化工空氣分離裝置的工藝優(yōu)化和技術(shù)改進(jìn)

及輝(青海鹽湖元品化工有限責(zé)任公司，青海 格爾木 816099)

0 引言

文章介紹了從空氣中分離工業(yè)氣體的過程，并指出了每個過程的經(jīng)濟(jì)或其他限制。對于裝有燃?xì)廨啓C(jī)或作為副產(chǎn)品有大量多余熱量或能量的設(shè)施，介紹了低溫和非低溫工業(yè)燃?xì)饬鞒痰募蓹C(jī)會。與這些特性相關(guān)的過程通常是氧氣吹煉、部分氧化、 f-t 工廠，它們生產(chǎn)化學(xué)品、燃料、動力、合成氣或合成原油產(chǎn)品，同時提出了低溫工業(yè)氣體發(fā)電廠和整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備的集成解決方案。

1 非低溫工業(yè)氣體加工技術(shù)概述

1.1 吸附

吸附過程是基于一些天然和合成材料優(yōu)先吸附氮的能力。在沸石的情況下，非均勻電場存在于材料的空隙空間中，導(dǎo)致分子的優(yōu)先吸附，這些分子與那些具有較大的靜電四極矩的分子一樣，更易極化。因此，在空氣分離中，氮分子比氧分子或氬分子吸附得更強(qiáng)。當(dāng)空氣通過沸石物質(zhì)層時，氮氣被保留下來，富氧氣流離開沸石層。碳分子篩的數(shù)量級和空氣分子一樣大。由于氧分子比氮分子稍小，它們擴(kuò)散進(jìn)入吸附劑的空腔的速度更快[1]。因此，碳分子篩對氧有選擇性，分子篩對氮有選擇性。沸石通常用于基于吸附的氧氣生產(chǎn)過程。壓縮空氣進(jìn)入裝有吸附劑的容器。氮氣被吸附，富含氧氣的廢水流被產(chǎn)生，直到床被氮氣飽和。在這一點上，進(jìn)料空氣被切換到一個新鮮的容器和再生的第一床可以開始。可以通過加熱床層或降低床層壓力來實現(xiàn)再生，從而降低吸附劑的平衡含氮量。加熱通常稱為變溫吸附(TSA) ，減壓通常稱為變壓或真空變溫吸附(PSA或VSA)。減壓循環(huán)周期短，操作簡單，是空分設(shè)備的首選工藝。影響操作效率的工藝變化包括分別對空氣進(jìn)行預(yù)處理以去除水和二氧化碳，在床層切換期間允許壓力能量回收的多床，以及減壓期間的真空操作[2]。根據(jù)產(chǎn)品流程、純度、壓力、能耗和預(yù)期使用壽命對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。氧氣純度通常是93%～95%體積。

1.2 聚合物膜系統(tǒng)

使用聚合物材料的膜過程是基于氧氣和氮氣通過分隔高壓和低壓過程流的膜的擴(kuò)散速率的差異。通量和選擇性是決定膜系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的兩個性質(zhì)，兩者都是特定膜材料的功能。膜通量決定了膜的表面積，是壓差除以膜厚度的函數(shù)。隨著膜的類型而變化的比例常數(shù)叫做滲透率。選擇性是待分離氣體的滲透率之比。由于氧分子體積較小，大多數(shù)膜材料對氧的滲透性大于對氮的滲透性。膜系統(tǒng)通常僅限于生產(chǎn)富氧空氣(25%～50% 氧氣)。活性或易化傳遞膜包含了一種氧絡(luò)合劑，以提高氧的選擇性，是一種潛在的提高膜系統(tǒng)中氧純度的方法，假設(shè)也有與氧相容的膜材料。膜分離的一個主要優(yōu)點是過程的簡單性、連續(xù)性以及在接近環(huán)境條件下的操作。風(fēng)機(jī)提供足夠的壓頭壓力，以克服通過過濾器、薄膜管和管道的壓降。膜材料通常組裝成圓柱形模塊，這些模塊通過多聯(lián)連接在一起，以提供所需的生產(chǎn)能力。氧氣通過纖維(中空纖維型)或通過片(螺旋纏繞型)滲透，并作為產(chǎn)品提取。真空泵通常維持膜上的壓力差，并以所需的壓力輸送氧氣。二氧化碳和水通常出現(xiàn)在富氧空氣產(chǎn)品中，因為對于大多數(shù)膜材料來說，二氧化碳和水的滲透性比氧更強(qiáng)。然而，膜系統(tǒng)容易適應(yīng)多達(dá)每天20 t的應(yīng)用，用水和二氧化碳污染物富集空氣的純度可以被容忍。這種技術(shù)比吸附或低溫技術(shù)更新，材料的改進(jìn)可以使膜對較大的氧需求更具吸引力。

