当前国产空分设备发展状况

蒋 旭，江楚标，徐伟民，丁友胜，赵小莹

(中空能源有限公司设计研究院，杭州滨江 310051)

随着我国能源化工产业的大力发展，煤化工、化肥、钢铁和有色金属冶炼以及集中园区式供气项目日益增多，与之配套的空分设备需求也越来越多。目前我国空分设备的产能已达600万Nm3/h，随着市场需求的进一步扩大，其规模将会不断迈上新台阶。

国内空分技术的发展已有近50年的历史，尤其近十年来的进步异常迅猛，近十年来以杭氧为代表的国内空分制造商一次又一次攻城略地，节节攀升，使得国产空分设备在特大型空分规模上同世界领先企业的差距进一步缩小。具有代表性的是开封空分德州40000 Nm3/h空分设备，中国空分包钢40000 Nm3/h空分设备(EPC)，杭氧北台50000 Nm3/h空分设备、杭氧宝钢60000 Nm3/h空分设备，杭氧广西盛隆8万等级空分设备，杭氧伊朗12万及杭氧神华宁煤10万等级空分设备，在我国空分设备技术发展和壮大当中具有里程碑式意义。

增大单套空分设备的制氧规模，不仅可以减少一次投资，节省能耗，缩小占地面积，减轻操作人员的工作维护量，而且可以减少金属材料及能源的消耗。总的投资和消耗会降低不少，这对于气体投资者及空分用户来说，意义重大。

1 国外空分设备供货商发展现状

深冷分离气体行业的发展已有一百多年的历史，过去10年的大发展打开了工业气体行业的新局面，国际主要气体生产商的数量从7个降至4个。过去10年来规模最大的收购包括Linde收购AGA Group和BOC，以及Air Liquide收购Messer，这些活动大大整合了区域市场。

自从1902年由德国林德公司设计制造出第一台制氧机以来，空分设备不断实现突破，其规模上由小到大，流程上从高压到低压，从传统外压缩到新型内压缩，从制取单一产品到全提取制取稀有气体装置等，技术已经日臻成熟。当前大型空分设备的发展趋势是大型化、高纯度、全提取、低能耗、自动化。

国外空分设备制造商经过激烈的竞争之后，以法液空、林德、APCI、普莱克斯为主。其中法液空声称可以制造18万等级特大型空分设备，其于2005年为加拿大长湖化工项目配套的113880 Nm3/h为目前已有业绩的最大装置。林德公司投运的最大设备为沙特阿拉伯工业气体公司的105000 Nm3/h，主要用于石油化工领域。APCI在北美有运行9万等级的装置。普莱克斯2007年为江苏镇江索普集团醋酸项目配套的90000 Nm3/h设备，也使其跻身国外大型空分装置制造商行列。

在技术特点方面各有所长，例如法液空的径向流吸附器，林德、APCI等的降膜主冷，林德公司的全提取稀有气体工艺，APCI的电子工业用制氮工艺，以及各家公司汽提阀工艺、液体膨胀机、填料下塔等工艺的应用推动了空分技术的发展。

2 国内空分设备发展现状

近几年，国内主要空分设备生产厂家正在研发制造大型乃至特大型空分设备，且已取得很大进展。在单机制氧能力不断扩大的同时，空分设备的流程和配置不断更新，能耗不断降低，工作压力也不断降低，由于流程和配置的不断改进，大型空分设备的单位制氧电耗由 0.6 kWh/m3降至 0.4 kWh/m3，氧提取率上升为97% ～99%，氩提取率上升到55% ～90%，大加温周期由1 a增至3 a以上。

20世纪80年代后，我国空分行业紧跟世界先进水平，提升了自己的竞争力，提前进行了技术储备。从1996年开始，我国空分行业开始引进国外先进的流程和计算软件，并进行了二次开发，引进了一些先进的加工设备和检验设备，对厂房进行了扩建以适应中大型空分设备的加工，在软件和硬件设施上都为空分行业的腾飞做好了准备。如今软件应用上已同世界领先企业相同，但在制造、实验、经验积累及理论研究方面差距仍然很大。2002年至今这10余年当中，空分装置不断大型化，步入了8～12万等级攻坚期。

2.1 杭州杭氧股份有限公司

杭氧股份始建于1950年(原名浙江铁工厂)，1958年改名为杭州制氧机厂，1995年建立杭州制氧机集团有限公司，2000年合资组建了杭州杭氧科技有限公司，2002年变更为杭州杭氧股份有限公司，之后融资上市。

杭氧股份的空分装置在我国空分市场占有率一直保持在50%左右，处于国内同行业领先地位。其自行设计、制造的国内首套60000 Nm3/h O2大型空分设备已于2006年成功开车，目前最大装置规模为80000 Nm3/h，120000 Nm3/h的装置正在设计之中。

到目前为止，杭氧在全国各地共投资气体公司25家，其中10家已顺利投产运营。项目进行中充分发挥了杭氧专业技术优势，使气体公司生产运营成本最低化、效益最大化。杭氧目前为国内领先企业，国产空分的第一梯队。

