhì)的低溫特性，換熱器材質(zhì)基本固定采用鋁制品，那么要減少熱端溫差，勢(shì)必要增加換熱器換熱面積。增加換熱面積首先帶來的是設(shè)備投資的增加，再者增加換熱面積也會(huì)增加換熱器阻力。另外產(chǎn)品氧氣、氮?dú)獬鏊囟鹊纳咭矔?huì)增加后續(xù)產(chǎn)品壓縮機(jī)的能耗。所以增加換熱器面積時(shí)要考慮整體平衡，一般熱端溫差控制在2.5～3℃是合適的。

4.3 提高單位膨脹空氣的制冷量。膨脹機(jī)制冷是制氧裝置組主要的制冷設(shè)備，提高單位膨脹空氣的制冷量可以減少膨脹空氣量，不論是對(duì)減少空壓機(jī)負(fù)荷還是減少對(duì)精餾工況的影響都是有益的。提高單位膨脹空氣的制冷量主要有兩個(gè)途徑：提高膨脹空氣進(jìn)口壓力和提高膨脹空氣進(jìn)口溫度。

如上所述：這些節(jié)能措施都不是可以無限使用的，要考慮整個(gè)裝置的整體熱平衡，如果顧此失彼則得不償失。

另外還有一個(gè)重要的方面應(yīng)引起重視，就是制氧裝置的生產(chǎn)能力在整座工廠生產(chǎn)工序中是否合適。比如該工廠在初步設(shè)計(jì)時(shí)認(rèn)定其他工序每小時(shí)需要20000m3/h氧氣，配套建設(shè)了1套能力為20000m3/h氧氣的制氧裝置。而實(shí)際生產(chǎn)時(shí)只需要18000 m3/h氧氣，那么無論怎么節(jié)能降耗，20000 m3/h氧氣的制氧裝置能耗也會(huì)比18000 m3/h氧氣的制氧裝置高很多，同時(shí)設(shè)備投資也高出很多。所以配套多大能力的制氧裝置一定要仔細(xì)研究論證，制定合適的產(chǎn)品流量、壓力，對(duì)減少裝置能耗，降低運(yùn)行成本是至關(guān)重要的。