带氮气循环增压机的液氧泵内压缩流程

作者：林德工程(杭州)有限公司 张燕 杨学申

欢迎访问e展厅 展厅 3 压缩机/分离/过滤机械展厅 压缩机, 空气压缩机, 过滤器, 滤清器, 滤油机, ... 1 氮气循环增压内压缩流程优缺点 德国林德公司于20世纪70年代开发了第一台液氧泵内压缩流程的空分设备。但这套用于印度Navmada一家化肥厂的35100m3/h空分设备，不是目前通用的利用空气增压机产生的高压空气作为热源在主换热器内汽化高压液氧，而是采用氮气循环增压机，将压力塔顶部的气氮经换热器复热后，再经氮气循环增压机压缩成高压氮气，高压氮气进入高压换热器汽化液氧，而自身被液化后再循环进入压力塔。时隔3年后的1979年，林德公司向我国的浙江镇海炼油厂、宁夏化工厂和乌鲁木齐化肥厂提供的3套28000m3/h空分设备中，又一次推出了采用氮气循环增压机的液氧泵内压缩流程。 当时不采用目前普遍使用的采用空气增压机的内压缩流程，而采用氮气循环增压机的内压缩流程的主要原因有两个： (1)这3套28000m3/h空分设备采用的还是切换式换热器冻结法清除空气中的水分和二氧化碳的流程。空气进冷箱之前还没有一股干燥并含极微量二氧化碳的空气，如采用未净化的空气作为增压空气，那么这股空气在与返流的低温介质进行热交换时，空气中的水分及二氧化碳必然会冻结在高压空气通道中。而将出冷箱的低压氮气压缩至所需的压力，再送入主换热器，就避免了这个问题。 (2)由于这3套空分设备要求的生产能力：压力为9．6MPa的氧气28000m3／h和压力为8．OMPa的氮气37000m3/h。经当时计算，氮气出循环增压机的压力达12MPa。因而采用氮气循环增压机不仅解决了汽化高压液氧的热源，还满足了用户对高压氮气的要求，比采用空气增压机节省了1台大流量的高压氮压机，大大节省了设备的投资。 但是，如果能有一股从原料空气压缩机来的净化空气作为汽化高压液氧的热源，那么采用氮气循环增压内压缩流程有很大的缺点，即与空气增压内压缩流程相比，它的能耗较高，主要有以下几点原因： (1)氮气用于换热和冷凝，其性能比空气差。例如空气冷凝温度比氮气冷凝温度高，如果要达到同样的冷凝温度，就要使氮气的增压压力高于空气的增压压力；空气的冷凝热也要比氮气的高，汽化同样的高压液氧所需的氮气量也要比空气量大。 (2)空气增压流程气体在主换热器内的不复热损失要小于氮气循环增压流程的不复热损失。因为采用空气增压流程，这部分空气仅仅是1次进入主换热器，因而它的不复热损失仅仅是1次；而氮气循环增压流程，其氮气作为原料空气的一部分进入主换热器，形成了第一次的不复热损失，出主换热器的氮气增压后又进入主换热器，造成了第二次的不复热损失。 (3)由于氮气循环增压流程需要从精馏塔中抽取大量的氮气作为蒸发氧气的气源，其气量相比于空气循环要大得多。直接从中压塔顶部抽取的氮气量太多，会影响精馏塔内的回流比，破坏原先良好的精馏效率，导致产品氧气、氩气的提取率迅速下降，空气压缩机流量增大，整套装置能耗增高。正因为氮气循环增压流程具有能耗高的缺点，在出现了常温吸附净化空气流程后，空气增压的内压缩流程代替了氮气循环增压的内压缩流程。 2 氮气循环增压与空气增压两种内压缩流程比较 20世纪90年代中期，煤化工中采用壳牌合成气炉生产合成氨工艺的出现，又使氮气循环增压内压缩流程呈现其优越性。因为壳牌合成气炉流程，除了需要～4．6MPa的中压氧之外，还需不同压力等级的氮气用于煤化工的各种场合。现以1套林德公司提供的某煤化工装置采用壳牌合成气炉的空分设备为例来分析。其对氧气产量的要求是50000m3／h，而对氮气却有5种不同压力的产量要求，其中8．1MPa的超高压氮气要求为～26000m3／h、5．25MPa的高压氮气要求为—13300m3／h、3．3MPa的中压氮气要求为～48000m3／h、0．75MPa的低压氮气要求为19000m3／h和0．5MPa的低压氮气要求为18000m3／h。面对这样的要求，林德公司对两种流程方案进行了比较。 2．1 设备配置及工艺流程 一种为空气增压的双泵内压缩流程(配置4．65MPa排气压力的液氧泵和5．2MPa排气压力的高压液氮泵)，配备由1台蒸汽轮机驱动的原料空气压缩机和空气增压机、1台由电机驱动的低压氮压机和1台由蒸汽轮机驱动的中、高压氮压机，以满足多种不同压力的氮气要求。另配备各为一备一用的高压液氧泵和高压液氮泵。其流程如图1所示： 另一种为氮气循环增压的液氧泵内压缩流程，配备由1台汽轮机驱动的原料空气压缩机和氮气循环增压机，后者除提供汽化高压液氧的热源外，还提供装置的超高压氮气、高压氮气和中压氮气产品。再配1台由电机驱动的低压氮压机用于提供低压氮气。