2.2 川空集团

川空是后起之秀，在国内市场同样占据较大的份额，但是川空在近些年逐渐偏离主业，主要倾向LNG，在技术上无大的进步，空分市场竞争激烈，技术更新快速，一旦落后将会逐渐淡出，这一点应当引起警惕。目前最大装置制氧量为55000 Nm3/h，川空目前为国产空分的第二梯队。

2.3 开封空分集团有限公司

原名开封空分设备厂，1997年改制为国有独资公司，2004年整体转让给深圳市金信安投资公司、广东大顶矿业公司、广东明珠公司，之后被永煤收购。目前该公司自行设计生产的最大装置制氧量为60000 Nm3/h。开封空分人员复杂，亏损较大，目前为国产空分的第二梯队。

第三梯队有中空能源、河南开元、开封黄河;第四梯队为苏氧、上海启元、开封迪尔、开封赛普、杭州福斯达等近20家中小公司;第三和第四梯队中部分企业发展潜力巨大，有望通过技术引进、融资壮大和扩大制造能力在几年内快速发展进入国内空分第二梯队。

3 空分流程形式和分类

空分设备流程按压力分高压流程、中压流程、低压流程;按用途分冶金型、化工型;按产品种类分双高流程、单高流程、全液体流程、液化装置等;按产品的压缩方式分内压缩流程［双泵内压缩和单泵内压缩流程(空气循环、氮气循环)］、外压缩流程。

2002～2012年，我国空分设备行业共生产大中型空分设备1500余套，其中冶金(钢铁和有色)工业占空分设备套数约为30%;用于化工行业(以甲醇、二甲醚、合成氨为代表)、造纸、玻璃、制药等占到70%。

空分装置的消耗所在:1.外压缩的消耗:空压机、氧压机、氮压机;2.内压缩的消耗:空压机、增压机、氮压机(若有)。

其它小的辅助设备:水泵、蒸汽加热器、液体泵、油泵、DCS等。

以下以钢铁行业为例，简单介绍冶金型空分装置配套及特点，钢铁企业配套的空分装置产品一般要求:1.氧气压力3.0 ～12.0 MPa(G)，纯度99.6%O2;2.氮气压力3.0 ～12.0 MPa(G)，纯度 ＜10 ×10－6O2;3.液体比例占氧产品的 ～5%，～8%，～15%，～20%，～25%，～30%。

针对用氧要求，现在国内冶金及化工行业配套的空分装置基本如下:

1.10000～70000 Nm3/h O2的空分装置基本为国产，70000 Nm3/h O2以上以进口为主。

2.外压缩流程的配置基本相同:1)空压机及过滤系统:采用国产或进口机器配国产自洁式过滤器;2)氮水预冷系统:充分利用干燥氮气的冷量，降低冷冻水温度，取消冷水机组(或带备用冷水机组);3)纯化系统:采用电加热或蒸汽加热，自动切换;采用分子筛+氧化铝双层床结构，延长分子筛的寿命，卧式或者立式径向流;4)制冷系统:2台国产膨胀机，1用1备;5)换热系统:国产低压板式;6)主精馏系统:筛板下塔(或者填料下塔)，规整填料上塔，板翅式主冷(单层或者多层);7)制氩系统:规整填料氩塔，全精馏三塔制氩;8)压氧系统:国产氧透或氧活塞;9)压氮系统:国产氮透或氮活塞;10)仪控系统:国产或进口DCS。外压缩流程的优点是:配套要求低，配套机组或阀门价格低、投资少。

3.内压缩流程的配置变化相对较多:1)空压机及过滤系统:采用国产或进口机器配国产自洁式过滤器，增压机一般为进口;2)氮水预冷系统:充分利用干燥氮气的冷量，降低冷冻水温度，取消冷水机组(或带备用冷水机组);3)纯化系统:采用电加热或蒸汽加热，自动切换;采用分子筛+氧化铝双层床结构，延长分子筛的寿命;4)制冷系统:2台国产膨胀机，1用1备;或者1台进口膨胀机;或者1台进口加1台国产膨胀机，大型内压配置液体膨胀机;5)换热系统:高低混合国产大板式或者高低混合进口大板式或者分体式(低压板式用国产，高压板式用进口)，同时配套液体泵加压;6)主精馏系统:筛板下塔(大型为填料塔)，规整填料上塔，板翅式主冷(单层或者多层，国外多用降膜主冷);7)制氩系统:规整填料氩塔，全精馏三塔制氩;8)压氮系统:国产氮透或氮活塞;9)仪控系统:国产或进口DCS。

内压缩流程的特点是:产品提取率高，安全性好，占地面积少，配套要求高，可以带大量的液体。

4 国产空分设备主要业绩

表1为国产空分供货商代表性业绩。

表1 国产空分业绩表Table1 The table of domestic extra-large ASU

以上业绩涉及钢铁、煤化工、大型化肥、煤电联产等不同行业。

5 核心单元设备的配套

1.压缩机组:空压机、增压机及一拖二驱动汽轮机是成套空分设备投资和能耗的关键部分。6万等级以上空分单台投资均采用进口产品，目前曼透平公司和西门子公司的离心机可满足10万等级以下配套，轴流+离心可满足20万等级以下配套。陕鼓和沈鼓轴流+离心可满足配套10万等级以下配套。汽轮机进口曼透平、西门子均可配套;国产杭汽可满足配套。

