三塔精餾空分設備工藝流程特點，你知道多少？

富氧燃燒(oxygen enriched combustion)，是指用比通常空氣含氧濃度高的富氧空氣進行燃燒，它是一項高效節能的燃燒技術，在玻璃工業、冶金工業及熱能工程領域均有應用。根據富氧燃燒對氧濃度的需求（氧濃度≥95%），進行空分流程優化，研究低能耗低成本的空分工藝。

燃煤背景

燃煤產生的有害排放物產生酸雨、引起臭氧層破壞、產生溫室效應，減排CO2已經引起國際社會越來越高的重視，應對全球氣候變化已是當今人類在能源生產中面臨的重大挑戰。

如何減少CO2的排放成為人們關注的焦點，常規空氣燃煤發電的煙氣中CO2含量只有14～16%，直接從煙氣中回收低濃度的CO2，將使電站效率降低7～29%，發電成本增加1.2-1.5倍，因此為了得到高濃度CO2，減少回收難度、提高經濟效益，富氧燃煤(O2/CO2)技術成為大家研究的焦點。

富氧燃煤(O2/CO2)發電技術能直接、大規模捕集CO2，能夠直接回收並埋存，在世界範圍具有廣泛的意義。設計和建設富氧燃煤示範設備，世界上很多國家已經或正在開展。經初步研究富氧燃煤發電不但有利於CO2捕集，更能減少排煙損失，和提高鍋爐熱效率，節能效果非常明顯，同時還能減少NOX，SO2，CO的排放量。

富氧燃煤空分特點

富氧燃煤對氧氣的要求和其他行業對氧氣的要求不同，因為富氧燃煤鍋爐運行壓力為微正壓，所用氧氣壓力低，接近大氣壓，能滿足輸送過程的阻力損失即可；富氧燃煤另一個特點是對氧氣需求量大，氧氣純度不高（≥95%），200MWe燃煤鍋爐大致需要95%純度的氧氣約123000Nm3/h，不需要氮氣、氬氣及液體產品。

富氧燃煤發電需要配套的制氧機與傳統空氣燃煤發電而言，是多出來的一個較大的耗能裝置，為了提高富氧燃煤發電的總體經濟效益，選擇合適的低能耗的制氧裝置就顯得尤為重要。

對於大型空分制氧設備，深冷低溫精餾無疑是最經濟可行的空分流程。根據富氧燃燒對氧濃度的要求，進行深冷空分流程優化，研究低能耗低成本的空分工藝具有重要意義。

技術方案及說明

工藝流程分析

傳統的雙塔流程（一次精餾下塔和二次精餾上塔）為空分經典流程，適用於高純度的氧（99%以上），雙塔流程提供了高濃度產品的能耗和投資的最佳平衡。而對於富氧燃煤需求的低純度的氧，在理論上分離功會下降，即空分裝置存在降低制氧電耗的潛力，空分的流程形式則不同於傳統的雙塔流程（雙塔流程能耗高，沒有優勢）。針對不同產品特點開發不同流程，在能耗、投資、操作、適應性等方面會有最好的效果。

產品參數及特點

200MWe富氧燃煤電廠的純氧消耗量為117501Nm3/h-O2，（氧濃度>95%），考慮一定餘量，空分系統雙系列空分規模暫按2×70000Nm3/h，氧氣壓力1.5bar.a，產品規格如下。

表1主要技術指標

空分產品有以下特點：

（1）氧氣純度低，95%，較傳統的99.6%氧氣純度低（2）產品氧氣壓力低，絕對壓力1.5bar（A），採用液氧自增壓，無需設氧氣壓縮機

工藝方案比較

根據產品基本特點，經過認真比較計算，空分裝置可能的流程形式主要有以下兩種：

（1）傳統的雙塔精餾，一個壓力塔（下塔）+一個低壓塔（上塔），液氧自增壓；

（2）新流程形式：三個精餾塔，兩個壓力塔（壓力不同）+一個低壓塔（上塔），液氧自增壓；

（3）純氧與空氣混合成90%氧方案。

第三種方案能耗、投資均沒有優勢，固不作比較。

兩種方案能耗比較如下：

備註：

+0表示以此為基準；

高壓蒸汽按120元/噸來進行運行成本的核算。年運行時間按8000小時。

通過以上比較可以看出，三塔精餾方案，即兩個下塔+一個上塔，由於低壓力空壓機排壓降低了2.15bar，總體能耗降低了近10%，優勢非常明顯。

三塔精餾流程介紹

1

空氣過濾和壓縮（分為高壓力部分和低壓力部分）

高壓力部分：空氣首先進入自潔式空氣吸入過濾器，在空氣吸入過濾器中除去灰塵和其它顆粒雜質，然後進入高壓力空壓機，經過多級壓縮後進入空冷塔，壓縮機級間的熱量被中間冷卻器中的冷卻水帶走。

