1 氮?dú)庋h(huán)增壓內(nèi)壓縮流程優(yōu)缺點(diǎn)
德國(guó)林德公司于20世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)了第一臺(tái)液氧泵內(nèi)壓縮流程的空分設(shè)備。但這套用于印度Navmada一家化肥廠的35100m3/h空分設(shè)備，不是目前通用的利用空氣增壓機(jī)產(chǎn)生的高壓空氣作為熱源在主換熱器內(nèi)汽化高壓液氧，而是采用氮?dú)庋h(huán)增壓機(jī)，將壓力塔頂部的氣氮經(jīng)換熱器復(fù)熱后，再經(jīng)氮?dú)庋h(huán)增壓機(jī)壓縮成高壓氮?dú)猓邏旱獨(dú)膺M(jìn)入高壓換熱器汽化液氧，而自身被液化后再循環(huán)進(jìn)入壓力塔。時(shí)隔3年后的1979年，林德公司向我國(guó)的浙江鎮(zhèn)海煉油廠、寧夏化工廠和烏魯木齊化肥廠提供的3套28000m3/h空分設(shè)備中，又一次推出了采用氮?dú)庋h(huán)增壓機(jī)的液氧泵內(nèi)壓縮流程。
當(dāng)時(shí)不采用目前普遍使用的采用空氣增壓機(jī)的內(nèi)壓縮流程，而采用氮?dú)庋h(huán)增壓機(jī)的內(nèi)壓縮流程的主要原因有兩個(gè)：
(1)這3套28000m3/h空分設(shè)備采用的還是切換式換熱器凍結(jié)法清除空氣中的水分和二氧化碳的流程�？諝膺M(jìn)冷箱之前還沒(méi)有一股干燥并含極微量二氧化碳的空氣，如采用未凈化的空氣作為增壓空氣，那么這股空氣在與返流的低溫介質(zhì)進(jìn)行熱交換時(shí)，空氣中的水分及二氧化碳必然會(huì)凍結(jié)在高壓空氣通道中。而將出冷箱的低壓氮?dú)鈮嚎s至所需的壓力，再送入主換熱器，就避免了這個(gè)問(wèn)題。
(2)由于這3套空分設(shè)備要求的生產(chǎn)能力：壓力為9．6MPa的氧氣28000m3／h和壓力為8．OMPa的氮?dú)?7000m3/h。經(jīng)當(dāng)時(shí)計(jì)算，氮?dú)獬鲅h(huán)增壓機(jī)的壓力達(dá)12MPa。因而采用氮?dú)庋h(huán)增壓機(jī)不僅解決了汽化高壓液氧的熱源，還滿(mǎn)足了用戶(hù)對(duì)高壓氮?dú)獾囊螅炔捎每諝庠鰤簷C(jī)節(jié)省了1臺(tái)大流量的高壓氮壓機(jī)，大大節(jié)省了設(shè)備的投資。
但是，如果能有一股從原料空氣壓縮機(jī)來(lái)的凈化空氣作為汽化高壓液氧的熱源，那么采用氮?dú)庋h(huán)增壓內(nèi)壓縮流程有很大的缺點(diǎn)，即與空氣增壓內(nèi)壓縮流程相比，它的能耗較高，主要有以下幾點(diǎn)原因：
(1)氮?dú)庥糜趽Q熱和冷凝，其性能比空氣差。例如空氣冷凝溫度比氮?dú)饫淠郎囟雀�，如果要達(dá)到同樣的冷凝溫度，就要使氮?dú)獾脑鰤簤毫Ω哂诳諝獾脑鰤簤毫�；空氣的冷凝熱也要比氮�(dú)獾母撸瑯拥母邏阂貉跛璧牡獨(dú)饬恳惨瓤諝饬看蟆?
