首页 >> 行业知识 >> 制氮设备(制氮配置)及工艺特点

前 言
传统的制氧工艺中, 外压缩流程在国内外应用
得比较普遍。与传统的外压缩流程相比, 内压缩流
程在制氧的原理上没有根本区别, 主要区别在于两
种流程的工艺配备不同以及氧气出冷箱的状态不
同。外压缩流程, 出冷箱的氧气状态为低压状态,
通过氧气压缩机将氧气加压至310MPa , 然后送往
用户。而内压缩流程是通过液氧泵将液体氧加压到
所需要的压力, 然后在冷箱内的主换热器中与经过
空气增压机增压后的高压空气换热, 至常温后出冷
箱, 直接供用户。
近年来, 随着生产规模的不断加大, 氧气的需
求量不断增大, 空分设备的装机容量随之也相应加
大。对于大型空分设备来讲, 国内暂时缺乏与之配
套的大规模氧气压缩机的生产能力和经验, 而从国
外引进氧气压缩机与之匹配, 相应地受到生产周
期、投资费用及备品备件等诸多因素的限制。因
此, 近期在国内大型空分设备的成套中, 较多的选
用了内压缩流程。内压缩流程空分设备取消了氧气
压缩机, 增设了空气增压机、液氧泵和高压主换热
器等。
根据天津钢铁有限公司(以下简称: 天钢) 炼
铁、炼钢的生产情况, 需要增加氧气、氮气和氩气
的供应量。本着工艺稳定、技术先进、设备可靠和
投资节省的原则, 经过充分讨论及多次论证, 天钢
最终决定建设两台28000m3 / h 内压缩流程空分设
备。这两台空分设备由中国空分设备公司总承包,
其中运转设备订购进口设备, 空气净化和精馏塔系
统订购杭州制氧机集团公司(以下简称: 杭氧) 设
备。于2003 年9 月签定总承包合同及设备定货合
同, 2004 年3 月开始土建施工, 2004 年10 月开始
设备安装, 2005 年8 月和9 月两台空分设备先后调
试成功, 投入运行。
1  空分设备技术参数和流程
天钢28000m3 / h 空分设备的主要技术参数见表
1 , 其流程如图1 所示。
表1  天钢28000m3 / h 空分设备的技术参数
产品
产量/ (m3/ h)
工况Ⅰ 工况Ⅱ 工况Ⅲ
纯 度压力/MPa 温度/ ℃ 备注
氧气27000 29000 28000 ≥9916 %O2 310 34 内压缩
液氧2300 300 1300 ≥9916 %O2 011 - 176
氮气28000 28000 28000 ≤5 ×10 - 6O2 0107 34
压力氮1000 1000 1000 ≤5 ×10 - 6O2 0145 34
液氮800 1800 1800 ≤5 ×10 - 6O2 012 - 190
气氩580 1100 ≤2 ×10 - 6O2 , ≤3 ×10 - 6N2 310 34 内压缩
液氩600 1100 ≤2 ×10 - 6O2 , ≤3 ×10 - 6N2 011 - 179
  表1 中的工况Ⅰ为空分设备考核指标, 工况
Ⅱ、工况Ⅲ为变工况指标。氧气为内压缩, 直接增
压至310MPa 送出冷箱; 氮气为低压送出冷箱; 氩
气为部分内压缩, 增压至310MPa 送出冷箱, 供用
户使用, 部分以液氩的形式排入液体贮罐; 液氧及
液氮直接排入液体贮罐。
2  主要设备配置
211  空气过滤器
空气过滤器采用北京科林环保公司生产的
LDMK21530KL 型布袋式过滤器, 过滤气量:
200000m3 / h , 过滤阻力: 018~112kPa , 过滤精度:
≤2μ, 过滤器材料选用进口针刺呢。这种过滤器的
图1  天钢28000m3 / h 内压缩流程空分设备流程示意图