2 低溫工業(yè)氣體處理技術(shù)

2.1 低溫加工概述

低溫空氣分離技術(shù)是目前生產(chǎn)大量氣態(tài)或液態(tài)氧、氮和氬的最有效和最具成本效益的技術(shù)。空氣分離裝置(ASU)使用傳統(tǒng)的多柱低溫精餾過程，以高回收率和純度從壓縮空氣中產(chǎn)生氧氣。低溫技術(shù)還可以以相對較低的增量成本生產(chǎn)高純度的氮氣作為有用的副產(chǎn)品流。此外，液氬、液氧和液氮可以添加到產(chǎn)品板巖中，用于儲存產(chǎn)品備份或副產(chǎn)品銷售，增加的資本和電力成本較低。作為通過規(guī)模經(jīng)濟(jì)降低單位成本的一種方法，繼續(xù)研究如何提高單臺設(shè)備列車的生產(chǎn)率。 大多數(shù)設(shè)備使用傳統(tǒng)的電動馬達(dá)驅(qū)動設(shè)備壓縮空氣進(jìn)料到空分設(shè)備，以及氧氣和其他產(chǎn)品流。值得注意的是，IGCC 設(shè)施通過從燃?xì)廨啓C(jī)中抽出空氣來接收所有的空氣供給，該燃?xì)廨啓C(jī)用于從煤制合成氣發(fā)電的聯(lián)合循環(huán)[3]。

2.2 壓縮周期

空氣分離過程通常產(chǎn)生的氣體產(chǎn)品流略高于大氣壓力和接近環(huán)境溫度。通常產(chǎn)品的氧氣在低壓下離開主熱交換器，壓力范圍從3.5～70.0 MPa 不等，離心式壓縮機(jī)組的進(jìn)口體積流率相對較高，在所需壓力下輸送產(chǎn)品。世界各地有數(shù)百家這樣的工廠。

2.3 泵送液體循環(huán)

液體產(chǎn)品可以從蒸餾部分上游的低溫?zé)峤粨Q器用于蒸發(fā)和加熱。這些產(chǎn)品可以被泵送到所需的輸送壓力或中間壓力。然而，由于從蒸餾系統(tǒng)生產(chǎn)液體產(chǎn)品所需的功率是生產(chǎn)氣體產(chǎn)品的2～3倍，因此循環(huán)必須有效地回收泵送產(chǎn)品流中所含的制冷劑。這是通過對低溫?zé)峤粨Q器中的蒸發(fā)產(chǎn)物流進(jìn)行高壓冷凝空氣或氮氣進(jìn)料流來實現(xiàn)的。液化空氣或氮氣原料返回到蒸餾部的冷藏。將產(chǎn)品流抽到空分設(shè)備出口處的中間壓力的泵送液體工藝循環(huán)稱為部分泵送液體循環(huán)，它需要額外的設(shè)備將產(chǎn)品流壓縮到最終的輸送壓力。產(chǎn)品流的全泵或部分泵增加了優(yōu)化低溫循環(huán)的另一個自由度，可以消除或減小氧氣壓縮機(jī)的尺寸。

2.4 低壓和高壓循環(huán)

低壓(LP)空分單元循環(huán)的基礎(chǔ)上壓縮的飼料空氣只有壓力要求拒絕氮副產(chǎn)品在大氣壓力。因此，進(jìn)料空氣壓力通常在360～6 000 MPa之間變化，這取決于氧氣純度和所需的能源效率水平。高壓空分設(shè)備循環(huán)在遠(yuǎn)高于大氣壓力的條件下生產(chǎn)產(chǎn)品和副產(chǎn)品流，通常需要更小和更緊湊的低溫部件，這樣可以節(jié)省成本。EP 循環(huán)通常使用超過700 MPa 的進(jìn)料空氣壓力。當(dāng)所有或幾乎所有的氮副產(chǎn)品作為產(chǎn)品流被壓縮時，EP 循環(huán)可能是適當(dāng)?shù)摹４送猓瑸榱藢⒖辗衷O(shè)備與其他過程單元(如燃?xì)廨啓C(jī))整合在一起，常常選擇 EP 循環(huán)。

3 過程替代品的比較及技術(shù)改進(jìn)