另配备一备一用高压液氧泵。其流程如图2所示。 从上面两种流程的设备配置，明显地看到，第一种流程方案比第二种流程方案多了1台高压压缩机和两台高压液氮泵。 2．2 设备总投资和性能 现对两种流程，按设备总投资和设备性能等做一简略比较，以便说明何种情况下，选择氮气循环增压液氧泵内压缩流程是合理的。 首先，从能耗上来比较。按本文开头所述，相对空气增压内压缩流程来说，氮气循环增压内压缩流程的能耗要比空气增压流程的高。但如果此项目氮气产量为氧气产量的2．5倍，对流程进行优化后，氮气循环增压流程的能耗可以仅比空气增压流程的能耗高约2％。为减少从中压塔提取大量中压氮影响氧气及氩气产品提取率，利用低压氮气产品压缩机将低压氮气增压后送人氮气循环增压机。此时，虽然低压氮气产品压缩机的流量因此要增大，但相对于整个空分设备来说，其增加的投资是很小的，而节约的能耗却不小。 相对于空气增压流程来说，氮气循环增压流程将增加约3t/h的高压蒸汽耗量(按9．0MPa饱和温度的高压蒸汽计)；而在我国西部大开发地区的大型煤化工企业，其高压蒸汽价一般为45—60元／t(2004年价)，电价一般为0．25～0．45元／(kW·h)，为了更有说服力，高压蒸汽按70元／t计算。计算方法是国际公认的NPV(技术新增经济效益的净现值)，即计算空分设备每增加lt／h蒸汽消耗，相当于多少一次性投资。关于运行年限，一般回报率按5—7年计算，这里按7年、每年运行8585h计，年利息为6％。按此计算出每1h增加1t蒸汽消耗相当于增加投资335．5万元人民币，那么对于采用氮气循环增压的内压缩流程比采用空气增压的内压缩流程多消耗3t／h蒸汽，也就相当于增加投资1006万元。如果用户没有高压蒸汽而采用高压电网供电，用电机驱动，电价按0．50元／(kW·h)计，则每增加lkW·h电耗，相当于增加投资23962元，按增加820kW·h计，则相当于增加总投资1964．9万元人民币。 第二，从成套装置的工厂投资总资本来考虑，由于空气增压的双泵内压缩流程比氮气循环增压液氧泵内压缩流程多了1台由汽轮机驱动的高压压缩机和两台高压液氮泵，相应又要增加仪、电控设备及土建、安装和调试等费用，如果这些全折算成人民币计算，其投资增加会超过2500万元，氮气循环增压机的价格高于空气增压机的价格，所以减去这部分的差价，那么也要在2000万元左右。这还是保守的计算，还没有考虑增加1台高压压缩机和两台高压液氮泵的近似50万元人民币的年运行费用(主要是备件、维修费用)。即空气增压流程设备投资比氮气循环增压流程高至少2000万元，而空气增压流程的新增经济效益的净现值仅仅比氮气循环增压流程少了1006万元／1965万元(蒸汽驱动／电机驱动)。按此计算，如果按7年回报率，那么即使按2004年设备价格不变，高压蒸汽价格在增加到142元／t时，两种流程方案的计算总投资才相同。或者说蒸汽价和电价不变，则分别连续运行19．5年和7年，两种流程方案的计算总投资仍将持平。 通过比较，采用氮气循环增压的液氧泵内压缩流程是合理的。此外，这种流程还具有如下优点： (1)由于高压氮气产品是由氮气循环增压机提供的，而且蒸发高压液氧产品的高压气源也是由氮气循环增压机提供，所以对产品压力和流量的调节相对于空气增压流程来说更方便而且范围更大，其产品氧气、氮气的流量可以在更大的幅度内变化，而不会因机器弹性负荷变化有限而受到限制。而采用空气增压液氧泵内压缩流程，高压氧气、氮气产品流量负荷的变化受制于常规空气增压机的70％—105％的弹性范围。若客户对产品产量负荷变化有更高要求时，则需要提高对机器的设计要求，增加投资。同时，高压氧气、氮气产品的压力若要改变，则受限于其对板翅式换热器的影响，通常只能在产品汽化后经阀门调节压力，此举将浪费大量能耗，不利于节能。 (2)减少了1台高压压缩机和两台高压液氮泵的优势在于：①装置运行更加可靠，对于任何大型成套装置，运转机械愈少，故障就愈少，停车机会也愈少；②减少操作人员，维护工作量减少，特别是节省了维护费用和备、配件费用；③减少了占地面积。 3 结束语 综上所述，在特定的条件下，采用带氮气循环增压机液氧泵内压缩流程的大型空分设备是合理的，它的适用范围应该是：需要有高、中、低压不同氮气产品要求；要大气量高压氮产品的大型空分设备或者产品负荷变化很大；采用高压蒸汽的蒸汽轮机作为原料空压机、增压机和氮压机的驱动装置的大型空分设备。另外，当电价≤0．5元／(kW·h)时，采用这种流程也是可取的。 当然，最终选择何种流程还是要根据用户的各种实际因素，本文仅作参考，不妥之处，请指正。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (9/29/2006)