350 kt/a合成氨配套39×103 m3/h空分的优化选择

刘明哲，王欣荣，毛红峰

（1.浙江晋巨化工有限公司，浙江 衢州 324004；2.东华工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230088）

空分发展至今已近120年，其技术成熟度、安全性、可靠性等都已非常高。根据工艺流程可分为内压缩空分和外压缩空分，根据膨胀工质的不同可分为空气循环流程和氮气循环流程。其中空气循环流程又分为空气循环单泵流程和空气循环双泵流程，氮气循环流程为氮气循环单泵流程[1]。国内使用氮气循环流程用户较少，氮气循环流程一般适用于氮气用户压力等级繁多的情况，目前运行的业绩不多。根据主冷的结构形式又可分为全浸式和降膜式。

工艺虽然已经比较成熟，具体到每套装置仍然根据各自的需求特点，有可以优化选择之处。笔者在此探讨1 套350 kt/a 合成氨配套的39×103m3/h 空分装置的优化选择。

1 装置规模及要求

根据运行特点，要求装置连续运转稳定供气周期为不小于3 年，拟3 年全系统大加温1 次，同步进行设备检维修工作，相应动、静设备以及仪表、电气、控制系统均应以此为目标进行流程组织及配置。装置规模及要求见表1。

表1 空分装置规模及要求Tab 1 Scale and requirements of air separation unit

2 流程与设备选择

2.1 主流程

空分装置的基本工艺流程按照产品氧气的压缩方式不同，分为外压缩流程和内压缩流程。外压缩流程是通过氧气压缩机将冷箱产生的常压氧气加压至所需压力。内压缩流程则是取消氧压机，使用液氧泵将主冷中的液氧加压到一定压力后，与正流高压空气在高压板翅式换热器中间壁换热得到高压氧气，供给用户。

空分流程的选择，取决于安全和效益2方面。

2.1.1 安 全

外压缩流程空分装置是通过氧压机加压氧气来提高压力的，作为氧化性气体和助燃剂，温度越高，压力越高，风险越大。内压缩流程是通过低温液氧泵加压液氧再复热气化得到高压氧气，39×103m3/h的空分设备液氧加压量只有～50 m3/h，同时液氧泵是在低温（-180 ℃）、低速（3 kr/min）下运转，安全系数显著提高。空分设备运行安全重要风险点之一就是主冷，随着空分设备运行周期的延长（部分装置连续运行超1 000 d），主冷液氧中碳氢化合物积聚析出风险加大。常规外压缩空分，通过从主冷底部连续排放一定量液氧（一般是质量分数1%液氧产量），避免主冷液氧中碳氢化合物积聚析出。内压缩空分，液氧泵持续不断的从主冷底部抽取液氧加压送出，最大程度的避免了碳氢化合物在主冷中积聚析出的可能，安全性进一步提高。

化工项目中环境空气组成复杂，为避免空气中碳氢化合物对空分运行的影响，目前国内外空分厂商在化工项目中大型空分的流程选择上，基本采用内压缩流程配置。

笔者所筹建的项目，空分装置主要服务于合成氨项目，以及工厂内多个精细化工装置，其中氧气主要是为水煤浆气化炉配置，氧压高达8.5 MPa。从安全角度来说，选择内压缩流程更合适。

2.1.2 投资与效益

1）投资。内压缩流程动设备（空气压缩机组、膨胀机、液体泵）、仪表调节阀等均为进口，静设备中高压板翅换热器一般选择CHART、诺顿和FIVES 等进口设备；外压缩流程动设备（空气压缩机组、膨胀机）、仪表调节阀等均为进口，氧压机一般选择国产设备，静设备中低压板翅换热器一般选择杭氧、中泰等国产设备。相比较来说，内压缩流程进口设备略多，外压缩进口设备略少。常规来说内压缩流程投资略高，但如果氧压过高，国产氧压机尚无成熟产品，选择进口氧压机将十分的昂贵，设备投资方面相对来说内压缩比外压缩便宜。

所筹建的项目，氧压高达8.5 MPa，从投资角度来说，选择内压缩流程更合适。

2）效益。液体产品（对空分来说，通常是液氧、液氮和液氩，以及氪、氙、氖等稀有气体）产出量和氧气产品产出量的比例，对空分装置能耗影响很大，产出气体产品的同时产出大量的液体产品，或者氧气产品压力高（4.0 MPa 或更高），都是内压缩适合的场景[2]。业内有一种说法，液体产品质量比8%～10%是一个临界点，低于这个比例以选用外压缩空分为宜。如果筹建的空分项目液体产品质量比在8%～10%的话，需要做细致的对比评估。

所筹建的项目，液体产品质量比9%左右，考虑到实际供气的过程中，用户的使用量是有波动的，液体产品质量比最多会达到15%以上，当液体产量在一定范围内时，由内压缩空分直接增加液体产品的产出，比另外配置液化装置产出液体产品更合算[3]。

综合以上考虑，主流程选择内压缩流程。

2.2 氮气流程

项目氮气的规格较多，而且用量的波动也较大。针对氮气流程，有4种方案可供选择：

方案一。0.4 MPa 氮气、2.2 MPa 氮气、6.5 MPa 氮气均由上塔取氮气加压，设备配置为液氧泵×2+氮压机。优点是氧气等提取率高，空压机组小，工况调节灵活；缺点是能耗高，选择离心机氮气放散量大难匹配，占地面积较大。

方案二。0.4 MPa 氮气直接从下塔抽取，2.2 MPa氮气、6.5 MPa氮气均由下塔取压力氮气进一步加压，设备配置分4种。优点是氧气提取率较高，工况调节灵活，总能耗低；缺点是选择活塞机检修频繁稳定性差，选择离心机氮气放散量大难匹配，占地面积增加。

