黃震宇，賴勇杰

(四川空分集團工程有限公司，四川 簡陽 641400)

0 引 言

隨著新興光電產業和特殊石化行業等的飛速發展,對氮氣產品的需求量越來越大,液氮的儲備和需求也越來越受到重視。氮氣作為保護氣，在工廠保安、化工開車時需要量很大，需要大量的液氮汽化來補充；而在化工開車完成后，氮氣的需求量將急劇減少，液氮的需求隨著減小。其次液氮用于貯存后備，作為裝置出故障時的保障供氣，一旦后備液氮消耗完，為保障安全供氣，需短期內大幅度提高液氮產量貯存。故一般用戶既希望制氮裝置即具備大量生產液氮的能力，還希望在氮氣需求小的時候，制氮裝置能低液體產量運行，從而降低生產能耗。典型的工藝如煤制烯烴就需要此類型高氮裝置，要求生產規模大、液體生產能力很大，且還能在低液體產量時總能耗低。筆者通過對工藝流程組織的優化，達到了提高氮提取率、降低裝置單位能耗的技術要求，為廣大用戶提供了一種能耗較低、液體負荷變化大的制氮流程設計。

1 傳統高氮流程的局限性

目前，一般制氮裝置的生產能耗較高，且由于其需要長期運行，已成為工廠里的耗能大戶，使得有效的降低制氮裝置的運行能耗對整個工廠尤為重要。但是，現有的制氮流程中，如單塔高氮流程(見圖1)，其能耗較高，液氮產量的調節受限制，工況調整較為困難，不滿足液氮產量調節范圍大的要求；而如單塔制冷循環高氮流程(見圖2)，其氮氣規模很大，但其液體量減少時能耗較高，且制氮能耗也較高，不滿足能耗低的需求。最后，雙精餾塔流程擁有提取率高的特點，但是增壓透平膨脹機的膨脹比小，液體產量受限制；液體量增大時，膨脹量增大，較大幅度的改變了膨脹總量，對塔的工況影響較大，同時操作相對困難，最大液體產量也不大，不能滿足用戶的需求，對于液體產量大的制氮裝置不太適用。

圖1 典型單塔高氮流程簡圖

圖2 單塔制冷循環高氮流程簡圖

針對上述存在的問題，一種帶制冷循環的雙塔輔冷制氮裝置，可以滿足上述提到的需求，顯著提高了液氮產量和調節范圍，同時利用高溫高焓降、膨脹比大的特點，降低了制氮裝置的能耗。

2 制氮流程裝置及工藝流程方案設計

帶制冷循環的大型雙塔輔冷制氮流程，類似于常規雙塔空分，但上塔為壓力塔，塔頂有輔助冷凝蒸發器，配膨脹空氣進上塔膨脹機和制冷循環膨脹機，工藝流程簡圖如圖3。

圖3 帶制冷循環的大型雙塔輔冷高氮流程簡圖

本流程主要設備有：制冷循環增壓透平膨脹機(ET401)、換熱器(E1)、液空液氮過冷器(E2)、液氮過冷器(E3)、主冷凝蒸發器(K1)、輔助冷凝器(K2)、下塔(C1)、上塔(C2)、輔助增壓透平膨脹機(ET402)。其中，上塔(C2)是壓力塔，上塔(C2)頂部設置有輔助冷凝器(K2)。其中換熱器(E1)既可以是分置式，也可以是合置式。

工藝簡述如下：純化后的壓力空氣分成三股，一股直接去冷箱主換熱器被返流氣體冷卻到露點進入下塔參與精餾；另一股去輔助膨脹機的增壓端，增壓冷卻后去主換熱器冷卻到一定溫度去輔助膨脹機膨脹，膨脹后去上塔參與精餾；最后一股去制冷循環膨脹機的增壓端增壓冷卻后去主換熱器進一步冷卻，去制冷循環膨脹機膨脹，膨脹后的氣體回主換熱器復熱，再去空壓機入口，形成制冷循環。

下塔經過精餾獲得液氮、較高壓力的氮氣、液空，其中較高壓力的氮氣復熱后作為氮氣產品(1)出冷箱，液氮及液空經過冷后去上塔參與精餾。主冷抽取的富氧液空節流后去上塔頂部輔冷，為輔冷氮氣的冷凝提供冷量。上塔經過精餾獲得液氮、壓力氮氣，其中液氮被返流的富氧空氣過冷后出冷箱，壓力氮氣依次經過液空液氮過冷器、主換熱器復熱后作為氮氣產品(2)出冷箱。輔冷中，來自主冷的富氧液空被蒸發，得到較高濃度的富氧空氣，經復熱后出冷箱，一部分作為再生氣去純化系統，剩余部分去預冷系統。

