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变压吸附制氧系统、空分装置和系统大揭秘!
2021-04-21

 

 
大家对各类变压吸附制氧、压缩机、汽轮机并不陌生,但是他们在空分环节的作用,你是否真正了解?工厂里的空分车间,你知道是什么样的吗?空分,简单地说,就是用来把空气中的各组份气体分离,生产氧气、氮气和氩气的一套工业设备。还有稀有气体氦、氖、氩、氪、氙、氡等。
 
变压吸附制氧
    氧气作为工业生产的重要能源气,广泛应用于冶金、化工、玻璃、污水处理、医疗、造纸等行业;工业氧气的主要生产途径有:深冷分馏法、变压吸附法(VPSA)、膜分离法。在我国,传统的制氧方法主要是深冷分馏法,其主要特点是氧气纯度高(≥99.6%O2),副产品多(可同时生产高纯氮气和氩气),其缺点是单位氧能耗高、建设投资大,氧气生产成本高;变压吸附(VPSA)法具有工艺流程简单,制氧过程在常温常压下实现,装置运行安全可靠,建设投资省、单位氧气能耗低、自动化程度高、操作人员少(甚至在生产过程中无人值守)、开停车时间短(一般在30min内能满足生产使用要求)、适应性强,氧气纯度可以在50%~95%之间任意调整,负荷可在30%~110%范围内随意变化。其缺点是产品单一,纯度不高。膜分离法是90年代初才发展起来的高分子分离技术,其处理量较小,氧气纯度在25%~40%左右,目前所使用的膜件主要靠进口,价格较高,该技术还有待于进一步提高。
    我国在60年代末期开始变压吸附法的研制,在80年代后期才实现小型装置的工业化,以至于在70、80年代,我国的中、大型变压吸附制氧装置还主要依赖进口。经过十多年的发展,我国在变压吸附制氧技术上已取得较大的技术突破,特别在装置关键技术制氧专用吸附剂和程控阀门、以及动力设备的合理选择和配置上已全部实现国产化,并且在经济性能指标和产品技术性能上均优于国外同类产品,在无需高纯氧气的生产中,变压吸附制氧法已发展成为世界上获取低成本氧气的主要方法,它正在表现出强烈的竞争能力。
      目前,我国大型变压吸附制富氧装置单系列产氧量已达到15000Nm3/h(折合纯氧)的设计和生产能力,产品氧气纯度根据不同的使用工况可以在50%~95%O2之间任意确定,由于变压吸附的一个显著特点是:产品氧气纯度越低,原料空气中的氧收率越高,一套VPSA装置产品氧纯度的确定,主要考虑专用制氧吸附剂的产氧性能、后续用氧单元所需富氧的使用条件等因素,根据综合投资性能比来合理选择装置的产氧纯度;一般工业生产中装置氧气纯度的确定有两种:90%~93%O2和70%~80%O2;不同的产氧纯度,装置单位产品氧气的综合能耗也不一样,我国目前已投运的VPSA制氧装置的单位制氧综合电耗在0.35左右,装置无故障生产周期大于两年,主要的工艺运行数据和设备安全连锁均集中在主控制室内由计算机统一自动管理调节,甚至可以实现无人化操作和远程控制,有效地降低了生产管理成本和操作人员的劳动强度。
      以前我国的VPSA制富氧装置所采用的吸附剂主要依赖于进口,不仅价格高、而且所能选用的吸附性能也不是国际上最好的产品,造成氧收率低,装置配套装机容量大,制氧能耗明显偏高,吸附剂用量较大、投资成本高等弊病;另一方面,气动程控蝶阀的口径也是制约装置规模扩大的主要因素,由于VPSA制氧装置必须要求程控蝶阀不仅要有高密封性能,同时要求开关速度很快(小于2秒),一般小口径的气动蝶阀容易满足此要求,但是若口径较大(大于DN600)的程控蝶阀,一般的气动阀门很难满足VPSA制氧工艺要求,往往造成装置在程控阀门上的故障率成倍增加,而且大口径的双偏心蝶阀,其软密封性能也很难在高频率的开关过程中长期得到保证,这两种关键技术产品曾一度制约着我国大型变压吸附制氧装置的开发建设进度,该问题也是目前国外同类装置发展所面临的主要技术难题。
    随着我国对变压吸附装置的不断研究和开发,在吸附剂和大口径程控蝶阀的开发生产取得突破性的发展,成功地研制并生产了在低压力条件下N2/O2分离系数更高、吸附容量更大、强度更高、使用寿命更强的新型专用制氧吸附剂,其N2/O2分离系数比传统的硅铝酸盐制氧吸附剂提高近两倍,对N2的吸附容量提高了近70%左右,该吸附剂的使用,比传统同类装置减少吸附剂装填量近50%,对空气中的O2收率明显提高,减少了鼓风量及抽真空量,节能效果相当明显,实现了变压吸附制氧装置单位氧气能耗≤0.35KWh/Nm3的世界先进水平,为大型制氧装置的发展提供了有力的基础保证。同时,大口径液压驱动三偏心全金属扭矩程控蝶阀的研制、生产和在PSA工业装置上的成功投运,不仅解决了程控蝶阀的长周期密封性能,而且高压力的机械油驱动,为程控阀门的快速开关提供了有力的保证,目前国内已能提供口径为DN2000的快速开关程控蝶阀(开关速度<2秒),这是我国实现大型变压吸附制氧装置大型化的关键技术,同时也大大降低了装置的投资成本,使我国VPSA制富氧装置可以达到15000Nm3/h(折合纯氧)的生产能力。
     当然,在大型变压吸附制富氧装置的设备选型和非标设备的设计中,我们不仅要考虑动力设备的长期安全运行,同时还要考虑装置所带来的二次环境污染隐患,主要体现在动力设备的噪音污染问题上;要尽量选用低噪音的动力设备配置,将装置所带来的噪音控制在工厂环保技术允许的范围内。
     在工业生产中,许多场合的生产工艺并不需要高纯度的氧气,而只需23%~95%的富氧空气,若采用传统的深冷分馏法制氧装置,不仅氧的成本高、一次性投资大,而且单位氧能耗也偏高;若采用变压吸附制富氧装置,会明显地降低生产成本。比如:我国提倡钢铁企业中高炉炼铁采用富氧喷煤技术,借富氧来提高喷煤量和置换比可以大幅度增产节焦,降低成本,改善炉内热能利用;目前高炉富氧鼓风含氧量一般为24%~30%,在高炉鼓风机吸风口或出风口进行混合后送至高炉,若采用大型变压吸附制富氧装置来提供氧气.一般其产品氧气纯度在70%~80%时其经济性能比最佳,此时单位氧气的综合生产成本在0.25元/(Nm3·100%O2)以内。在电炉熔炼废钢的生产中,采用变压吸附制富氧装置进行供氧,此时装置供氧纯度在92%~94%O2就能满足生产要求,一方面可以提高生产能力,同时吨钢电耗量会明显减少,为企业带来新的利润增长点和市场竞争力。
关于锦程