通過吸附劑和膜材料的持續(xù)研究和開發(fā)，吸附和聚合物膜過程將繼續(xù)提高成本和能源效率。預(yù)計這兩種技術(shù)都無法挑戰(zhàn)低溫技術(shù)大量生產(chǎn)氧的能力，尤其是純度較高時。無論是吸附系統(tǒng)還是膜系統(tǒng)，都會產(chǎn)生含有大量氧氣的副產(chǎn)品氮。如果需要高純度的氮，則必須采用附加脫氧或其他凈化系統(tǒng)來提高氮的質(zhì)量。這兩種方法都不能直接生產(chǎn)氬氣或稀有氣體。用于系統(tǒng)備份的液氧或氮的生產(chǎn)需要附加的低溫裝置或從工廠設(shè)備運輸產(chǎn)品。另一方面，與低溫技術(shù)相比，吸附和膜過程更加簡單和被動[4]。

從燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)中抽出的空氣可以部分或完全滿足空分設(shè)備的進(jìn)料要求。在一個簡單的配置，ASU 蒸餾壓力將設(shè)置的萃取空氣壓力。如果抽出的空氣流量小于空分所需的總量，將使用輔助空氣壓縮機(jī)，其排氣壓力將與抽出的空氣壓力相匹配。如果抽出的空氣供應(yīng)量約為空分設(shè)備總需求量的四分之一，可以獨立建立空分設(shè)備蒸餾壓力，并采用泵送液體工藝。高壓萃取空氣在低溫?zé)峤粨Q區(qū)沸騰加壓液氧和/或氮。輔助壓縮空氣供應(yīng)設(shè)定空分設(shè)備的蒸餾壓力。

在使用燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)施中，空氣可能因各種原因被抽出。作為空氣分離裝置的進(jìn)料，作為渦輪機(jī)本身的“排氣”冷卻空氣，或設(shè)施內(nèi)對加壓空氣的其他要求。抽出的空氣 含有有價值的熱量，這些熱量可以通過沸騰液體在離散溫度水平上回收，或者通過顯熱轉(zhuǎn)移到另一種液體中回收。利用回收熱量的一類應(yīng)用是溶劑再生，該過程先進(jìn)行氣體/液體吸收步驟，然后將熱量傳遞到液體，以解吸氣體產(chǎn)品或污染物。這一步驟擁有的屬性是可以從這種熱集成中受益的工藝實例包括但不限于下列單元操作，這些操作可以在碳?xì)浠衔餁饣蛱細(xì)浠衔锾幚碓O(shè)施中找到。作為低溫空氣分離裝置一部分的液基空氣預(yù)處理系統(tǒng)的再生。采用液基吸收步驟去除空氣進(jìn)料流中的污染物至空分設(shè)備可以從萃取空氣熱回收中獲益。在一個實施方案中，將熱空氣與來自吸收塔的液體底部相對冷卻。冷卻后的空氣進(jìn)入塔內(nèi)并與液體吸收劑接觸，其中空氣流中的雜質(zhì)被吸收到液體中。空氣到吸收劑加熱步驟將解吸吸收液中的污染物，然后將其送回吸收劑柱。吸收系統(tǒng)可以包括一個或多個流體在幾個吸收步驟，以提高效率去除或使用特定的吸收劑去除空氣流中的特定雜質(zhì)。吸收劑再生可以包括從其他來源加熱，結(jié)合加熱降低壓力以解吸雜質(zhì)。

抽出的空氣中的熱量可以通過熱空氣與工藝流體間接接觸，或者通過空氣向工作流體(如：蒸汽或惰性氣體)傳熱來回收。在這個例子中，從抽出的空氣源中產(chǎn)生的高水平熱量被轉(zhuǎn)移到返回到燃?xì)廨啓C(jī)的氮氣流中。抽出的空氣通過與用于預(yù)處理空氣進(jìn)料到空分設(shè)備的吸收塔富集底部接觸而進(jìn)一步冷卻。這個傳熱步驟也可以在設(shè)備的 POX 或 POX 產(chǎn)品工作區(qū)內(nèi)的其他吸收系統(tǒng)中完成。取決于溶劑和材料的吸收，高水平的熱回收步驟可能被取消，所有抽出的空氣熱量用于吸收器再生。二氧化碳可以作為副產(chǎn)品加工出售，或者在工廠內(nèi)部使用。一個例子是將二氧化碳作為添加的稀釋劑返回到燃?xì)廨啓C(jī)。

4 結(jié)語

低溫工藝是目前向大型設(shè)備供應(yīng)工業(yè)氣體的首選方法。工業(yè)氣體工藝和整個設(shè)施內(nèi)其他單元之間的熱、制冷、工藝和廢物流的集成可以提高效率和降低成本。先進(jìn)的熱集成概念可能有利于在未來使用化學(xué)或 ITM 過程。