制氧装置的工艺和设备节能要点

□丁雅婧

工业气体氧、氮、氩、二氧化碳等，具有固有的物理和化学特性，因此在各行各业占有举足轻重的地位。其中，氧气和氮气的生产属于化工行业，能耗尤其是电耗较高，其工艺、设备等的节能设计尤为重要。

一、制氧工艺节能

(一)常见制氧工艺的比较。目前，常见工业制氧工艺包括电解法、膜法富氧技术、深冷法和变压吸附法。电解法能源消耗量巨大，不可选用；膜法富氧技术制氧能耗虽低，但作为一种新兴的制氧技术，还在不断拓展应用领域，尚需作进一步的研究和发展，且由于高效膜分离材料缺乏，应用局限性较大；变压吸附虽然一次性投资略低于深冷工艺，但产品纯度较低。深冷法分子筛工艺流程，虽然设备多，但该工艺是最成熟，应用最广泛的制氧工艺，装置开启后可长期稳定运行，产品纯度高，能够满足企业对于装置生产能力的要求，适合大型化生产。

(二)氧气压缩方式的两种流程。氧气的压缩方式在流程选择上有两种：一是外压缩流程，使用氧压机压缩出空分设备的低压氧气，送往用气点；二是内压缩流程，使用液氧泵压缩液氧，经换热器汽化后送往用气点。外压缩流程占地面积大，内压缩流程占地面积小，均具有安全性高、能耗低、投资低、供氧可靠、经济效益好等特点。

(三)深冷法制氧工艺的系统和设备。深冷法采用分子筛净化空气带增压膨胀流程，精馏塔采用填料塔，全精馏制氩流程。该法消耗的主要能源和耗能工质是电、水，主要包括以下几大工艺系统和设备。

1.空气过滤及压缩系统。空气过滤器、空气压缩机。

2.空气预冷系统。空气冷却塔、水冷塔，冷却水泵和冷冻水泵、冷水机组等。

3.空气纯化系统。分子筛吸附器、电加热器等。

4.透平膨胀机系统。增压透平膨胀机组以及增压机后冷却器。增压透平膨胀机利用膨胀机输出的膨胀功，来增加膨胀空气的压力，膨胀空气的单位制冷量可以明显提高，减少膨胀空气量，从而使分馏塔上塔工况稳定，氧、氩提取率进一步提高。因此，它既能节约能源，又可使热力学过程更趋完善。

5.分馏塔冷箱系统。塔内有主换热器、过冷器、冷凝蒸发器、上塔、下塔、粗氩塔、纯氩塔、粗氩冷凝器、纯氩蒸发器、纯氩冷凝器、工艺液氩泵等。分馏塔系统是制氧的核心系统，该系统利用低温精馏分离空气中的氧、氮、氩等。

6.压缩机：氧气压缩机、氮气压缩机。原料空气先经自洁式空气过滤器除去灰尘及其它杂质，然后进入离心式空压机，经压缩机压缩后进入空气冷却塔冷却。空气冷却塔采用直接接触冷却，使空气温度降低，同时清洗空气中的杂质。

二、制氧设备节能

制氧机组的主要耗能设备有离心式空气压缩机、氧气压缩机、氮气压缩机，三者耗电量约占总耗电量的92%；其次是电加热器，耗电量约占总耗电量的3%；其余是冷水机组、风机、水泵等公用设备。主要设备节能要点如下。

(一)离心式空气压缩机。按照工作原理，压缩机可分为速度式压缩机和容积式压缩机。离心式压缩机属于速度式压缩机，离心式空气压缩机工作稳定、可靠，具有以下特点：重量小结构紧凑；排气量范围大、均匀，风机压头相对稳定，无脉动；易损件少，运转可靠、寿命长；大排量时效率高、能耗低。离心式压缩机广泛应用于大流量、需长期平稳运行、压比不高的工况。

离心式空压机采用节能型进气导流叶片，在用气量变化时，自动调节导流叶片开度，整机效率高，达到最佳节能效果。

离心式空压机喘振是指当离心式空压机的入口流量低于一特定值时，压缩机能量头不足以克服背压而在气道内形成的一种周期性往复震荡现象。喘振不仅破坏系统稳定性，而且加剧设备磨损。为避免喘振现象的发生，可从压缩机出口旁通一部分气流直接进入压缩机的吸入口，加大吸入量。离心式空压机结构设计合理、材质选择合理，有利于提高系统效率，降低系统动力消耗。

(二)规整填料塔。分馏工序采用规整填料塔，与传统筛板塔相比，阻力大大降低，降低空分设备的生产能耗。热、质交换充分，分离效率高。操作弹性大，不产生漏液、液泛，持液量少，负荷调节范围大，适应性强。

(三)电加热器。分子筛活化直接影响液氧、液氮的纯度，所以分子筛加热器对产品质量的影响较大。常用的加热器有蒸汽加热器和电加热器。蒸汽加热温度比较低，有泄漏可能，而且存在爆沸噪音。温度低的液态碰到高温的蒸汽接触面会发生爆沸，形成噪声。电加热效率高于蒸汽加热，所以通常选用电加热器。

立式径向流分子筛吸附器采用同心圆双层床结构。从结构上来看，立式径向流分子筛吸附器在流速分布方面要比卧式吸附器更合理。而且设备床层稳定性能高，吸附剂不会混床，延长其使用寿命。

(四)氧气压缩机、氮气压缩机。氧气压缩机产气量大于6,000m3/h时，应采用离心压缩机，也可采用节能型进气导流叶片，并采取反喘振措施。

(五)冷水机组。水冷螺杆式超低温冷水机组安全可靠，操作便捷：配备各类安全保护装置，性能稳定、噪音低、使用寿命长、操作简单；采用液晶显示人机界面，操作简单便捷，运行状况一目了然，保证机组高效可靠运行。

(六)公用设备。推广节能装饰和装修、积极利用自然光及自然通风、加强建筑物的自然通风。采用分区照明的方式，要求高的区域采用较高的照度，要求较低区域采用较低的照度。

设备选用的高压电机、低压电机均为推荐使用的高效电机，高、低压电机效率均达到1级能效水平，选用的泵达到节能评价值，风机、冷水机组达到1级能效水平。所有工艺设备均选用高效节能产品，提高工作效率，达到降低能耗的作用。

采用自动化控制，可实现整个流程各系统的自动控制，远程操作及微机管理，可完整地监控整个系统的生产情况。

供水系统采用分质分压供水，减少了新鲜水用量和外排水量。所用管件、阀门、止水阀等应选用密封性能好、阻力小的节水产品，严格控制各用水点的水压和水量。生产区卫生设施采用自动冲洗控制器可节水70%以上；感应式自动洗手洗控制器可节水80%以上。

三、结语

管理制度上，建立计量管理制度，对相关用能点的计量器具配备情况进行强制要求，对计量技术档案管理、计量器具流转制度、计量器具周期检定制度等作出明确规定，并对能源计量器具中电、新水等的计量精度和检测情况提出明确的要求。通常所涉及能源(电、水等)的计量器具配备率都达到100%，计量器具的精度符合相关规定，并满足生产所需。按照以上工艺和设备，并统筹考虑总图、建筑、电气、水以及自动化的节能，生产过程中严格执行计量管理制度，做到稳定生产，从而降低单位产品能耗。