提高低溫空分制氧系統氧氣提取率的研究

祝 艷，趙世民，蔣鵬儀

（1.昆明市環境監測中心,云南 昆明 650228；2.昆明綠島環境科技有限公司，云南 昆明 650228；3.云錫股份有限公司銅業分公司動力車間，云南 個舊 661000）

氧氣的制取一般是經過空氣分離的手段而獲得，也有少量的來源于電解水和其他方法[1]。因為空氣是最廉價的制氧原料，所以傳統上的空分技術大都以空氣為原料。有代表性的空分技術主要有:深度冷凍法(cryogenic，簡稱深冷法)[2]、變壓吸附法(pressure swing adsorption，簡稱PSA)[3]、膜分離法 (membrane separation)[4]以及多方法耦合空分技術[5]。深冷法制氧，也稱為低溫法，以空氣作為原料，利用空氣中所含氧、氮各組分沸點不同的性質[6]，通過壓縮、冷卻、凈化、膨脹制冷、液化分餾以實現空氣中氧、氮的分離。由于分離氧、氮需要在90K 以下的溫度進行，因此這種方法被稱為深冷（深度冷凍）法或低溫法。從德國人卡爾·林德發明低溫精餾工藝以來，深冷法已經進入工業將近百年了，尤其是在大規模空氣分離領域應用廣泛[7]。深冷空分在可以制取氧氣的同時，也可以制取氮氣甚至氬氣等特種惰性氣體，并且具有較低的運行成本以及較高的產品氣純度。國外深冷空分技術的發展很快，國內引進深冷空分技術并經過消化吸收，目前已發展到了第六代技術，精餾塔一般采用新材料填裝和全精餾無氫、無氬工藝[8]。隨著高新技術的飛速發展，制備的工業氣體純度也越來越高。當前，氧氣純度由99.6%提高到了99.995%。氣體產品從單純氣體發展成氣液并舉。

某企業雙頂吹銅冶煉項目配套的KDON18000/6000/200Y 型空分機組采用深冷空分制氧工藝，以空氣作為原料，在90K 以下的低溫環境中實現氧、氮的分離，具有氧氣產量大、純度高、單耗小的特點，但生產過程中存在氧氣利用率低的問題。本文結合機組的特性以及銅冶煉工藝中對氧氣周期性使用的特點，通過調節機組負荷來改變氧氣、液氧的產出比例，實現氧氣的最大化利用問題。

1 KDON 型空分制氧工藝

圖1 是某企業空分制氧系統工藝流程圖。原料空氣經自潔式空氣過濾器中去除灰塵和機械雜質后，被吸入空氣透平空壓機，被壓縮到約0.45MPa，空氣在壓縮過程中釋放出大量熱量。高溫空氣進入空氣冷卻塔。在空冷塔下部，首先與常溫水換熱，空氣被初步降溫后繼續上升進入空冷塔上部，與水冷塔制取的冷凍水換熱，水冷塔利用來自分餾塔低溫且干燥的污氮、氮氣的與常溫水換熱，使水溫降低至10℃左右。空氣最終被空冷塔冷卻至20℃左右。在降溫過程中，空氣中的飽和水蒸氣析出，可溶于水的CO2等雜質及粉塵被水沖走，冷卻后的空氣進入交替使用的分子篩純化器。空氣所含中的H2O、CO2以及烴類被分子篩所吸附。

圖1 KDON18000/6000/200L 空分制氧系統工藝流程

出純化器的原料空氣分成三路：第一路通過調節閥進行分流，分別進入六組并聯的主換熱器，與出分餾塔的氮氣和污氮換熱降溫后節流進入分餾塔下塔分餾；第二路經增壓機進一步壓縮至1.2MPa左右后經冷卻器冷卻，進入主換熱器，與出分餾塔的液氧換熱后冷凝為液態節流進入分餾塔下塔參與精餾。自這部分高壓液空節流制冷產生冷量大約占總制冷量的20%；第三路進入增壓透平膨脹機的增壓端增壓至0.6MPa 左右后再經冷卻器冷卻，然后進入主換熱器與出分餾塔的污氮換熱冷卻至-100℃左右后從主換熱器中部抽出[9]，進入增壓透平膨脹機的膨脹端，膨脹后溫度降至-160℃左右進入分餾塔上塔參與精餾。這部分膨脹空氣產生的冷量大約占總制冷量的80%。

進入分餾塔的大部分空氣經下塔初步分餾后，在下塔底部獲得氧含量在30%左右的富氧液空、在下塔上部得到高純氮氣，這部分氮氣在冷凝蒸發器冷凝側被上塔液氧冷卻成為液氮。從下塔底部、中部和頂部分別抽取富氧液空、液空、液氮進入過冷器經上塔送出的污氮氣和氮氣冷卻至過冷狀態，節流后進入上塔進一步精餾。進入上塔的產品經進一步精餾，在上塔底部冷凝蒸發器蒸發側獲得純度為98%以上的液氧。液氧經液氧泵送入液氧蒸發器[10]，與被增壓的原料空氣換熱氣化后得到最終產品氧氣。多余的液氧則送入液氧儲罐。在上塔頂部得到高純氮氣，經過冷器、主換熱器復熱后作為產品氮氣經氮壓機送出，其余送入水冷塔用于制取冷凍水。在上塔中部抽出含有部分氧氣、氬氣的污氮氣，經過冷器、主換熱器復熱后作為分子篩純化器再生氣使用，其余和氮氣一同送入水冷塔制取冷凍水。