2.分子筛纯化器:国内空分设备供货商一般选择加长卧式吸附器或者立式径向流吸附器来解决。其难点在高度方向上防偏流，以及吸附剂的更换;做流场分析时尤其模型要选正确，否则会与实际运行不符合;对于内分配器均须采用微分法精确计算，防止塔变高后偏流。

分子筛纯化器对于超限塔径，采用现场制作，8～12万等级空分设备所配套的卧式分子筛纯化器的直径4.6～6.2 m，长22～28 m，采用高效分子筛可以使塔径控制在4.8 m以下，采用厂内制作。

3.膨胀机:进口膨胀机选用ACD、CRYOSTAR、ATLAS等产品，膨胀机国外目前可以做到配套160000 Nm3/h等级的空分设备;对于节能要求较高的客户(内压缩4万等级以上)可以配套液体膨胀机，其节省能耗约2%左右。

4.下塔:方案是采用填料塔，国外目前对于6万以上下塔均采用填料塔，可以利用苏尔寿成熟的填料技术，将上塔分为两段(从主冷分及氩馏分抽口分两种)，降低塔的整体高度，同时粗氩塔冷凝器的高度也跟着降低。

5.主冷:采用卧式高效主冷(配管较复杂)，或者三层、四层立式主冷(顶部设置液氧罐，最后一层液面与进液阀联锁;氧气升气管路全走外面)，以及小温差降膜主冷的研发，满足特大型空分设备配套需求。

6.低温泵:CRYOSTAR、CRYOMEC、ACD 等国际知名品牌，且经过实践检验和众多用户认可的品牌，对于8到12万等级空分设备的配置要求完全可以满足。目前杭氧在6 MPa等级液体泵的研发方面已经取得进展。

7.配套阀门:高压或者大压差及氧气阀门采用进口，配套国外著名厂家产品，如冷箱内低温调节阀、高压氧气送出阀、放空阀采用 SAMSON、FLOWSERV等国际知名品牌，使得成套设备运行及安全有保障。国产阀门目前发展混乱，层次比较低。

6 空分行业前景展望

随着国家经济的不断高速发展，经济规模的壮大以及国家产业结构的调整，空分设备的应用领域也在不断的增加，市场的主要对象也在不断地增加和变化。特别是在下述几个领域对氧气、氮气产品的需求处于快速增加阶段。

冶金行业:熔融还原炼铁、熔融还原冶炼有色金属这种环保型新工艺属国家支持对象，现阶段处于发展初期，在宝钢、荣成钢厂、龙莽集团已开始中试或应用，对氧气、氮气产品的需求是传统工艺的10倍左右，所以随着熔融还原工艺的成熟、推广，大型空分装置的需求是不可想象的。

整体煤气化联合循环发电(IGCC):这种新工艺被称为绿色发电，是环保型工艺，属国家重点支持对象，现阶段也处于发展初期，华能集团在天津发电项目，华电集团在浙江半山发电项目都采用IGCC绿色发电技术，一台25万kW的中型发电机组就需要46000 m3/h的空分装置。

煤化工、煤化肥领域:随着世界石油的供应紧张，中国的煤制甲醇、煤制二甲醚、煤制油、煤制烯烃技术处于高速发展阶段，对氧气、氮气产品的需求是巨大的。一套60万t/a甲醇装置就要配套80000 m3/h的氧气，一套100万 t/a煤制油装置就要100000 m3/h的氧气，一套80万t/a煤制二甲醚装置就要配套86000 m3/h的氧气，一套30万t/a合成氨+甲醇装置就要配套80000 m3/h的氧气。

如今煤化工才刚开始几年，相信仍然有10余年的黄金时期，同时国内有条件的企业应该积极投入跨国公司行列，以在世界市场中占有一定份额。

7 结束语

国产空分供货商以杭氧、川空、开空、中空为代表，几大厂家积极总结近几年运行的大型空分设备在流程组织、计算、设计、制造、配套、运输、安装、开车调试、运行等各方面的经验和教训，大力开发先进流程，创新设计空分大型单体设备，如今已经取得成功。

目前国外最大在运行的空分设备是由法液空设计制造的12万等级空分设备，由林德公司设计制造的最大高纯氮设备规模已达33万等级。国内空分企业也在不断开拓进取，积极响应国家特大型空分设备国产化的号召，加大自主研发力度，最大制造规模等级不断破纪录，当然国产空分设备的每一次飞跃都与国内客户的信任与支持分不开。

当前从流程模拟计算方面不管国产还是进口差别都不大，制约空分大型化或者超大型化的瓶颈是大型塔器现场制造的相关经验，这方面国内制造商还和国外的法液空、林德、空气化工产品、普莱克斯等世界领先企业有差距，所以从这一点来说更需要国产用户的认可和支持，共担风险，使国产空分设备的特大型化不断有新的飞跃，为民族气体工业的崛起做出贡献。