      昆山锦程气体设备有限公司 是一家从事气体及气体设备应用研究开发的公司。十多年来依托优势,公司不仅拥有一支很好的管理团队,还有完善的硬件设施及经验丰富的队伍,完善合理的管理体系使公司能够在各个方面都力争做到更好。公司致力于各类工业气体设备的研发、设计、生产、销售及相关服务和提供技术咨询及解决方案,涵盖氧气等各类工业气体发生、制取及分离、设备租赁。我们为众多厂家提供了的服务。昆山锦程气体设备有限公司(昆山锦湖工程技术有限公司)是生产VPSA/PSA制氧设备厂家。南钢、江铜、云锡、 晨鸣、理文、海诚、台玻、招金集团等富氧设备供应商。 国内规模较大的纸桨漂白85%市场。铜、锑、玻璃、多晶硅等富氧燃烧。云景林纸业15年国内钙分子筛较长的可靠运行记录。

采用国际较先进锂分子筛。 二十年国内200多套制氧设备安全可靠运行。占据制氧行业1/3市场份额。纸浆氧漂80%市场。48小时飞行服务。绿色贡献中国。产品遍及亚非拉。我们开创了国内变压吸附制氧 在低温下运行的先河、大型锂型、钙型设备。用于铅、锌、铜节能降耗、富氧顶吹、底吹技术,玻纤、纯碱、化工、有色冶炼。设备成功率。 我们开发了先进的加压吸附制氧流程 诚恳做人、的真诚服务。继续维护昆山制氧在国内的优良声誉。 锦程制氧、绿色中国。
空分设备
 