优点: 过滤面积大, 相对过滤风速低, 空气吸入压
力损失小。当布袋阻力偏高时, 由自动控制系统输
入反吹压力空气, 吹扫布袋上附着的灰尘, 布袋经
过吹扫后可重复使用。与自洁式过滤器相比, 这种
过滤器虽然一次性设备投资较多, 但使用的周期和
寿命长, 并且使用中的维护、检修工作量小。
212  空气压缩机
空气压缩机(简称: 空压机) 采用MAN 公司
生产的RIK901 型单轴透平式压缩机, 四级三次中
间冷却, 空气流量: 147000m3 / h , 排气压力:
0163MPa (A) 。压缩机采用“恒压”控制将气体送
出管道, 设旁通防喘振放空阀, 放空阀满足空压机
全量放空能力。控制信号转换为4~20mA 电流信
号输入DCS 系统, 由系统自动控制。
213  空气预冷系统
空气预冷系统由杭氧生产, 处理空气量:
147000m3 / h , 工作压力: 01615MPa (A) , 空气进塔
温度: 100 ℃, 空气出塔温度: 17 ℃。配备两台高
温水泵、两台低温水泵, 空冷塔与水冷塔均为填料
塔。在夏季高温季节配置冷冻机, 满足冷却水温的
要求。
214  分子筛纯化系统
分子筛纯化系统为杭氧生产的HXK2147000/ 5
型, 处理气量: 147000m3 / h。分子筛吸附器为卧式
双层床结构, 分别装填分子筛及氧化铝两种吸附
剂, 以净化空气中的水分、二氧化碳以及碳氢化合
物等杂质, 分子筛吸附器由返流污氮气再生。
215  增压空气压缩机
增压空气压缩机采用ATLAS 公司生产的
GT050L2K1PGT026L2K1 型压缩机, 为双轴四级带中
轴的复合式空气增压机。由二级抽出部分气体送入
透平膨胀机系统, 四级排出气体经板翅式换热器换
热后节流进入下塔。机组两部分气体均采用“恒
压”控制, 分别在每部分空气出口设置防喘振回流
阀, 回流阀满足各自的100 %回流能力。
216  增压透平膨胀机
增压透平膨胀机膨胀端进气压力2188MPa
(A) , 排气压力0158MPa (A) ; 增压端进气压力
2116MPa (A) , 排气压力21916MPa (A) 。透平膨胀
机只配置1 台, 流量调节范围可在±20 %。透平膨
胀机的调节通过增压端的旁通回流阀来控制, 膨胀
后的气体直接进入下塔。
217  精馏塔系统
除下塔为筛板塔结构外, 上塔及粗氩Ⅰ、Ⅱ塔
和精馏塔全部为规整填料塔, 粗氩Ⅱ塔与粗氩Ⅰ塔
之间, 通过循环液氩泵保持制氩系统的连续工作。
膨胀机膨胀后气体直接进入下塔, 参与下塔精
馏, 增压机末端气体节流后也进入下塔。
218  中压液氧泵
中压液氧泵为离心式液体泵, 安装于保冷箱
内, 配备两台, 一用一备; 驱动电机带变频装置,
可调节液体泵的工作状况。
219  氮气压缩机
氮气压缩机(简称: 氮压机) 采用英格索兰公
司的C125MX5N2 型单级吸气、单级排气和五级压
缩的离心式压缩机, 排气流量: 20500m3 / h。整个
机组包括主机、冷却系统、润滑系统以及其他辅助
设备, 均布置在一个公用的底盘上, 结构非常紧
凑。
2110  液体贮运系统
两套空分设备共用1 套液体贮运系统, 采用常
压平底液体罐, 2000m3 液氧贮罐1 台, 1200m3 液
氮、液氩贮罐各1 台。贮存的液体既可以外销, 降
低制氧的综合成本, 又可以做为供生产用气的备用
设备, 一旦运转设备发生故障, 通过液体泵加压汽
化补充管网供炼钢、炼铁用气。
2111  DCS 系统
