提高低溫空分制氧系統(tǒng)氧氣提取率的研究

祝 艷，趙世民，蔣鵬儀

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

氧氣的制取一般是經(jīng)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?yàn)榭諝馐亲盍畠r的制氧原料，所以傳統(tǒng)上的空分技術(shù)大都以空氣為原料。有代表性的空分技術(shù)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(shù)[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(diǎn)不同的性質(zhì)[6]，通過壓縮、冷卻、凈化、膨脹制冷、液化分餾以實(shí)現(xiàn)空氣中氧、氮的分離。由于分離氧、氮需要在90K 以下的溫度進(jìn)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(fā)明低溫精餾工藝以來，深冷法已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)將近百年了，尤其是在大規(guī)模空氣分離領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[7]。深冷空分在可以制取氧氣的同時，也可以制取氮?dú)馍踔翚鍤獾忍胤N惰性氣體，并且具有較低的運(yùn)行成本以及較高的產(chǎn)品氣純度。國外深冷空分技術(shù)的發(fā)展很快，國內(nèi)引進(jìn)深冷空分技術(shù)并經(jīng)過消化吸收，目前已發(fā)展到了第六代技術(shù)，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(shù)的飛速發(fā)展，制備的工業(yè)氣體純度也越來越高。當(dāng)前，氧氣純度由99.6%提高到了99.995%。氣體產(chǎn)品從單純氣體發(fā)展成氣液并舉。

某企業(yè)雙頂吹銅冶煉項(xiàng)目配套的KDON18000/6000/200Y 型空分機(jī)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(huán)境中實(shí)現(xiàn)氧、氮的分離，具有氧氣產(chǎn)量大、純度高、單耗小的特點(diǎn)，但生產(chǎn)過程中存在氧氣利用率低的問題。本文結(jié)合機(jī)組的特性以及銅冶煉工藝中對氧氣周期性使用的特點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷來改變氧氣、液氧的產(chǎn)出比例，實(shí)現(xiàn)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(yè)空分制氧系統(tǒng)工藝流程圖。原料空氣經(jīng)自潔式空氣過濾器中去除灰塵和機(jī)械雜質(zhì)后，被吸入空氣透平空壓機(jī)，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(jìn)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(xù)上升進(jìn)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?dú)獾呐c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(zhì)及粉塵被水沖走，冷卻后的空氣進(jìn)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(tǒng)工藝流程

出純化器的原料空氣分成三路：第一路通過調(diào)節(jié)閥進(jìn)行分流，分別進(jìn)入六組并聯(lián)的主換熱器，與出分餾塔的氮?dú)夂臀鄣獡Q熱降溫后節(jié)流進(jìn)入分餾塔下塔分餾；第二路經(jīng)增壓機(jī)進(jìn)一步壓縮至1.2MPa左右后經(jīng)冷卻器冷卻，進(jìn)入主換熱器，與出分餾塔的液氧換熱后冷凝為液態(tài)節(jié)流進(jìn)入分餾塔下塔參與精餾。自這部分高壓液空節(jié)流制冷產(chǎn)生冷量大約占總制冷量的20%；第三路進(jìn)入增壓透平膨脹機(jī)的增壓端增壓至0.6MPa 左右后再經(jīng)冷卻器冷卻，然后進(jìn)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(jìn)入增壓透平膨脹機(jī)的膨脹端，膨脹后溫度降至-160℃左右進(jìn)入分餾塔上塔參與精餾。這部分膨脹空氣產(chǎn)生的冷量大約占總制冷量的80%。

進(jìn)入分餾塔的大部分空氣經(jīng)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?dú)猓@部分氮?dú)庠诶淠舭l(fā)器冷凝側(cè)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(jìn)入過冷器經(jīng)上塔送出的污氮?dú)夂偷獨(dú)饫鋮s至過冷狀態(tài)，節(jié)流后進(jìn)入上塔進(jìn)一步精餾。進(jìn)入上塔的產(chǎn)品經(jīng)進(jìn)一步精餾，在上塔底部冷凝蒸發(fā)器蒸發(fā)側(cè)獲得純度為98%以上的液氧。液氧經(jīng)液氧泵送入液氧蒸發(fā)器[10]，與被增壓的原料空氣換熱氣化后得到最終產(chǎn)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?dú)猓?jīng)過冷器、主換熱器復(fù)熱后作為產(chǎn)品氮?dú)饨?jīng)氮壓機(jī)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?dú)猓?jīng)過冷器、主換熱器復(fù)熱后作為分子篩純化器再生氣使用，其余和氮?dú)庖煌腿胨渌迫±鋬鏊?/p>

2 影響因素和討論

本套透平空壓機(jī)的負(fù)荷調(diào)節(jié)主要依靠進(jìn)口導(dǎo)葉實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)葉通過可轉(zhuǎn)動的連桿機(jī)構(gòu)控制葉片的旋轉(zhuǎn)角度，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉開度的控制，從而實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)。

2.1 導(dǎo)葉開度對機(jī)組的影響

在不同溫度下條件下調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度記錄隨之變化的機(jī)組進(jìn)氣量如表1。

表1 不同的導(dǎo)葉開度對應(yīng)的機(jī)組進(jìn)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(jī)進(jìn)氣量呈下降趨勢。同時隨著導(dǎo)葉開度的變化，氣體流道面積隨之增加，因此隨著導(dǎo)葉的開啟，進(jìn)氣量逐步增大。