空分设备是以空气为原料,通过压缩循环深度冷冻的方法把空气变成液态,再经过精馏而从液态空气中逐步分离生产出氧气、氮气及氩气等惰性气体的设备,广泛应用于传统的冶金、新型煤化工、大型氮肥、专业气体供应等领域。
简单来说就是空分的系统流程包括:
压缩系统
预冷系统
纯化系统
换热系统
产品送出系统
膨胀制冷系统
精馏塔系统
液体泵系统
产品压缩系统
我们按照空分系统流程对设备进行一一介绍:
压缩系统
自洁式空气过滤器汽轮机空压机增压机仪表压缩机等。
(1)自洁式过滤器一般随着气量的增大,滤筒数增多,层数也越高,一般2.5万等级以上双层,6万等级以上三层布置;一般单台压缩机需要单独布置过滤器,同时布置在上风口。
(2)汽轮机是高压蒸汽进行膨胀做功,带动同轴叶轮转动,从而实现进行对工质做功的型式。汽轮机一般常用的有三种形式:全凝、全背压和抽凝,较为常用的是抽凝。
(3)空压机一般大型空分装置投资均为单轴等温型离心压缩机,进口较国产能耗低2%左右,投资高80%;空压机采用出口放空,不设置回流管路,一般有最小吸入流量防喘振要求,采用入口导叶进行流量调节,进口国产机组均是四级压缩三级冷却(末级不冷却)。主空压机配备一套水洗系统,用以冲洗各级叶轮和蜗壳表面沉积物。该系统随主机成套。
(4)增压机一般大型空分装置投资采用单轴等温型离心压缩机和齿轮式离心压缩机两种,其中齿轮式在能耗上占较大优势,尤其压比较大的工况。
 
(5)仪表气压缩机一般有三种形式:无油螺杆机,活塞式和离心式。由于活塞式和离心式天然无油,所以不需要除油装置,只需要配套干燥装置(除水)和精密过滤器(除固体颗粒)即可;而螺杆机一般有有油和无油然后除油两种,喷油螺杆机需要设置除油装置,同时需要设置精度非常高的除油过滤器,以满足工艺要求,这种机型的优势是价格较便宜;无油螺杆采用干转子或者水润滑,这种机型优点是绝对不含油,缺点是价格较贵。气量500Nm³/h以下适合选活塞式;气量在2000Nm³/h以下适合选螺杆机或活塞机;气量在2000Nm³/h以上即三种机型都可以选,气量大时离心式压缩机较有优势,其易损件较少,同时好维护,性价比较高。仪表压缩机在开车时使用,正常运行后由分子筛纯化器后抽取。
预冷系统
预冷系统空冷塔有两种形式:闭式循环(空冷塔分为上下两段,冷冻水在空冷塔上段和水冷塔之间循环)和开式循环(进循环水系统),闭式循环主要应用于水质不好的化工厂,需要补充新鲜水及药剂;开式循环应用较广,但是循环水系统同样也需要定期补充新鲜水,预冷系统还需要考虑夏天工况。
 