(2)空氣增壓流程氣體在主換熱器內(nèi)的不復(fù)熱損失要小于氮?dú)庋h(huán)增壓流程的不復(fù)熱損失。因?yàn)椴捎每諝庠鰤毫鞒蹋@部分空氣僅僅是1次進(jìn)入主換熱器，因而它的不復(fù)熱損失僅僅是1次；而氮?dú)庋h(huán)增壓流程，其氮?dú)庾鳛樵峡諝獾囊徊糠诌M(jìn)入主換熱器，形成了第一次的不復(fù)熱損失，出主換熱器的氮?dú)庠鰤汉笥诌M(jìn)入主換熱器，造成了第二次的不復(fù)熱損失。
(3)由于氮?dú)庋h(huán)增壓流程需要從精餾塔中抽取大量的氮?dú)庾鳛檎舭l(fā)氧氣的氣源，其氣量相比于空氣循環(huán)要大得多。直接從中壓塔頂部抽取的氮?dú)饬刻�，�?huì)影響精餾塔內(nèi)的回流比，破壞原先良好的精餾效率，導(dǎo)致產(chǎn)品氧氣、氬氣的提取率迅速下降，空氣壓縮機(jī)流量增大，整套裝置能耗增高。正因?yàn)榈獨(dú)庋h(huán)增壓流程具有能耗高的缺點(diǎn)，在出現(xiàn)了常溫吸附凈化空氣流程后，空氣增壓的內(nèi)壓縮流程代替了氮?dú)庋h(huán)增壓的內(nèi)壓縮流程。
2 氮?dú)庋h(huán)增壓與空氣增壓兩種內(nèi)壓縮流程比較
20世紀(jì)90年代中期，煤化工中采用殼牌合成氣爐生產(chǎn)合成氨工藝的出現(xiàn)，又使氮?dú)庋h(huán)增壓內(nèi)壓縮流程呈現(xiàn)其優(yōu)越性。因?yàn)闅づ坪铣蓺鉅t流程，除了需要～4．6MPa的中壓氧之外，還需不同壓力等級(jí)的氮?dú)庥糜诿夯さ母鞣N場(chǎng)合�，F(xiàn)以1套林德公司提供的某煤化工裝置采用殼牌合成氣爐的空分設(shè)備為例來(lái)分析。其對(duì)氧氣產(chǎn)量的要求是50000m3／h，而對(duì)氮?dú)鈪s有5種不同壓力的產(chǎn)量要求，其中8．1MPa的超高壓氮?dú)庖鬄椤?6000m3／h、5．25MPa的高壓氮?dú)庖鬄椤?3300m3／h、3．3MPa的中壓氮?dú)庖鬄椤?8000m3／h、0．75MPa的低壓氮?dú)庖鬄?9000m3／h和0．5MPa的低壓氮?dú)庖鬄?8000m3／h。面對(duì)這樣的要求，林德公司對(duì)兩種流程方案進(jìn)行了比較。
2．1 設(shè)備配置及工藝流程
一種為空氣增壓的雙泵內(nèi)壓縮流程(配置4．65MPa排氣壓力的液氧泵和5．2MPa排氣壓力的高壓液氮泵)，配備由1臺(tái)蒸汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的原料空氣壓縮機(jī)和空氣增壓機(jī)、1臺(tái)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的低壓氮壓機(jī)和1臺(tái)由蒸汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的中、高壓氮壓機(jī)，以滿(mǎn)足多種不同壓力的氮?dú)庖�。另配備各為一備一用的高壓液氧泵和高壓液氮泵。其流程如圖1所示：
另一種為氮?dú)庋h(huán)增壓的液氧泵內(nèi)壓縮流程，配備由1臺(tái)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的原料空氣壓縮機(jī)和氮?dú)庋h(huán)增壓機(jī)，后者除提供汽化高壓液氧的熱源外，還提供裝置的超高壓氮?dú)�、高壓氮�(dú)夂椭袎旱獨(dú)猱a(chǎn)品。再配1臺(tái)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的低壓氮壓機(jī)用于提供低壓氮?dú)�。另配備一備一用高壓液氧泵。其流程如圖2所示。
