前言
在工业生产的各个领域中，氧气、氮气、氩气等工业气体的应用不可或缺，而且不同行业、不同工艺对氧、氮、氩等工业气体的要求也不同。为满足生产要求，保证生产安全稳定运行，工厂内部均配置有专供的空分设备和氧、氮、氩气体管网系统。因此在制定空分设备的技术方案时，通常对空分设备的工艺流程、加压输送系统、各配套机组的操作性能，装置的能耗指标、设备投资等进行对比和选择。下面以国内某钢厂配套KDON-10000/20000型空分设备为例，通过不同的流程计算，选配各机组参数，进行工艺流程的对比和优选。空分设备的设计参数见表1。
1空分设备流程
形式现代空分设备以提供带压氧气产品的流程形式来分一般有2种流程:外压缩流程和内压缩流程［1］。在目前国内空分设备设计应用中，外压缩流程又有常规外压缩流程和自增压+外压缩流程之分;内压缩流程又有空气增压内压缩流程和氮气循环内压缩流程之分。该钢厂用氧压力要求在2.5MPa(G，下同)，用氮压力要求在2.0MPa，所以10000m3/h空分设备无论是采用内压缩流程还是外压缩流程都可以实现。
1.1外压缩流程
1.1.1常规外压缩流程常规外压缩空分设备流程是目前钢厂应用比较广泛的一种流程，主要由原料空气过滤器、空压机、空气预冷系统、分子筛纯化系统、精馏塔系统(含膨胀机)、氧/氮外压缩系统和仪电控制系统等配套设备组成。工艺流程如图1所示。图1常规外压缩空分设备流程简图AF—空气过滤器TC—空压机AC—空冷塔WC—水冷塔MS1、2—分子筛吸附器SL—消声器EH—电加热器ET—膨胀机E1—主换热器C1—下塔C2—上塔K1—冷凝蒸发器E2—过冷器C701—粗氩Ⅰ塔C702—粗氩Ⅱ塔K701—粗氩冷凝器AP—循环粗氩泵C703—精氩塔K703—精氩冷凝器K704—精氩蒸发器NC—氮压机OC—氧压机常规外压缩流程，由于膨胀空气进上塔，使上塔氧提取率较膨胀气体进下塔流程略低;且低压膨胀机的制冷能力较中压膨胀机弱，因此，外压缩流程的液体产量较大时(尤其带液氩产品)，膨胀空气旁通，原料空气过度消耗，能耗偏高。所以对于液体产量要求不大的用户可推荐采用常规外压缩流程。1.1.2自增压+外压缩流程自增压空分设备流程是依靠液氧柱势差对氧产品加压的一种流程形式，自增压+外压缩流程是将出冷箱的带压氧气经氧压机进一步升压到中压的流程，主要由原料空气过滤器、空压机、空气预冷系统、分子筛纯化系统、精馏塔系统(含膨胀机、自增压器)、氧/氮外压缩系统和仪电控制系统等组成。工艺流程如图2所示。自增压+外压缩流程提高了氧气产品出冷箱的压力，压力需求在低于0.15MPa时可直接使用。当钢厂氧气压力需求在2.5MPa时，采用氧自增压+氧气外压缩流程，提高了氧压机入口压力，使氧气升压输送的能耗降低，可以减少电力消耗。
1.2内压缩流程
根据氧气、氮气产品的比例不同，内压缩流程可分为空气增压内压缩流程和氮气循环内压缩流程2种。另外还可以采用氧气内压缩+氮气外压缩的混合流程。该钢厂氧气、氮气产品需求比例为1∶2，从综合性能考虑可采用氧气内压缩+氮气外压缩流程和氮气循环内压缩流程。1.2.1氧气内压缩+氮气外压缩流程配套设备主要有原料空气过滤器、空压机、空气预冷系统、分子筛纯化系统、精馏塔系统(含膨胀机)、空气增压机、内压缩液氧泵、氮外压缩系统和仪电控制系统等。工艺流程如图3所示。氧气内压缩+氮气外压缩流程采用液体泵对氧产品进行升压输送，大大提高了压氧过程的安全性。对于用氧压力过高、用量过大的用户，且活塞式氧压机和离心式氧压机的选型均无法满足时可推荐采用。1.2.2氮气循环内压缩流程配套设备主要有原料空气过滤器、空压机、空气预冷系统、分子筛纯化系统、精馏塔系统(含膨胀机)、循环氮压机、输送氮压机、内压缩液氧泵、内压缩液氮泵和仪电控制系统等。工艺流程如图4所示。
2流程特点与比较分析
2.1安全性与可靠性
液氧加压输送比气氧加压输送理论上安全性高一些。相对而言，外压缩空分设备的安全隐患主要在于冷凝蒸发器内液氧中碳氢化合物的积聚和氧压机，前者可以通过在线监控和定时进行液氧安全排放来控制;至于后者，国产氧压机的技术早已过关，可以保证安全。又经过多年的技术发展，外压缩流程空分设备的安全性完全可以保证［1］。空分设备的运行可靠性与设备质量、操作水平等因素密切相关。外压缩流程的应用最为广泛，技术成熟，用户的操作也都很熟练;而且空分设备与压氧系统相对独立，氧压机的停车对空分设备的运行不会产生影响，可靠性很高。内压缩流程相对来说要复杂一些，自动化控制的要求更高。为保证整套空分设备正常运行，配套机组多采用进口产品。
2.2运行能耗
采用上述4种流程形式，分别对KDON-10000/20000型空分设备进行流程计算，通过选配各机组参数，各流程电力消耗见表2、3、4、5。由此可见:在相同产品工况下，各流程能耗指标按常规外压缩、自增压+外压缩、氧气内压缩+氮气外压缩、氮气循环内压缩依次升高;而且内压缩流程的产品能耗比外压缩流程高。
2.3投资成本
内压缩流程与外压缩流程的投资成本主要体现在内压缩流程的液体泵加上空气增压机(或循环氮压机)与外压缩的氧压机、氮压机相比。外压缩流程的氧压机完全可以采用国产产品，性能良好，价格低廉，且安全性能好［1］。而内压缩流程所需的空气增压机或循环氮压机，因国内外机组效率差异较大，从长期运行成本角度考虑一般要求采用进口机组，国产机组还不能完全满足要求。所以，采用内压缩流程的空分设备的成本较高。另外，因为内压缩流程空分设备需要配置中高压板翅式换热器和中高压调节阀，会涉及到投资成本的变化。
3总结
内压缩流程和外压缩流程的成本和性能的整体比较见表6。通过对KDON-10000/20000型空分设备工艺流程的计算与比较分析，为同种类型的空分设备的流程选择提供了借鉴。在空分设备筹建之初，空分设备生产厂家依据用户对氧、氮、氩气体产品的工艺需求，以经济运行和投资为指导，通过流程计算，选取最优的设计方案。
作者：郑英臣 楼一真 单位：杭州杭氧低温液化设备有限公司 浙江省杭州市中山北路592号弘元大厦
