空分制氧設備新技術研究及展望

 
摘要:本文從工藝流程,主要單元設備技術特點,安全可靠性及其它性能,產品技術參數及運行情況等方面介紹全低壓流程小空分設備的技術先進性和低能耗小型空分設備的技術進步,實際運行證明,該設備具有操作壓力低,產品質量高,可變工況生產和運行穩定等特點.簡述我國空分行業發展現狀和發展方向及新工藝,新技術,新產品的推廣應用.
關鍵詞:空分制氧新技術 研究及展望
 
    我國空分制氧行業經歷了50多年的發展,從50m3/h小空分機組開始,發展到目前已經投入使用的30000m3/h大型空分機組.隨著空分技術的不斷進步,空分設備在壓縮系統,空氣凈化和預冷系統,制冷系統,精餾系統,自動控制系統等方面都取得了長足的發展.90 年代末空分設備領域進行了全面更新換代,工藝流程從中壓向低壓發展;空分設備生產品種多樣化,改變了傳統生產以氧氣為主的氣態設備,目前已實現同時生產雙高純度的氧,氮產品,雙高純度空分設備生產氣態產品的同時能提供部分液態產品,還能生產全液體(液氧液氮)的小型液體設備以及氣體的液化設備.空分制氧設備已普遍采用無油潤滑空壓機,氧壓機,氣體軸承透平膨脹機及液氧泵,完全實現了"無油三機".單元設備也采用了低壓通用空壓機,先進的鋁材板翅式換熱器,多孔表面管冷凝蒸發器以及長周期吸附器組等.這些技術的應用,減少了空分設備的冷損,降低了操作壓力,提高了精餾效率,簡化了操作程序,運行可靠穩定,最顯著的特點是降低了制氧電耗和設備維護費用,真正實現了經濟運行.
    空分制氧設備最主要的運行成本是電能費用,設備維修及配件材料消耗費用,其次是人工成本.隨著國民經濟的快速發展,近年來空分設計開發領域顯得十分活躍,主要體現在全低壓流程空分設備的開發應用上.通過空分行業各制造廠的努力,一些能耗低,操作維修方便,運行性能安全可靠,價格便宜且技術成熟的全低壓流程小空分設備陸續投入市場,滿足了用戶的需要并引導著空分設備市場向前發展.下面根據本人掌握的資料和了解的情況,就全低壓流程小空分制氧設備的技術先進性介紹如下:
   (一),全低壓流程小空分設備的工藝流程
    當前,國內空分行業制造廠已經開發生產的全低壓空分設備,大多采用了返流膨脹工藝流程.采用了返流膨脹工藝流程有如下優點:1,由于空分設備的單位冷損大,采用返流膨脹工藝流程可充分利用壓力能,在實際生產過程中大大提高了氣體產品提取率;2,返流膨脹有一定的膨脹前壓力來確保制冷量,由于壓力能得到充分的利用,所以空壓機排氣壓力只要求在0.65～0.75mpa 之間即可,大大降低了原料壓縮空氣的工作壓力.3,縮短設備起動時間.起動時間是空分制氧設備用戶十分關注的問題,起動時間長,用戶成本增加,但最關鍵的是要影響設備的間斷起動性能,通常來說起動時間長,間斷起動的時間也長,對市場的適應能力就越差.返流膨脹流程可以在起動階段提高進口壓力,從而提高膨脹比和進氣量,縮短起動時間.
 
(二),全低壓小空分機組主要單元設備技術特點
1,空壓機
    由于采用了低壓流程,空壓機選用了國內外專業生產廠的定型無油潤滑空壓機,提高了設備的可靠性,增強了通用性,降低了使用成本.空分設備選配排氣壓力小于0.8mpa的動力壓縮機,由于低壓動力壓縮機品種,規格多,這在選型上為設計者提供了比中壓流程多得多的選型機種和規格.排氣壓力小于0.8mpa的動力壓縮機,比中壓流程選用的動力壓縮機在構造上要簡單得多,易于維修,維修費用少;且所配電機額定功率較低,生產用電單耗也會明顯下降.動力壓縮機通用性高,制造批量大,價格便宜.所以選用價格低廉的動力壓縮機后,成套設備的造價也隨之便宜.
2,預冷機組在預冷機組的設計中引入了大型空分設備的設計理念,采用了氮水預冷系統.
    小型空分設備用戶的需要通常以氧氣為主,氮氣為輔,在用氮用量不大的情況下氮氣有較大富裕,為使用氮水預冷系統提供了條件,不僅降低了能耗,更重要的是運動部機減少.氮水預冷系統只有高壓循環水泵,其維護要求與成本低,可靠性高.
3.純化器通過采用雙層床設計,降低再生溫度;同時利用空壓機的熱量預熱再生氣體,電加熱器功耗明顯下降.
4.透平膨脹機返流膨脹工藝為氣體軸承透平膨脹機提供了良好的工作條件:一是轉速低,運行可靠;二是軸承氣壓力有保障;三是膨脹比小,效率高.
5.分餾塔采用密封冷箱和提高保冷性能來減少冷損,同時提高分離效率.冷箱內采用全鋁結構,降低泄漏的可能性.還采用了必要的技術措施來縮短設備的起動時間.由于全低壓小空分設備主換熱器,主冷和過冷器全部使用鋁制板翅式換熱器,所以同時也采用了鋁制精餾塔和鋁制塔內管路,這就大大提高了精餾塔和冷箱內配管的焊接和制造質量.因此全低壓小空分設備徹底擺脫了銅塔釬焊容易泄漏的弊端,實現了冷箱內設備的全鋁結構.所以說全低壓小空分設備實際上是一套焊接質量可靠的全鋁制空分設備.
 