從上面兩種流程的設(shè)備配置，明顯地看到，第一種流程方案比第二種流程方案多了1臺(tái)高壓壓縮機(jī)和兩臺(tái)高壓液氮泵。
2．2 設(shè)備總投資和性能
現(xiàn)對(duì)兩種流程，按設(shè)備總投資和設(shè)備性能等做一簡(jiǎn)略比較，以便說(shuō)明何種情況下，選擇氮?dú)庋h(huán)增壓液氧泵內(nèi)壓縮流程是合理的。
首先，從能耗上來(lái)比較。按本文開(kāi)頭所述，相對(duì)空氣增壓內(nèi)壓縮流程來(lái)說(shuō)，氮?dú)庋h(huán)增壓內(nèi)壓縮流程的能耗要比空氣增壓流程的高。但如果此項(xiàng)目氮?dú)猱a(chǎn)量為氧氣產(chǎn)量的2．5倍，對(duì)流程進(jìn)行優(yōu)化后，氮?dú)庋h(huán)增壓流程的能耗可以?xún)H比空氣增壓流程的能耗高約2％。為減少?gòu)闹袎核崛〈罅恐袎旱绊懷鯕饧皻鍤猱a(chǎn)品提取率，利用低壓氮?dú)猱a(chǎn)品壓縮機(jī)將低壓氮?dú)庠鰤汉笏腿说獨(dú)庋h(huán)增壓機(jī)。此時(shí)，雖然低壓氮?dú)猱a(chǎn)品壓縮機(jī)的流量因此要增大，但相對(duì)于整個(gè)空分設(shè)備來(lái)說(shuō)，其增加的投資是很小的，而節(jié)約的能耗卻不小。
相對(duì)于空氣增壓流程來(lái)說(shuō)，氮?dú)庋h(huán)增壓流程將增加約3t/h的高壓蒸汽耗量(按9．0MPa飽和溫度的高壓蒸汽計(jì))；而在我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)地區(qū)的大型煤化工企業(yè)，其高壓蒸汽價(jià)一般為45—60元／t(2004年價(jià))，電價(jià)一般為0．25～0．45元／(kW·h)，為了更有說(shuō)服力，高壓蒸汽按70元／t計(jì)算。計(jì)算方法是國(guó)際公認(rèn)的NPV(技術(shù)新增經(jīng)濟(jì)效益的凈現(xiàn)值)，即計(jì)算空分設(shè)備每增加lt／h蒸汽消耗，相當(dāng)于多少一次性投資。關(guān)于運(yùn)行年限，一般回報(bào)率按5—7年計(jì)算，這里按7年、每年運(yùn)行8585h計(jì)，年利息為6％。按此計(jì)算出每1h增加1t蒸汽消耗相當(dāng)于增加投資335．5萬(wàn)元人民幣，那么對(duì)于采用氮?dú)庋h(huán)增壓的內(nèi)壓縮流程比采用空氣增壓的內(nèi)壓縮流程多消耗3t／h蒸汽，也就相當(dāng)于增加投資1006萬(wàn)元。如果用戶(hù)沒(méi)有高壓蒸汽而采用高壓電網(wǎng)供電，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電價(jià)按0．50元／(kW·h)計(jì)，則每增加lkW·h電耗，相當(dāng)于增加投資23962元，按增加820kW·h計(jì)，則相當(dāng)于增加總投資1964．9萬(wàn)元人民幣。
第二，從成套裝置的工廠投資總資本來(lái)考慮，由于空氣增壓的雙泵內(nèi)壓縮流程比氮?dú)庋h(huán)增壓液氧泵內(nèi)壓縮流程多了1臺(tái)由汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的高壓壓縮機(jī)和兩臺(tái)高壓液氮泵，相應(yīng)又要增加儀、電控設(shè)備及土建、安裝和調(diào)試等費(fèi)用，如果這些全折算成人民幣計(jì)算，其投資增加會(huì)超過(guò)2500萬(wàn)元，氮?dú)庋h(huán)增壓機(jī)的價(jià)格高于空氣增壓機(jī)的價(jià)格，所以減去這部分的差價(jià)，那么也要在2000萬(wàn)元左右。