2 影響因素和討論

本套透平空壓機的負荷調節主要依靠進口導葉實現，導葉通過可轉動的連桿機構控制葉片的旋轉角度，以實現導葉開度的控制，從而實現流量的調節。

2.1 導葉開度對機組的影響

在不同溫度下條件下調節導葉開度記錄隨之變化的機組進氣量如表1。

表1 不同的導葉開度對應的機組進氣量

從表1 中看出，隨著空氣溫度上升，在熱膨脹的作用下，空氣比容升高，因此隨著溫度的上升，空壓機進氣量呈下降趨勢。同時隨著導葉開度的變化，氣體流道面積隨之增加，因此隨著導葉的開啟，進氣量逐步增大。

通過計算出空壓機在在不同氣溫條件下導葉開度對應的機組效率，繪制空壓機機組效率與導葉開度的關系如圖2 所示。從圖2 中看出，機組效率隨著進氣溫度的升高而下降，隨著導葉角度的調節，在開度小于80%以前，隨著導葉的開啟，機組效率迅速上升，至開度為85%附近時效率達到最大，之后隨著導葉的繼續開啟，機組效率呈現下降趨勢。這是因為流量增大后使空壓機偏離設計工況，從而導致效率下降。

圖2 空壓機導葉開度與機組效率關系

2.2 進氣量對壓縮比的影響

調節導葉開度的同時機組排氣壓力也隨之改變，因此壓縮比也隨之變化，將機組排氣量與壓縮比的關系繪制成曲線圖，如圖3 所示。從圖3中看出，機組壓縮比隨著進氣溫度的升高而下降，這是由于氣溫高導致空氣膨脹，膨脹后的空氣消耗更多的壓縮功，導致壓縮比減少。壓縮比達到最大值后增大排氣量導致壓縮比下降，是因為空壓機排氣量增加幅度趕不上系統負荷的增加，在高負荷下空壓機出口管網氣壓難以維持，而入口氣壓不變，從而導致壓縮比下降。

圖3 空壓機排氣量與壓縮比關系

2.3 膨脹氣量對制冷量的影響

本套膨脹機組的膨脹氣量可以通過進口管旁路進行調節。調節范圍在0～8200m3/h，根據機組運行情況記錄改變膨脹氣量后機組的工況變化如表2。

表2 不同膨脹氣量下膨脹機的運行情況

由此計算不同膨脹氣量下的單位制冷量如圖4 所示。

圖4 膨脹氣量與制冷量的關系

2.4 影響絕熱效率的因素

機組絕熱效率曲線如圖5 所示。

圖5 絕熱效率與機組轉速的關系

從圖5 中看出，隨著機組轉速的升高，機組絕熱效率呈現上升趨勢。轉速到達22500r/min 達到最大值。隨后，隨著轉速的升高，絕熱效率反而下降。

2.5 產品純度與污氮流量的關系

依次記錄分餾塔負荷在70%、80%、90%、100%、110%以及120%時氧氣、氮氣純度隨污氮氣流量的變化情況如圖6。

圖6 不同負荷下氧氣純度與污氮流量的關系

從圖6 中看出，在不同負荷下分餾塔產出的氧氣純度隨著污氮氣流量的增大而提高。同時氮氣純度也隨著污氮氣流量的增大而提高。這是因為排放污氮的同時，空氣中攜帶的氬、氪、氙等氣體隨之排出。同時污氮的排放也促進了塔內氧、氮組分的分離，因此隨著污氮流量的增大氧氣、氮氣的純度均呈現上升趨勢。

但污氮排放過多會導致氮氣產量下降，這是因為隨著污氮排量的增加分餾塔壓力會隨著降低。為平衡分餾塔壓力則必須同步減少氮氣的排放。

同時污氮排放過多也會導致更多的氧組分隨著排出，影響氧氣的提取率。依次分餾塔負荷在70%、80%、90%、100%、110%以及120%時氧氣提取率與污氮氣流量的變化情況如圖7 所示。

從圖7 中看出，氧氣提取率對應不同的污氮取出量呈拋物線關系，在不同分餾塔負荷下，拋物線的頂點有所不同。

圖7 不同負荷下氧氣提取率與污氮流量的關系

在污氮流量較小的工況下，回流比增大，氣液相平衡被破壞，氧氣純度降低。此時為了保證氧氣純度，就必須增加氮氣排放，則氮氣的純度就會受到影響。

污氮的排量過大，則會造成分餾塔壓力降低，物料平衡被破壞，此時為了維持分餾塔物料平衡，就必須減少氮氣排放，則氮氣的產量就會受到影響。

3 結論

通過對制氧工藝中涉及到的透平空壓機、透平膨脹機、分餾塔以及換熱器進行優化調節，得出如下結論：

1）在空壓機調節過程中，將導葉開度控制在70%至90%之間，以維持較高的工作效率；

2）空氣流量在75000m3/h 至90000 m3/h 的范圍可以得到較為理想的壓縮比，隨著膨脹氣量增大，總制冷量也隨之增大。但是大量膨脹后的空氣直接進入上塔，這些空氣液化后會稀釋上塔回流液的含氧量，進而影響上塔精餾效果；

3）降低分餾塔負荷，氧氣提取率隨之降低，提高分餾塔負荷，氧氣提取率隨之升高，負荷變化時相應調節污氮和氮氣的流量，可以在保證氧氣產量和純度的前提下實現氧氣的最大化提取。