本工藝流程具備如下顯著的特點。

(1) 利用增壓透平膨脹機循環制冷，原料空氣壓力高，膨脹前溫度高，焓降大，具有明顯的低能耗優勢。膨脹機制冷循環方法，可通過開兩臺膨脹機及增大膨脹量而生產較多的液體，制冷量大，所需膨脹氣量小，液氮生產能耗低，為生產較多液體的工況提供保障。同時，液體產量通過制冷循環調節，對精餾系統的影響小，易于操作，保證產品質量。

(2) 可直接獲得兩種壓力等級的氮氣，一種從下塔抽取較高壓力氮氣直接供用戶使用，有利于保證上塔頂部抽取氮的品質，還可以大幅度降低氮中氬含量；另一種從上塔頂取出部分氮氣作為產品或增壓后作為產品供用戶使用。同時，可根據液體產量得需求，調節兩股氮氣抽出比例，進一步降低能耗。

(3) 可根據需要配合使用輔助增壓透平膨脹機，將空氣膨脹后送入上塔，充分發揮上塔的潛能，提高提取率；如不需要大液氮工況時，可停運制冷循環膨脹機，降低能耗。

(4) 膨脹機制冷能力覆蓋廣、液體產量調節范圍寬。

(5) 系統壓力高，制冷氣體能量密集，停運制冷膨脹機對裝置影響小，易于空壓機降負荷運行；

(6) 預處理系統小，具有流程組織優化、設備投入成本低、能耗降低顯著的特點，比較適合大型、超大型高氮裝置。

(7) 特別是開車工況通過完全停運膨脹機，外部液氮輸入冷量，最大負荷生產氣體氮氣，可增加10%的氮氣產量，進一步減少對液體的需求；通過比較液體工況，該流程比常規單塔制冷循環流程能耗降低～20%。

3 制氮工藝流程比較

以某公司設計的一套35 000 Nm3/h,9 bara，3 PPmO2制氮裝置為例；假設壓縮機、膨脹機均為進口，根據容積流量、壓縮比適當調整效率，A采用單臺制冷循環流程，B采用雙塔輔冷制冷循環流程；通過HYSYS進行模擬計算，結果如表1所列。

表1 制氮工藝流程比較

通過上表的參數對比，可以看出：

(1) 雙塔輔冷制冷循環流程的預處理系統小，設備投入成本低。

(2) 雙塔輔冷制冷循環流程的總能耗低，低液體工況比單塔制冷循環流程低約27.1%，液體工況比單塔制冷循環流程低約30%。

(3) 雙塔輔冷制冷循環流程的提取率高，液體工況比單塔制冷循環流程液體工況高約31.1%，低液體工況高約28%。雙塔輔冷制冷循環流程流程液氮增加的單耗約節能14.94%。

4 結 論

此次設計利用雙塔精餾加大氧氮的分離程度，提高氮的提取率，低液體負荷利用雙塔的精餾潛力，液體工況利用膨脹前壓力越高，膨脹前溫度越高，焓降(制冷量)大的特點，大大降低兩種工況的原料空氣量，從而達到節能降耗的目的。雖然本設計投資要略高，但裝置系長期運行， 節省運行費用非常可觀。如以上述配套5 400 m3液氮貯槽,日蒸發率0.15%，產品液氮氣化率按3%考慮，需110天才能灌滿，一罐液氮可節約能耗～51.8萬千瓦，氮氣生產1年按8 400 h計算，約節約能耗1 860萬千瓦。

(1) 雙塔輔冷制冷循環流程，其能耗遠低于常規單塔制冷循環，液體工況比常規單塔制冷循環流程，液體能耗降低約14.94%；配置一大一小兩臺膨脹機，使產品產量具有很大的調節性能，調節靈活，工況范圍覆蓋廣而且全面。

(2) 在同等產量的情況下，雙塔輔冷制冷循環流程的氮提取率更高，配套機組和預處理系統小，設備投入成本低。

(3) 由于氮提取率的提高，雙塔輔冷制冷循環流程中的再生氣含氧量將升高，但由于是低壓低純氧，再生氣加熱器的設計選型及制造上宜采用不銹鋼材質，提高燃點、防止內漏等問題，安全性就可以得到保障。再生切換閥宜選用閥芯為不銹鋼材質，再生氣出口管建議采用不銹鋼材質。