通過計(jì)算出空壓機(jī)在在不同氣溫條件下導(dǎo)葉開度對應(yīng)的機(jī)組效率，繪制空壓機(jī)機(jī)組效率與導(dǎo)葉開度的關(guān)系如圖2 所示。從圖2 中看出，機(jī)組效率隨著進(jìn)氣溫度的升高而下降，隨著導(dǎo)葉角度的調(diào)節(jié)，在開度小于80%以前，隨著導(dǎo)葉的開啟，機(jī)組效率迅速上升，至開度為85%附近時效率達(dá)到最大，之后隨著導(dǎo)葉的繼續(xù)開啟，機(jī)組效率呈現(xiàn)下降趨勢。這是因?yàn)榱髁吭龃蠛笫箍諌簷C(jī)偏離設(shè)計(jì)工況，從而導(dǎo)致效率下降。

圖2 空壓機(jī)導(dǎo)葉開度與機(jī)組效率關(guān)系

2.2 進(jìn)氣量對壓縮比的影響

調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度的同時機(jī)組排氣壓力也隨之改變，因此壓縮比也隨之變化，將機(jī)組排氣量與壓縮比的關(guān)系繪制成曲線圖，如圖3 所示。從圖3中看出，機(jī)組壓縮比隨著進(jìn)氣溫度的升高而下降，這是由于氣溫高導(dǎo)致空氣膨脹，膨脹后的空氣消耗更多的壓縮功，導(dǎo)致壓縮比減少。壓縮比達(dá)到最大值后增大排氣量導(dǎo)致壓縮比下降，是因?yàn)榭諌簷C(jī)排氣量增加幅度趕不上系統(tǒng)負(fù)荷的增加，在高負(fù)荷下空壓機(jī)出口管網(wǎng)氣壓難以維持，而入口氣壓不變，從而導(dǎo)致壓縮比下降。

圖3 空壓機(jī)排氣量與壓縮比關(guān)系

2.3 膨脹氣量對制冷量的影響

本套膨脹機(jī)組的膨脹氣量可以通過進(jìn)口管旁路進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)范圍在0～8200m3/h，根據(jù)機(jī)組運(yùn)行情況記錄改變膨脹氣量后機(jī)組的工況變化如表2。

表2 不同膨脹氣量下膨脹機(jī)的運(yùn)行情況

由此計(jì)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(guān)系

2.4 影響絕熱效率的因素

機(jī)組絕熱效率曲線如圖5 所示。

圖5 絕熱效率與機(jī)組轉(zhuǎn)速的關(guān)系

從圖5 中看出，隨著機(jī)組轉(zhuǎn)速的升高，機(jī)組絕熱效率呈現(xiàn)上升趨勢。轉(zhuǎn)速到達(dá)22500r/min 達(dá)到最大值。隨后，隨著轉(zhuǎn)速的升高，絕熱效率反而下降。

2.5 產(chǎn)品純度與污氮流量的關(guān)系

依次記錄分餾塔負(fù)荷在70%、80%、90%、100%、110%以及120%時氧氣、氮?dú)饧兌入S污氮?dú)饬髁康淖兓闆r如圖6。

圖6 不同負(fù)荷下氧氣純度與污氮流量的關(guān)系

從圖6 中看出，在不同負(fù)荷下分餾塔產(chǎn)出的氧氣純度隨著污氮?dú)饬髁康脑龃蠖岣摺Ｍ瑫r氮?dú)饧兌纫搽S著污氮?dú)饬髁康脑龃蠖岣摺＿@是因?yàn)榕欧盼鄣耐瑫r，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(jìn)了塔內(nèi)氧、氮組分的分離，因此隨著污氮流量的增大氧氣、氮?dú)獾募兌染尸F(xiàn)上升趨勢。

但污氮排放過多會導(dǎo)致氮?dú)猱a(chǎn)量下降，這是因?yàn)殡S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?dú)獾呐欧拧?/p>

同時污氮排放過多也會導(dǎo)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(fù)荷在70%、80%、90%、100%、110%以及120%時氧氣提取率與污氮?dú)饬髁康淖兓闆r如圖7 所示。

從圖7 中看出，氧氣提取率對應(yīng)不同的污氮取出量呈拋物線關(guān)系，在不同分餾塔負(fù)荷下，拋物線的頂點(diǎn)有所不同。

圖7 不同負(fù)荷下氧氣提取率與污氮流量的關(guān)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?dú)馀欧牛瑒t氮?dú)獾募兌染蜁艿接绊憽?/p>

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?dú)馀欧牛瑒t氮?dú)獾漠a(chǎn)量就會受到影響。

3 結(jié)論

通過對制氧工藝中涉及到的透平空壓機(jī)、透平膨脹機(jī)、分餾塔以及換熱器進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，得出如下結(jié)論：

1）在空壓機(jī)調(diào)節(jié)過程中，將導(dǎo)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(jìn)入上塔，這些空氣液化后會稀釋上塔回流液的含氧量，進(jìn)而影響上塔精餾效果；

3）降低分餾塔負(fù)荷，氧氣提取率隨之降低，提高分餾塔負(fù)荷，氧氣提取率隨之升高，負(fù)荷變化時相應(yīng)調(diào)節(jié)污氮和氮?dú)獾牧髁浚梢栽诒ＷC氧氣產(chǎn)量和純度的前提下實(shí)現(xiàn)氧氣的最大化提取。