化工空气分离装置的工艺优化和技术改进

及辉(青海盐湖元品化工有限责任公司，青海 格尔木 816099)

0 引言

文章介绍了从空气中分离工业气体的过程，并指出了每个过程的经济或其他限制。对于装有燃气轮机或作为副产品有大量多余热量或能量的设施，介绍了低温和非低温工业燃气流程的集成机会。与这些特性相关的过程通常是氧气吹炼、部分氧化、 f-t 工厂，它们生产化学品、燃料、动力、合成气或合成原油产品，同时提出了低温工业气体发电厂和整体煤气化联合循环发电设备的集成解决方案。

1 非低温工业气体加工技术概述

1.1 吸附

吸附过程是基于一些天然和合成材料优先吸附氮的能力。在沸石的情况下，非均匀电场存在于材料的空隙空间中，导致分子的优先吸附，这些分子与那些具有较大的静电四极矩的分子一样，更易极化。因此，在空气分离中，氮分子比氧分子或氩分子吸附得更强。当空气通过沸石物质层时，氮气被保留下来，富氧气流离开沸石层。碳分子筛的数量级和空气分子一样大。由于氧分子比氮分子稍小，它们扩散进入吸附剂的空腔的速度更快[1]。因此，碳分子筛对氧有选择性，分子筛对氮有选择性。沸石通常用于基于吸附的氧气生产过程。压缩空气进入装有吸附剂的容器。氮气被吸附，富含氧气的废水流被产生，直到床被氮气饱和。在这一点上，进料空气被切换到一个新鲜的容器和再生的第一床可以开始。可以通过加热床层或降低床层压力来实现再生，从而降低吸附剂的平衡含氮量。加热通常称为变温吸附(TSA) ，减压通常称为变压或真空变温吸附(PSA或VSA)。减压循环周期短，操作简单，是空分设备的首选工艺。影响操作效率的工艺变化包括分别对空气进行预处理以去除水和二氧化碳，在床层切换期间允许压力能量回收的多床，以及减压期间的真空操作[2]。根据产品流程、纯度、压力、能耗和预期使用寿命对系统进行优化。氧气纯度通常是93%～95%体积。

1.2 聚合物膜系统

使用聚合物材料的膜过程是基于氧气和氮气通过分隔高压和低压过程流的膜的扩散速率的差异。通量和选择性是决定膜系统经济性的两个性质，两者都是特定膜材料的功能。膜通量决定了膜的表面积，是压差除以膜厚度的函数。随着膜的类型而变化的比例常数叫做渗透率。选择性是待分离气体的渗透率之比。由于氧分子体积较小，大多数膜材料对氧的渗透性大于对氮的渗透性。膜系统通常仅限于生产富氧空气(25%～50% 氧气)。活性或易化传递膜包含了一种氧络合剂，以提高氧的选择性，是一种潜在的提高膜系统中氧纯度的方法，假设也有与氧相容的膜材料。膜分离的一个主要优点是过程的简单性、连续性以及在接近环境条件下的操作。风机提供足够的压头压力，以克服通过过滤器、薄膜管和管道的压降。膜材料通常组装成圆柱形模块，这些模块通过多联连接在一起，以提供所需的生产能力。氧气通过纤维(中空纤维型)或通过片(螺旋缠绕型)渗透，并作为产品提取。真空泵通常维持膜上的压力差，并以所需的压力输送氧气。二氧化碳和水通常出现在富氧空气产品中，因为对于大多数膜材料来说，二氧化碳和水的渗透性比氧更强。然而，膜系统容易适应多达每天20 t的应用，用水和二氧化碳污染物富集空气的纯度可以被容忍。这种技术比吸附或低温技术更新，材料的改进可以使膜对较大的氧需求更具吸引力。

2 低温工业气体处理技术

2.1 低温加工概述

低温空气分离技术是目前生产大量气态或液态氧、氮和氩的最有效和最具成本效益的技术。空气分离装置(ASU)使用传统的多柱低温精馏过程，以高回收率和纯度从压缩空气中产生氧气。低温技术还可以以相对较低的增量成本生产高纯度的氮气作为有用的副产品流。此外，液氩、液氧和液氮可以添加到产品板岩中，用于储存产品备份或副产品销售，增加的资本和电力成本较低。作为通过规模经济降低单位成本的一种方法，继续研究如何提高单台设备列车的生产率。 大多数设备使用传统的电动马达驱动设备压缩空气进料到空分设备，以及氧气和其他产品流。值得注意的是，IGCC 设施通过从燃气轮机中抽出空气来接收所有的空气供给，该燃气轮机用于从煤制合成气发电的联合循环[3]。

2.2 压缩周期

空气分离过程通常产生的气体产品流略高于大气压力和接近环境温度。通常产品的氧气在低压下离开主热交换器，压力范围从3.5～70.0 MPa 不等，离心式压缩机组的进口体积流率相对较高，在所需压力下输送产品。世界各地有数百家这样的工厂。