空冷塔一般设计为底部为1米φ76不锈钢鲍尔环(耐高温),3米φ76增强型聚丙烯鲍尔环(大通量),4米φ50增强型聚丙烯鲍尔环。
水冷塔也有两种:两段式(无外加冷源时,干燥污氮气的冷量回收充分,使之预冷系统有保障,但是阻力大一倍,(7米+7米φ50聚丙烯鲍尔环)和一段式(有外加冷源时,8米φ50聚丙烯鲍尔环)。此外,预冷系统一般所有进水均要设置过滤器(一般6台:4台水泵,水冷塔进水,冷水机组蒸发侧进水),防止杂质带入系统。预冷系统的效果检测为:下段4米填料段出口气比进水低1℃;上段8米填料段出口气比水高1℃,一般在空冷塔中部设置测温计(伸入内部)。
纯化系统
纯化系统采用的的吸附器有立式轴向流,卧式双层床和立式径向流三种。
立式轴向流主要用于1万等级(直径已经到4.6m)以下空分设备的配套,床层厚度1550∽2300mm,双层单层均可布置,立式轴向流吸附器的气流分布最好。
卧式双层床主要用于大中型空分设备的配套,床层厚度1150mm(分子筛)+350mm(铝胶)。
立式径向流吸附器可以有效利用容器内部空间,使得同直径吸附层面积扩大1.5倍左右,这样可以有效降低塔器高度,同时立置方式占地面积较小。由于气流分布均匀,不像卧式吸附器气流不均,使得分子筛用量减少20%,再生能耗也节省20%。但是立式径向流缺点是气流中心集中(扇形区),使得其比卧式穿透时间要快(要求CO2<0.5ppm)。床层厚度1000mm+200mm,立式径向流可以满足2万等级以上的空分设备的配置。
再生加热有电加热器和蒸汽加热器两种方式。
蒸汽加热器有卧式(4万等级以下),立式(4万等级以上),立式高效蒸汽加热器(蒸汽利用率高,节能20%)布置方式有:一台蒸汽加热器(有H2O泄漏测点);电加热器(两用一备或者一用一备)并联(高温低流量联锁停设置,防止烧坏,加热管材质为1Cr18Ni9Ti);电加热器(满足活化再生,250∽300℃)与蒸汽加热器并联;电加热器与蒸汽加热器串联(蒸汽温度低时,不过造成再生阻力较大)。对纯化系统还需要设置节流再生管路以满足开车需要。另外再生气侧设置安全阀,蒸汽加热器侧设置安全阀,防止设备或者阀门压力高侧泄漏或者超压,以及节流超压。再生流路配置手动蝶阀来调配阻力,以使得主塔运行稳定(或者不设置,采用总管设置调节阀时序调节)。
换热系统
换热系统严格来说多股流混合介质设计在同一换热器里,让各介质传热自动平衡,能耗最低,但是这样对于内压缩流程会造成全部换热器均为高压换热器,会造成投资的积聚增加,所以2万等级以上内压缩换热器组织还是采用高低压分开的办法,更为经济些,2万等级以下采用全部高压换热器配置。
产品送出
低压氧氮产品,设置产品调节阀与放空流路,放空进消音器(氮气内件为碳钢,氧气内件为不锈钢)。污氮气设置去水冷塔放空(起污氮气放空作用、调配再生气以及调整上塔压力的作用,要求水冷塔塔径能够满足泄放要求,尤其有氮气也通入的场合,不能使上塔压力憋高,水冷塔阻力6kPa(8米高填料),管路及阀门4kPa,对大气放空压差2kPa,总共12kPa)。
高压氧气产品,放空采用两级节流,先是高压产品气节流至10barG,经过偏心异径管,中间设置蒙乃尔降噪板,再通过偏心异径管扩大管路直径,氧气介质流速控制在10m/s以下,再通入消声塔节流放空,消声元件不锈钢;高压氮产品,氮气产品先节流至10bar,通过不锈钢降噪板,再通入消声塔节流放空,消声元件碳钢;氧气阀门要求不得人去操作(调节阀禁带手轮,手动阀放置防爆墙内)。
消声塔还可以与压缩机系统放空合二为一,空压机增压机降噪(按照空压机量计算),通入消声塔,以及纯化系统泄压空气,增压机打回流,泄放部分。
膨胀制冷系统
膨胀机一般有三种,即低压膨胀机中压膨胀机液体膨胀机
对于一定类型的气体膨胀机来说,工质体积流量越大,效率越高。一般流量8000Nm³以上的低压膨胀机效率为85∽88%,流量小于3000∽8000Nm³效率会低至70∽80%。
中压膨胀机一般采用一台进口一台国产(备用)。气量8000Nm³/h以上进口膨胀机效率82∽91%(增压端少4个点);国产膨胀机效率78∽87%(增压端少5个点)。膨胀机启动前需要先吹扫(除去管系杂质,膨胀机蜗壳内杂质),再通密封气(正常时由增压端提供),然后进行油系统外循环,内循环,做完联锁测试然后方能启动,冷试合格后冷紧;冷启动需要启动油箱加热器,正常运行后不需要,此时轴承的冷热已经平衡。
液体膨胀机本质是利用高压液体的压力头来进行水力做功(同时液体焓值降低,但是与气体相比,相差甚远),一般4万等级以上内压缩空分设备均可用液体膨胀机代替高压液空节流阀。它的优势为利用液体膨胀机制冷和膨胀功发电达到节能目的,一般可实现节能2%左右,但是其投资达千万元。
 
