350 kt/a合成氨配套39×103 m3/h空分的優化選擇

劉明哲，王欣榮，毛紅峰

（1.浙江晉巨化工有限公司，浙江 衢州 324004；2.東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230088）

空分發展至今已近120年，其技術成熟度、安全性、可靠性等都已非常高。根據工藝流程可分為內壓縮空分和外壓縮空分，根據膨脹工質的不同可分為空氣循環流程和氮氣循環流程。其中空氣循環流程又分為空氣循環單泵流程和空氣循環雙泵流程，氮氣循環流程為氮氣循環單泵流程[1]。國內使用氮氣循環流程用戶較少，氮氣循環流程一般適用于氮氣用戶壓力等級繁多的情況，目前運行的業績不多。根據主冷的結構形式又可分為全浸式和降膜式。

工藝雖然已經比較成熟，具體到每套裝置仍然根據各自的需求特點，有可以優化選擇之處。筆者在此探討1 套350 kt/a 合成氨配套的39×103m3/h 空分裝置的優化選擇。

1 裝置規模及要求

根據運行特點，要求裝置連續運轉穩定供氣周期為不小于3 年，擬3 年全系統大加溫1 次，同步進行設備檢維修工作，相應動、靜設備以及儀表、電氣、控制系統均應以此為目標進行流程組織及配置。裝置規模及要求見表1。

表1 空分裝置規模及要求Tab 1 Scale and requirements of air separation unit

2 流程與設備選擇

2.1 主流程

空分裝置的基本工藝流程按照產品氧氣的壓縮方式不同，分為外壓縮流程和內壓縮流程。外壓縮流程是通過氧氣壓縮機將冷箱產生的常壓氧氣加壓至所需壓力。內壓縮流程則是取消氧壓機，使用液氧泵將主冷中的液氧加壓到一定壓力后，與正流高壓空氣在高壓板翅式換熱器中間壁換熱得到高壓氧氣，供給用戶。

空分流程的選擇，取決于安全和效益2方面。

2.1.1 安 全

外壓縮流程空分裝置是通過氧壓機加壓氧氣來提高壓力的，作為氧化性氣體和助燃劑，溫度越高，壓力越高，風險越大。內壓縮流程是通過低溫液氧泵加壓液氧再復熱氣化得到高壓氧氣，39×103m3/h的空分設備液氧加壓量只有～50 m3/h，同時液氧泵是在低溫（-180 ℃）、低速（3 kr/min）下運轉，安全系數顯著提高。空分設備運行安全重要風險點之一就是主冷，隨著空分設備運行周期的延長（部分裝置連續運行超1 000 d），主冷液氧中碳氫化合物積聚析出風險加大。常規外壓縮空分，通過從主冷底部連續排放一定量液氧（一般是質量分數1%液氧產量），避免主冷液氧中碳氫化合物積聚析出。內壓縮空分，液氧泵持續不斷的從主冷底部抽取液氧加壓送出，最大程度的避免了碳氫化合物在主冷中積聚析出的可能，安全性進一步提高。

化工項目中環境空氣組成復雜，為避免空氣中碳氫化合物對空分運行的影響，目前國內外空分廠商在化工項目中大型空分的流程選擇上，基本采用內壓縮流程配置。

筆者所籌建的項目，空分裝置主要服務于合成氨項目，以及工廠內多個精細化工裝置，其中氧氣主要是為水煤漿氣化爐配置，氧壓高達8.5 MPa。從安全角度來說，選擇內壓縮流程更合適。

2.1.2 投資與效益

1）投資。內壓縮流程動設備（空氣壓縮機組、膨脹機、液體泵）、儀表調節閥等均為進口，靜設備中高壓板翅換熱器一般選擇CHART、諾頓和FIVES 等進口設備；外壓縮流程動設備（空氣壓縮機組、膨脹機）、儀表調節閥等均為進口，氧壓機一般選擇國產設備，靜設備中低壓板翅換熱器一般選擇杭氧、中泰等國產設備。相比較來說，內壓縮流程進口設備略多，外壓縮進口設備略少。常規來說內壓縮流程投資略高，但如果氧壓過高，國產氧壓機尚無成熟產品，選擇進口氧壓機將十分的昂貴，設備投資方面相對來說內壓縮比外壓縮便宜。