低壓力部分：（描述同高壓力部分）。

2

空氣的冷卻和純化（分為高壓力部分和低壓力部分）

高壓力部分：空氣在進入分子篩吸附器前在空冷塔中冷卻，以儘可能降低空氣溫度減少空氣中水含量從而降低分子篩吸附器的工作負荷，並對空氣進行洗滌。進入空冷塔上部的冷凍水，首先在水冷塔中利用乾燥的出分餾塔污氮氣進行冷卻，然後再進入空冷塔上部。

分子篩純化系統由兩台分子篩吸附器和蒸汽加熱器組成，分子篩吸附器吸附空氣中的水份、二氧化碳和一些碳氫化合物，兩台分子篩吸附器一台工作，另一台再生。

低壓部分：（描述同高壓力部分）

3

空氣的精餾

凈化後高壓部分的加工空氣分為兩部分：一小部分被抽出作為儀錶空氣；另一部分空氣進入主換熱器，被返流氣體冷卻，冷卻後的空氣分成兩股：一股進入高壓力下塔；另一股進入液氧蒸發器加熱液氧使液氧汽化，被冷凝成液體後一部分進入高壓力下塔，另一部分進入低壓力下塔。空氣經下塔初步精餾後，在下塔底部獲得液空，在頂部獲得液氮。

凈化後低壓部分的加工空氣分為兩部分：一部分進入主換熱器，被返流氣體冷卻，冷卻後的空氣進入低壓力下塔；另一部分相當於膨脹量的空氣進入透平膨脹機的增壓端增壓，經(增壓後)冷卻器冷卻後進入主換熱器，冷卻到一定溫度後從主換熱器中部抽出進入膨脹機，膨脹後的大部分空氣送入上塔；

4.3.1高壓力下塔從上到下產生以下產品：

·液氮

·貧液空

·富氧液空

下塔各產品去向如下：

富氧液空：

·節流進入低壓力下塔冷凝器，作為冷源。

貧液空經過冷器過冷後：

·節流進入上塔，作為其迴流液。

液氮：

·純液氮在過冷器中過冷後送入上塔頂部作迴流液。

4.3.2低壓力下塔從上到下產生以下產品：

·液氮

·富氧液空

下塔各產品去向如下：

富氧液空：

·節流進入低壓力下塔冷凝器，作為冷源。

液氮：

·液氮在過冷器中過冷後送入上塔頂部作迴流液。

4.3.3在上塔從上到下產生以下產品：

·頂部產生污氮氣

·底部產生液氧

上塔各產品去向如下：

污氮氣從上塔上部抽出後經過冷器和主換熱器復熱至設計溫度出冷箱，一股污氮用於分子篩吸附器的再生, 另一股送到水冷塔對水進行冷卻，還有一小部分進入冷箱，對冷箱充氣。

液氧從上塔底部抽出進入液氧蒸發器，被空氣加熱汽化後進入主換熱器復熱到常溫後送往用戶。

★空分裝置的原料是大氣，其主要的消耗是能源，因此，在如何進一步降低能量消耗顯得尤為重要。對於採用低溫精餾的成套設備，提取率和能耗成為評價成套設備經濟指標和技術指標的主要參數；空分裝置為用電大戶，在能源日益緊張的情況下，對於不用行業不同領域的用戶，為他們提供更低能耗更合理的工藝流程，研製生產出低能耗的成套裝置，不僅可以做到降低能耗，降低生產成本，提高總體經濟效益，對日趨緊張的能源需求也可以起到一定的緩解作用。

★深冷空氣分離制氧設備的最小分離功由裝置制氧量和流程壓力決定，在氧氣量一定的情況下，氧氣純度降低，空氣分離所需的最小分離功減小，制氧能耗降低。因此，對富氧燃燒等低純度制氧裝置，不能仍然按常規傳統的制氧流程對待，而應該從精餾、流程組織等方面來挖潛，研究新型裝置，以降低制氧功耗。

★對於富氧燃燒低純度氧氣裝置，採用三塔流程，氧提取率99%以上；低壓力空壓機排壓從5.6bar（A）降到了3.45bar（A），整體能耗比常規雙塔流程低了近10%，具有重要意義。

文章來源：氣體分離

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！