這還是保守的計(jì)算，還沒(méi)有考慮增加1臺(tái)高壓壓縮機(jī)和兩臺(tái)高壓液氮泵的近似50萬(wàn)元人民幣的年運(yùn)行費(fèi)用(主要是備件、維修費(fèi)用)。即空氣增壓流程設(shè)備投資比氮?dú)庋h(huán)增壓流程高至少2000萬(wàn)元，而空氣增壓流程的新增經(jīng)濟(jì)效益的凈現(xiàn)值僅僅比氮?dú)庋h(huán)增壓流程少了1006萬(wàn)元／1965萬(wàn)元(蒸汽驅(qū)動(dòng)／電機(jī)驅(qū)動(dòng))。按此計(jì)算，如果按7年回報(bào)率，那么即使按2004年設(shè)備價(jià)格不變，高壓蒸汽價(jià)格在增加到142元／t時(shí)，兩種流程方案的計(jì)算總投資才相同�；蛘哒f(shuō)蒸汽價(jià)和電價(jià)不變，則分別連續(xù)運(yùn)行19．5年和7年，兩種流程方案的計(jì)算總投資仍將持平。
通過(guò)比較，采用氮?dú)庋h(huán)增壓的液氧泵內(nèi)壓縮流程是合理的。此外，這種流程還具有如下優(yōu)點(diǎn)：
(1)由于高壓氮?dú)猱a(chǎn)品是由氮?dú)庋h(huán)增壓機(jī)提供的，而且蒸發(fā)高壓液氧產(chǎn)品的高壓氣源也是由氮?dú)庋h(huán)增壓機(jī)提供，所以對(duì)產(chǎn)品壓力和流量的調(diào)節(jié)相對(duì)于空氣增壓流程來(lái)說(shuō)更方便而且范圍更大，其產(chǎn)品氧氣、氮?dú)獾牧髁靠梢栽诟蟮姆葍?nèi)變化，而不會(huì)因機(jī)器彈性負(fù)荷變化有限而受到限制。而采用空氣增壓液氧泵內(nèi)壓縮流程，高壓氧氣、氮?dú)猱a(chǎn)品流量負(fù)荷的變化受制于常規(guī)空氣增壓機(jī)的70％—105％的彈性范圍。若客戶(hù)對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)量負(fù)荷變化有更高要求時(shí)，則需要提高對(duì)機(jī)器的設(shè)計(jì)要求，增加投資。同時(shí)，高壓氧氣、氮?dú)猱a(chǎn)品的壓力若要改變，則受限于其對(duì)板翅式換熱器的影響，通常只能在產(chǎn)品汽化后經(jīng)閥門(mén)調(diào)節(jié)壓力，此舉將浪費(fèi)大量能耗，不利于節(jié)能。
(2)減少了1臺(tái)高壓壓縮機(jī)和兩臺(tái)高壓液氮泵的優(yōu)勢(shì)在于：①裝置運(yùn)行更加可靠，對(duì)于任何大型成套裝置，運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械愈少，故障就愈少，停車(chē)機(jī)會(huì)也愈少；②減少操作人員，維護(hù)工作量減少，特別是節(jié)省了維護(hù)費(fèi)用和備、配件費(fèi)用；③減少了占地面積。
3 結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，在特定的條件下，采用帶氮?dú)庋h(huán)增壓機(jī)液氧泵內(nèi)壓縮流程的大型空分設(shè)備是合理的，它的適用范圍應(yīng)該是：需要有高、中、低壓不同氮?dú)猱a(chǎn)品要求；要大氣量高壓氮產(chǎn)品的大型空分設(shè)備或者產(chǎn)品負(fù)荷變化很大；采用高壓蒸汽的蒸汽輪機(jī)作為原料空壓機(jī)、增壓機(jī)和氮壓機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置的大型空分設(shè)備。另外，當(dāng)電價(jià)≤0．5元／(kW·h)時(shí)，采用這種流程也是可取的。
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