所籌建的項目，氧壓高達8.5 MPa，從投資角度來說，選擇內壓縮流程更合適。

2）效益。液體產品（對空分來說，通常是液氧、液氮和液氬，以及氪、氙、氖等稀有氣體）產出量和氧氣產品產出量的比例，對空分裝置能耗影響很大，產出氣體產品的同時產出大量的液體產品，或者氧氣產品壓力高（4.0 MPa 或更高），都是內壓縮適合的場景[2]。業內有一種說法，液體產品質量比8%～10%是一個臨界點，低于這個比例以選用外壓縮空分為宜。如果籌建的空分項目液體產品質量比在8%～10%的話，需要做細致的對比評估。

所籌建的項目，液體產品質量比9%左右，考慮到實際供氣的過程中，用戶的使用量是有波動的，液體產品質量比最多會達到15%以上，當液體產量在一定范圍內時，由內壓縮空分直接增加液體產品的產出，比另外配置液化裝置產出液體產品更合算[3]。

綜合以上考慮，主流程選擇內壓縮流程。

2.2 氮氣流程

項目氮氣的規格較多，而且用量的波動也較大。針對氮氣流程，有4種方案可供選擇：

方案一。0.4 MPa 氮氣、2.2 MPa 氮氣、6.5 MPa 氮氣均由上塔取氮氣加壓，設備配置為液氧泵×2+氮壓機。優點是氧氣等提取率高，空壓機組小，工況調節靈活；缺點是能耗高，選擇離心機氮氣放散量大難匹配，占地面積較大。

方案二。0.4 MPa 氮氣直接從下塔抽取，2.2 MPa氮氣、6.5 MPa氮氣均由下塔取壓力氮氣進一步加壓，設備配置分4種。優點是氧氣提取率較高，工況調節靈活，總能耗低；缺點是選擇活塞機檢修頻繁穩定性差，選擇離心機氮氣放散量大難匹配，占地面積增加。

主要設備配置：1）液氧泵×2+氮壓機×4（6.5 MPa 氮壓機3 臺，2.2 MPa 氮壓機1 臺，均為12×103m3/h）。或2）液氧泵×2+活塞氮壓機×4（6.5 MPa 氮壓機2 臺，2.2 MPa 氮壓機2 臺，均為12×103m3/h）；或3）液氧泵×2+離心機1 臺（2.2 MPa排壓、流量35×103m3/h）+活塞氮壓機×2（6.5 MPa排壓、流量12×103m3/h）；或4）液氧泵×2+離心機1 臺（2.2 MPa 氮氣中抽10×103m3/h、末端排壓6.5 MPa氮氣24×103m3/h）。

方案三。0.4 MPa 氮氣直接從下塔抽取，2.2 MPa 氮氣由下塔取壓力氮氣進一步加壓，6.5 MPa氮氣由下塔抽取液氮加壓氣化復熱。主要設備配置：液氧泵×2+液氮泵×2（6.5 MPa 排壓）+氮壓機×2（2.2 MPa 排壓，體積流量10×103m3/h）。優點是氧氣提取率較高，液氬產量增加，空壓機組較小，工況調節較為靈活，總能耗較低；缺點是選擇活塞機檢修頻繁穩定性差，選擇離心機氮氣放散量大難匹配，占地面積增加。

方案四。0.4 MPa 氮氣直接從下塔抽取，2.2 MPa氮氣、6.5 MPa氮氣由下塔抽取液氮加壓氣化復熱。主要設備配置：液氧泵×2+液氮泵×4（其中6.5 MPa 排壓2 臺，2.2 MPa 排壓2 臺）。優點是占地面積小，流程簡單，設備故障點少，運行穩定，操作人員少，檢修維護工作少，液氬產量增加；缺點是氧氣提取率低，空壓機組較大，運行消耗較高，變工況時放散損失大。