主要设备配置：1）液氧泵×2+氮压机×4（6.5 MPa 氮压机3 台，2.2 MPa 氮压机1 台，均为12×103m3/h）。或2）液氧泵×2+活塞氮压机×4（6.5 MPa 氮压机2 台，2.2 MPa 氮压机2 台，均为12×103m3/h）；或3）液氧泵×2+离心机1 台（2.2 MPa排压、流量35×103m3/h）+活塞氮压机×2（6.5 MPa排压、流量12×103m3/h）；或4）液氧泵×2+离心机1 台（2.2 MPa 氮气中抽10×103m3/h、末端排压6.5 MPa氮气24×103m3/h）。

方案三。0.4 MPa 氮气直接从下塔抽取，2.2 MPa 氮气由下塔取压力氮气进一步加压，6.5 MPa氮气由下塔抽取液氮加压气化复热。主要设备配置：液氧泵×2+液氮泵×2（6.5 MPa 排压）+氮压机×2（2.2 MPa 排压，体积流量10×103m3/h）。优点是氧气提取率较高，液氩产量增加，空压机组较小，工况调节较为灵活，总能耗较低；缺点是选择活塞机检修频繁稳定性差，选择离心机氮气放散量大难匹配，占地面积增加。

方案四。0.4 MPa 氮气直接从下塔抽取，2.2 MPa氮气、6.5 MPa氮气由下塔抽取液氮加压气化复热。主要设备配置：液氧泵×2+液氮泵×4（其中6.5 MPa 排压2 台，2.2 MPa 排压2 台）。优点是占地面积小，流程简单，设备故障点少，运行稳定，操作人员少，检修维护工作少，液氩产量增加；缺点是氧气提取率低，空压机组较大，运行消耗较高，变工况时放散损失大。

比较这4个方案：

1）工厂布置以优化简洁为趋势，由此首推方案四。

2）从效益来说，方案二有明显优势，尤其是短期氮气需求没有跟上的时候。但是对比的时候没有考虑需要增加人员的问题，如果考虑到管理成本以及每班增加1 人（2 台活塞氮压机的开停，班组增加人员符合生产实际，预计每年增加人工支出成本60 万元。离心机因为负荷变动大，用在此方案内效率打折严重），则在未来氮气需求逐步实现符合预期的增长之后，该方案的效益方面就没有任何优势，甚至于考虑到液体产品产量需要根据市场调节的话，方案四的总体评价会持平甚至好于方案二。

3）从方案配置来说，方案四和方案二，一个趋向于简洁，一个趋向于降耗；方案一、三介于两者之间，属于每样都没做到极致。

4）土地的重要性不能简单地以内部土地价格来衡量，方案二多了上百平方米的土地，但产出不显。

综合以上因素，笔者筹建的项目选择了方案四，氮气流程为6.5 MPa 氮气双泵、2.2 MPa 氮气双泵、0.4 MPa氮气下塔直接抽取气氮，在推进项目的同时，同步推进其他用户的开拓和其他气体供应单位的整合。

2.3 液体膨胀机

液体膨胀机工作原理类似于水轮机发电，是将流体能量转换为旋转机械能量的动力设备，它带动发电机旋转产生电能。液体膨胀机和发电机连在一起称为液体膨胀发电机组。他的主要作用是替代高压液空进下塔高压节流阀。

采用液体膨胀机替代高压液空节流阀的主要原因是，高压液空需要送入下塔参与精馏，高压液空和下塔存在较大压差，需要经过高压节流阀节流降压后才能进入下塔，在这个过程中，节流是典型的不可逆过程，节流的高压液体能量不仅被白白浪费，而且使得高压液空含湿量降低，进而造成空分设备产品提取率降低，总能耗增加，同时高压液空节流阀伴有气蚀现象，大大缩短了使用寿命，进而影响到整套空分装置的运行周期和经济性问题。采用液体膨胀机可有效回收流体的能量，同时减少以上负效应。高压液空节流阀与液体膨胀机的对比（39×103m3/h 空分模拟数据）见表2。

由表2可以看出，采用液体膨胀机每小时可减少功率消耗1.04 MW，使空分流程的能耗降低约3.3%；某43×103m3/h 空分装置采用液体膨胀机每小时可减少功率消耗1.19 MW，使空分流程的能耗降低约3.5%[4]。液体膨胀机因为价格高昂，所以一般的更适合大空分选用，其降耗效果明显，40×103m3/h 的空分装置是否选择液体膨胀机要根据自身的情况来定。

表2 高压液空节流阀与液体膨胀机对比Tab 2 Comparison between high-pressure liquid-air throttle valve and liquid expander

项目所处区域电价较高，达到0.7元/(kW·h)，所以虽然筹建的空分规模不大，但是整体降耗产生的效益依然十分可观，配置液体膨胀机更加合适。

3 结束语

所筹建的空分，结合自身的情况，从安全和效益2方面进行了对比分析，选择了安全和效益兼顾的内压缩八泵流程并配置液体膨胀机，满足后系统合成氨39×103m3/h 氧气、45×103m3/h 氮气的需求，液体产量可以根据市场需求及后系统用气情况调整，同时主要能源消耗3.4 MPa蒸汽消耗量在120 t/h 以内，实现装置的本质安全、占地省、流程简洁、人员精简、运行成本低。

空分的流程配置仍有大量细节需要每个筹建者、供货商去考虑，根据每个项目的特点和需求，进行针对性的分析和选择，兼顾安全和效益，流程优化选择大有文章可为。