2.3 泵送液体循环

液体产品可以从蒸馏部分上游的低温热交换器用于蒸发和加热。这些产品可以被泵送到所需的输送压力或中间压力。然而，由于从蒸馏系统生产液体产品所需的功率是生产气体产品的2～3倍，因此循环必须有效地回收泵送产品流中所含的制冷剂。这是通过对低温热交换器中的蒸发产物流进行高压冷凝空气或氮气进料流来实现的。液化空气或氮气原料返回到蒸馏部的冷藏。将产品流抽到空分设备出口处的中间压力的泵送液体工艺循环称为部分泵送液体循环，它需要额外的设备将产品流压缩到最终的输送压力。产品流的全泵或部分泵增加了优化低温循环的另一个自由度，可以消除或减小氧气压缩机的尺寸。

2.4 低压和高压循环

低压(LP)空分单元循环的基础上压缩的饲料空气只有压力要求拒绝氮副产品在大气压力。因此，进料空气压力通常在360～6 000 MPa之间变化，这取决于氧气纯度和所需的能源效率水平。高压空分设备循环在远高于大气压力的条件下生产产品和副产品流，通常需要更小和更紧凑的低温部件，这样可以节省成本。EP 循环通常使用超过700 MPa 的进料空气压力。当所有或几乎所有的氮副产品作为产品流被压缩时，EP 循环可能是适当的。此外，为了将空分设备与其他过程单元(如燃气轮机)整合在一起，常常选择 EP 循环。

3 过程替代品的比较及技术改进

通过吸附剂和膜材料的持续研究和开发，吸附和聚合物膜过程将继续提高成本和能源效率。预计这两种技术都无法挑战低温技术大量生产氧的能力，尤其是纯度较高时。无论是吸附系统还是膜系统，都会产生含有大量氧气的副产品氮。如果需要高纯度的氮，则必须采用附加脱氧或其他净化系统来提高氮的质量。这两种方法都不能直接生产氩气或稀有气体。用于系统备份的液氧或氮的生产需要附加的低温装置或从工厂设备运输产品。另一方面，与低温技术相比，吸附和膜过程更加简单和被动[4]。

从燃气轮机压缩机中抽出的空气可以部分或完全满足空分设备的进料要求。在一个简单的配置，ASU 蒸馏压力将设置的萃取空气压力。如果抽出的空气流量小于空分所需的总量，将使用辅助空气压缩机，其排气压力将与抽出的空气压力相匹配。如果抽出的空气供应量约为空分设备总需求量的四分之一，可以独立建立空分设备蒸馏压力，并采用泵送液体工艺。高压萃取空气在低温热交换区沸腾加压液氧和/或氮。辅助压缩空气供应设定空分设备的蒸馏压力。

在使用燃气轮机的设施中，空气可能因各种原因被抽出。作为空气分离装置的进料，作为涡轮机本身的“排气”冷却空气，或设施内对加压空气的其他要求。抽出的空气 含有有价值的热量，这些热量可以通过沸腾液体在离散温度水平上回收，或者通过显热转移到另一种液体中回收。利用回收热量的一类应用是溶剂再生，该过程先进行气体/液体吸收步骤，然后将热量传递到液体，以解吸气体产品或污染物。这一步骤拥有的属性是可以从这种热集成中受益的工艺实例包括但不限于下列单元操作，这些操作可以在碳氢化合物气化或碳氢化合物处理设施中找到。作为低温空气分离装置一部分的液基空气预处理系统的再生。采用液基吸收步骤去除空气进料流中的污染物至空分设备可以从萃取空气热回收中获益。在一个实施方案中，将热空气与来自吸收塔的液体底部相对冷却。冷却后的空气进入塔内并与液体吸收剂接触，其中空气流中的杂质被吸收到液体中。空气到吸收剂加热步骤将解吸吸收液中的污染物，然后将其送回吸收剂柱。吸收系统可以包括一个或多个流体在几个吸收步骤，以提高效率去除或使用特定的吸收剂去除空气流中的特定杂质。吸收剂再生可以包括从其他来源加热，结合加热降低压力以解吸杂质。

抽出的空气中的热量可以通过热空气与工艺流体间接接触，或者通过空气向工作流体(如：蒸汽或惰性气体)传热来回收。在这个例子中，从抽出的空气源中产生的高水平热量被转移到返回到燃气轮机的氮气流中。抽出的空气通过与用于预处理空气进料到空分设备的吸收塔富集底部接触而进一步冷却。这个传热步骤也可以在设备的 POX 或 POX 产品工作区内的其他吸收系统中完成。取决于溶剂和材料的吸收，高水平的热回收步骤可能被取消，所有抽出的空气热量用于吸收器再生。二氧化碳可以作为副产品加工出售，或者在工厂内部使用。一个例子是将二氧化碳作为添加的稀释剂返回到燃气轮机。

4 结语

低温工艺是目前向大型设备供应工业气体的首选方法。工业气体工艺和整个设施内其他单元之间的热、制冷、工艺和废物流的集成可以提高效率和降低成本。先进的热集成概念可能有利于在未来使用化学或 ITM 过程。