控制系统采用横河西仪公司的CS3000 型DCS
系统。DCS 系统的工作包括前述所有配套设备的压
力、温度、流量、液面的测量、控制和调节。两套
空分设备分设两个DCS 系统。另外, 两套空分设
备的公共设施包括循环冷却水泵房、气体送出调压
系统及液体贮运系统, 单独设立了一个DCS 系统。
为了防止两台空分设备之间的操作出现误差, 在设
计中对系统进行了控制。除在编号上有所区别外,
在控制系统中做到不能互为操作。CS3000 DCS 系
统采用Windows XP 操作系统, 可以提供完整的满
足需要的程序软件, 包括实际操作系统、应用程序
及历史记录等。
3  空分设备的工艺特点
(1) 内压缩流程空分设备, 最大的优点是其整
体设备安全性能大大提高。低温液氧泵的运转取代
了高压氧气压缩机。氧气透平压缩机是利用速度来
使氧气达到增压的目的, 因此大型空分设备配套的
大容量氧压机, 必然转速要高。并且氧气本身就是
一种助燃气体, 遇有高温或其它意外, 都会给氧压
机带来不可估量的损失。低温液氧泵在低温、低转
速工况下运转, 用液氧泵取代氧压机可以将安全隐
患降低到最低点。
(2) 内压缩流程在工艺上与外压缩也略有不
同。外压缩工艺, 氧在主冷内与下塔的液氮换热,
汽化后以气体的形式流出精馏塔。随着设备运行时
间的延长, 主冷液氧中的碳氢化合物会有不同程度
的浓缩、积聚, 对设备的安全运行也是一种潜在的
隐患。为了保证安全, 往往采取排放1 %氧气量的
液氧来降低液氧中积聚碳氢化合物的可能。内压缩
流程空分设备主冷内的液氧可以达到100 %氧气量
的液氧排放, 使碳氢化合物无法在主冷内积聚, 从
工艺上进一步保证了整体设备运行的安全性。
(3) 内压缩流程配置的低温液氧泵, 由于是在
低温、低转速的状态下运行, 设备在一般情况下可
以连续运行2 万h , 并且工艺上液氧泵均配置两
台, 在生产运行中一用一备。而外压缩流程配置的
氧压机则不可能配置备机。因此内压缩流程的液氧
泵配置使得设备的运行可靠性大大提高。
(4) 内压缩流程由于在工艺上配置了增压空气
压缩机, 出增压机的高压空气做为膨胀机的原料,
可以充分发挥膨胀机的制冷作用, 充分满足空分设
备对冷量的需求。进膨胀机的空气经过增压端的增
压, 压力可以达到219MPa (A) , 相应地出膨胀机
的空气压力也增加, 达到0158MPa (A) 。这样, 膨
胀空气可以直接进入下塔, 从流程组织上改善了精
馏塔的调节范围, 可大幅度地进行变工况调节。
(5) 内压缩流程空分设备由于配置了增压机,
使得膨胀制冷量较大, 在满足生产用气的情况下,
可以最大量地生产液体。传统的外压缩流程空分设
备, 只能提取氧产量1 %~2 %的液体量。从表1
可以看出, 内压缩流程空分设备的液体量最多可以
提取到氧产量的13 % , 仅此一项就可以增加空分
设备的综合效益, 降低综合能耗。
(6) 内压缩流程配置液氧泵加增压空气压缩
机, 代替氧压机。氧压机无论是从制造工艺上还是
设备结构, 均比增压机复杂, 设备的制造费用也要
高于液氧泵与增压机这两项之和, 并且氧压机在日
常维护及备品备件更换方面的费用也要高于增压机
及液氧泵。
在设备的安装上, 以往的氧压机在工程设计中
均采用双层布置, 在相同装置中, 氧压机的平面占
地面积也要比增压机大。增压机在工程设计中一般
采用单层布置, 液氧泵则布置于冷箱内的一角。因
此在建设工程中, 如果厂房面积受到制约, 增压机
的安装较之氧压机就有明显的优势。