精馏塔系统
下塔1.5∽5万等级采用筛板塔较多,环流塔板在1.5万等级以下直径塔较有优势(液体流程较对流长,但是制造复杂),对流3万等级以下应用较多,1.5万等级以上较占优势,四溢流在3万等级以上大塔较占优势,填料塔能耗较低,不过下塔高度要增加5米左右。5万等级以上空分较占优势,尤其上下塔平行布置的情况。
上塔、粗氩塔及精氩塔采用填料塔,厂家一般为苏尔寿或天大北洋,对粗氩塔冷源配置一般是富氧液空,同时可将废气放散入污氮气管路,氩系统停运时能耗低;精氩塔热源为富氧液空,或下塔氮气,冷源可以是贫液空或者液氮,进料有液相和气相两种。需要注意的是粗氩塔冷凝器板式的密封性要求较高,否则会导致氩产品不合格。
主冷有单层,立式双层、卧式横列双层,立式三层和降膜主冷(液氧与气氧向下,与氮气同流向)。
精馏塔系统的布置有6种方式:
(1)上下塔垂直布置,为常规布置方式,高度较低,无下塔液体难以进入上塔或者粗氩塔冷凝器的状况(管路全液相上行背压能够满足,此时管径不能小);
(2)上下塔垂直布置,为常规布置方式,高度适中,下塔液体难以进入上塔或者粗氩塔冷凝器采用设置汽提管路带液体去上塔(要求管路出口满足ρυ²>3000,ρ为密度,υ为流速,进气位置在管路汽化率为1%高度处,此时需要适当缩小管径,同时液体过冷度不能大);
(3)上塔自氩馏分段落地布置,采用两台循环氧泵连接,降低上塔高度可以解决下塔液体无法进入上塔或者粗氩塔冷凝器的状况;
(4)上塔自氩馏分段落地布置,采用循环泵连接,粗氩塔最上段座在上塔上部,这样可以使冷箱空间缩小;
(5)上塔自主冷落地布置,采用循环泵连接,主冷在下塔顶部,优点是主冷可以做的很大;
(6)上塔自主冷落地布置,采用循环泵连接,粗氩塔最上段座在上塔上部,优点是主冷可以做的很大,同样可以使冷箱空间缩小。
 
液体泵系统
 
 
卧式泵水平布置(进液管低于排液管),需要设置加温气(设置在泵后,或者泵前过滤器前,防止杂质进入),密封气,排液排气阀(低处排液,高处排气)和回流管路(回液进气相),卧式泵转速不能太高,一般排压30barG以下,卧式泵由于水平布置,冷态收缩轴承受力较好,但是转速高转子动平衡不好满足。
立式泵采用轴承悬挂式布置(进液管高于排液管),承受向下拉力较大,转子重心与轴重合,转速可以很高;一般30bar以上,需要设置:泵前回气(注意卧式泵无),加温气(设置在泵过滤器前,高处进气), 密封气,排液排气阀(低处排液,高处排气,预冷时看是否冷透)和回流管路(回液进气相)。立式泵一般均是多级,回气管路要求不得向下(平出,或者倾斜向上),否则会造成气体不能排出,易导致泵汽蚀。另外低温泵电机需要设置吹风管路,防止夏天过热,冬天结霜。
液氧泵液氮泵在线冷态备用,其中液氮泵密封气密封气压力7barG以上;氧泵密封气压力4barG(下塔压力氮气即可满足);循环液氩泵,一用一备,密封气一般采用液氩汽化密封,要求流量有20%的余量。一般液氩泵自身回流阀压力-旁通控制,出口阀流量-液位控制,采用双回路控制。
 
产品压缩系统
氮透一般压缩空气的均可满足,氮气透平压缩机压力较高采用齿轮式较为节能。
 
氧透根据排压有单缸(压力低)和双缸(高压缸和低压缸)(8级压缩至30bar),一般30barG以下,需要设置5barG的密封气(压力氮气可满足),同时由于氧气介质有高压高温火患原因,所有过流部分均采用铜合金,需要设置保安氮气,一般由工程设计院考虑;进口氧透价格较高,为国产2倍左右,一般不采用,目前一般均杭氧氧透,排压3∽30barG,流量8000Nm³/h以上均可满足。但是流量小,氧透效率较低,一般8000Nm³/h(55%)∽80000Nm³/h(68%)。
 
氧透一般应用于外压缩流程,从3∽30barG均有,不过一般要和带增压机的内压缩流程(效率一般70%以上,也有流量限制,效率要较氧透高10个点以上,这样甚至可以抵消外压缩较内压缩少复热附加能耗损失的优势,但是内压缩用于钢厂排压需要提高,以免换热系统波动)进行能耗比较,最后确定方案。
 

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