比較這4個方案：

1）工廠布置以優化簡潔為趨勢，由此首推方案四。

2）從效益來說，方案二有明顯優勢，尤其是短期氮氣需求沒有跟上的時候。但是對比的時候沒有考慮需要增加人員的問題，如果考慮到管理成本以及每班增加1 人（2 臺活塞氮壓機的開停，班組增加人員符合生產實際，預計每年增加人工支出成本60 萬元。離心機因為負荷變動大，用在此方案內效率打折嚴重），則在未來氮氣需求逐步實現符合預期的增長之后，該方案的效益方面就沒有任何優勢，甚至于考慮到液體產品產量需要根據市場調節的話，方案四的總體評價會持平甚至好于方案二。

3）從方案配置來說，方案四和方案二，一個趨向于簡潔，一個趨向于降耗；方案一、三介于兩者之間，屬于每樣都沒做到極致。

4）土地的重要性不能簡單地以內部土地價格來衡量，方案二多了上百平方米的土地，但產出不顯。

綜合以上因素，筆者籌建的項目選擇了方案四，氮氣流程為6.5 MPa 氮氣雙泵、2.2 MPa 氮氣雙泵、0.4 MPa氮氣下塔直接抽取氣氮，在推進項目的同時，同步推進其他用戶的開拓和其他氣體供應單位的整合。

2.3 液體膨脹機

液體膨脹機工作原理類似于水輪機發電，是將流體能量轉換為旋轉機械能量的動力設備，它帶動發電機旋轉產生電能。液體膨脹機和發電機連在一起稱為液體膨脹發電機組。他的主要作用是替代高壓液空進下塔高壓節流閥。

采用液體膨脹機替代高壓液空節流閥的主要原因是，高壓液空需要送入下塔參與精餾，高壓液空和下塔存在較大壓差，需要經過高壓節流閥節流降壓后才能進入下塔，在這個過程中，節流是典型的不可逆過程，節流的高壓液體能量不僅被白白浪費，而且使得高壓液空含濕量降低，進而造成空分設備產品提取率降低，總能耗增加，同時高壓液空節流閥伴有氣蝕現象，大大縮短了使用壽命，進而影響到整套空分裝置的運行周期和經濟性問題。采用液體膨脹機可有效回收流體的能量，同時減少以上負效應。高壓液空節流閥與液體膨脹機的對比（39×103m3/h 空分模擬數據）見表2。

由表2可以看出，采用液體膨脹機每小時可減少功率消耗1.04 MW，使空分流程的能耗降低約3.3%；某43×103m3/h 空分裝置采用液體膨脹機每小時可減少功率消耗1.19 MW，使空分流程的能耗降低約3.5%[4]。液體膨脹機因為價格高昂，所以一般的更適合大空分選用，其降耗效果明顯，40×103m3/h 的空分裝置是否選擇液體膨脹機要根據自身的情況來定。

表2 高壓液空節流閥與液體膨脹機對比Tab 2 Comparison between high-pressure liquid-air throttle valve and liquid expander

項目所處區域電價較高，達到0.7元/(kW·h)，所以雖然籌建的空分規模不大，但是整體降耗產生的效益依然十分可觀，配置液體膨脹機更加合適。

3 結束語

所籌建的空分，結合自身的情況，從安全和效益2方面進行了對比分析，選擇了安全和效益兼顧的內壓縮八泵流程并配置液體膨脹機，滿足后系統合成氨39×103m3/h 氧氣、45×103m3/h 氮氣的需求，液體產量可以根據市場需求及后系統用氣情況調整，同時主要能源消耗3.4 MPa蒸汽消耗量在120 t/h 以內，實現裝置的本質安全、占地省、流程簡潔、人員精簡、運行成本低。

空分的流程配置仍有大量細節需要每個籌建者、供貨商去考慮，根據每個項目的特點和需求，進行針對性的分析和選擇，兼顧安全和效益，流程優化選擇大有文章可為。