(三),全低壓流程小空分設備安全可靠性及其它功能 
    1.安全可靠性.整套空分設備工作壓力降低,泄漏的可能性減小,安全可靠性較好.安全是空分設備在設計,制造,運行中必須重視的一個問題.在全低壓流程空分設備的設計中,考慮到設備運行周期為十二個月,期間還有許多次的間斷停機,如果沒有安全措施,可能會發生重大安全事故.為此該型設備設置了液氧安全汽化裝置來確保設備的安全運行.
    2.能快速啟動.空分設備能快速啟動,這對于大部分制氧站來說都是十分關鍵的.由于受到氣體銷售,設備檢修,停電等多種原因的影響,間斷運行的時間往往是無法控制的.全低壓空分設備采用了透平膨脹機及預冷機組裝置,大大提高了機組的產冷效率;所配精餾塔采用了全鋁板材結構,保溫性能較好,因此全低壓空分設備可實現間斷運行時的快速啟動,避免了啟動時間長所造成的浪費.
3.可變負荷操作.為了確保設備經濟運行,增強用戶對市場的應變能力和適應能力,全低壓空分設備除了增強設備短期停機的應對能力外,還可通過空壓機供氣量的變化來實現生產負荷的變化,使空分機組變工況運行,從而實現設備的經濟運行.
4.儀控裝備自動化.儀控裝備與空分設備長期穩定運行有直接的關系.全低壓空分設備采用差壓變送器測量液位,產品流量等,由數顯儀顯示.目前預冷機組冷卻水泵采用變頻技術,而純化器,分餾塔,膨脹機等部分采用plc控制,液晶觸摸屏顯示,使空分設備儀控水平得到明顯提高.
5.全低壓空分設備除了采用低壓流程和全鋁板換熱器達到降低裝置工作壓力和減少裝置冷損外,還對裝置能量的綜合利用采取了有效措施.如設置了回熱器,利用空氣壓縮機的壓縮熱來加熱進純化器的再生氣,有效地降低電加熱器的電功率,從而降低電加熱器的電耗.  
(四),全低壓流程小空分設備產品技術參數及運行情況
目前,我國空分設備行業制造廠生產的全低壓小空分設備規格有:80,150,170,180,200,300,350,600m3/h 等.根據國家機械工業氣體分離與液化設備產品監督檢測中心對各型空分設備實測報告資料,以kdon-80/40型和kdon-70/100型全低壓空分設備為例,主要技術參數見下表:  
 
  
 
在其它性能方面:
(1),間斷開車:經過對kdon-170/100型全低壓空分設備的實際測試,在停車8小時后,起動20分鐘即可出氧,40分鐘可達到全部設計指標(不灌注液氧).
(2),快速起動:停機更長時間,特別是熱起動時采用灌注液氧方案,可使起動時間縮短6小時.
(3),變負荷操作:通過不同空壓機的組合,使kdon-170/100 型空分設備具有75%-100%-125%的負荷調節范圍,即氧產量為130m3/h～170m3/h-230m3/h的有段式負荷調節,而單位能耗變化不大.
 
以上可見,全低壓流程空分制氧設備有效地降低了空分設備的運行成本,提高空分設備運行的經濟性,實現節能降耗,增產創效.我國空分技術已走過幾十年的發展歷程,流程結構不斷升級換代,機器設備不斷更新完善,都是為了更節能,更安全,更可靠.在當前能源緊缺,尤其是氣體行業競爭十分激烈的大形勢下,低能耗,更安全,更可靠的全低壓空分設備應運而生,不斷顯現其活力.全低壓流程空分設備已經在國民經濟持續發展的今天,以其工藝流程的技術先進性優勢,在空分領域處于主導領先地位.目前,空分設備行業制造廠生產的空分制氧設備,均采用全低壓工藝流程,已形成系列化,規范化生產,并得到了用戶的廣泛好評.  
參考文獻:
[1] 祉佑,石秉三主編.《制冷及低溫技術》 上,中,下冊.北 京:機械工業出版社
[2] 允愷等編著.《空氣分離設備基礎知識》.北京:機械工業出版社, 杭州制氧機研究所:《深冷技術》,1998～2003 版期
 
作者簡介:
曹德民,男,1968 年 8 月出生,機械工程師,海南鋼鐵公司動力廠技術管理員.通訊地址: 海南省昌江縣石碌鎮海鋼公司動力廠,電話: 0898-26609603 cdm2569@126.com. 13907662569,傳真: 0898-26607414.