1 氮氣循環(huán)增壓內(nèi)壓縮流程優(yōu)缺點
德國林德公司于20世紀70年代開發(fā)了第一臺液氧泵內(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，而是采用氮氣循環(huán)增壓機，將壓力塔頂部的氣氮經(jīng)換熱器復(fù)熱后，再經(jīng)氮氣循環(huán)增壓機壓縮成高壓氮氣，高壓氮氣進入高壓換熱器汽化液氧，而自身被液化后再循環(huán)進入壓力塔。時隔3年后的1979年，林德公司向我國的浙江鎮(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氣循環(huán)增壓機的液氧泵內(nèi)壓縮流程。
當(dāng)時不采用目前普遍使用的采用空氣增壓機的內(nèi)壓縮流程，而采用氮氣循環(huán)增壓機的內(nèi)壓縮流程的主要原因有兩個：
(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冷箱之前還沒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)進行熱交換時，空氣中的水分及二氧化碳必然會凍結(jié)在高壓空氣通道中。而將出冷箱的低壓氮氣壓縮至所需的壓力，再送入主換熱器，就避免了這個問題。
(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的氮氣37000m3/h。經(jīng)當(dāng)時計算，氮氣出循環(huán)增壓機的壓力達12MPa。因而采用氮氣循環(huán)增壓機不僅解決了汽化高壓液氧的熱源，還滿足了用戶對高壓氮氣的要求，比采用空氣增壓機節(jié)省了1臺大流量的高壓氮壓機，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來的凈化空氣作為汽化高壓液氧的熱源，那么采用氮氣循環(huán)增壓內(nèi)壓縮流程有很大的缺點，即與空氣增壓內(nèi)壓縮流程相比，它的能耗較高，主要有以下幾點原因：
(1)氮氣用于換熱和冷凝，其性能比空氣差。例如空氣冷凝溫度比氮氣冷凝溫度高，如果要達到同樣的冷凝溫度，就要使氮氣的增壓壓力高于空氣的增壓壓力；空氣的冷凝熱也要比氮氣的高，汽化同樣的高壓液氧所需的氮氣量也要比空氣量大。
(2)空氣增壓流程氣體在主換熱器內(nèi)的不復(fù)熱損失要小于氮氣循環(huán)增壓流程的不復(fù)熱損失。因為采用空氣增壓流程，這部分空氣僅僅是1次進入主換熱器，因而它的不復(fù)熱損失僅僅是1次；而氮氣循環(huán)增壓流程，其氮氣作為原料空氣的一部分進入主換熱器，形成了第一次的不復(fù)熱損失，出主換熱器的氮氣增壓后又進入主換熱器，造成了第二次的不復(fù)熱損失。
(3)由于氮氣循環(huán)增壓流程需要從精餾塔中抽取大量的氮氣作為蒸發(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氣量太多，會影響精餾塔內(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，空氣壓縮機流量增大，整套裝置能耗增高。正因為氮氣循環(huán)增壓流程具有能耗高的缺點，在出現(xiàn)了常溫吸附凈化空氣流程后，空氣增壓的內(nèi)壓縮流程代替了氮氣循環(huán)增壓的內(nèi)壓縮流程。
2 氮氣循環(huán)增壓與空氣增壓兩種內(nèi)壓縮流程比較
20世紀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)，又使氮氣循環(huán)增壓內(nèi)壓縮流程呈現(xiàn)其優(yōu)越性。因為殼牌合成氣爐流程，除了需要～4．6MPa的中壓氧之外，還需不同壓力等級的氮氣用于煤化工的各種場合�，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)備為例來分析。其對氧氣產(chǎn)量的要求是50000m3／h，而對氮氣卻有5種不同壓力的產(chǎn)量要求，其中8．1MPa的超高壓氮氣要求為～26000m3／h、5．25MPa的高壓氮氣要求為—13300m3／h、3．3MPa的中壓氮氣要求為～48000m3／h、0．75MPa的低壓氮氣要求為19000m3／h和0．5MPa的低壓氮氣要求為18000m3／h。面對這樣的要求，林德公司對兩種流程方案進行了比較。
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臺蒸汽輪機驅(qū)動的原料空氣壓縮機和空氣增壓機、1臺由電機驅(qū)動的低壓氮壓機和1臺由蒸汽輪機驅(qū)動的中、高壓氮壓機，以滿足多種不同壓力的氮氣要求。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：
另一種為氮氣循環(huán)增壓的液氧泵內(nèi)壓縮流程，配備由1臺汽輪機驅(qū)動的原料空氣壓縮機和氮氣循環(huán)增壓機，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氣、高壓氮氣和中壓氮氣產(chǎn)品。再配1臺由電機驅(qū)動的低壓氮壓機用于提供低壓氮氣。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臺高壓壓縮機和兩臺高壓液氮泵。
2．2 設(shè)備總投資和性能
現(xiàn)對兩種流程，按設(shè)備總投資和設(shè)備性能等做一簡略比較，以便說明何種情況下，選擇氮氣循環(huán)增壓液氧泵內(nèi)壓縮流程是合理的。
首先，從能耗上來比較。按本文開頭所述，相對空氣增壓內(nèi)壓縮流程來說，氮氣循環(huán)增壓內(nèi)壓縮流程的能耗要比空氣增壓流程的高。但如果此項目氮氣產(chǎn)量為氧氣產(chǎn)量的2．5倍，對流程進行優(yōu)化后，氮氣循環(huán)增壓流程的能耗可以僅比空氣增壓流程的能耗高約2％。為減少從中壓塔提取大量中壓氮影響氧氣及氬氣產(chǎn)品提取率，利用低壓氮氣產(chǎn)品壓縮機將低壓氮氣增壓后送人氮氣循環(huán)增壓機。此時，雖然低壓氮氣產(chǎn)品壓縮機的流量因此要增大，但相對于整個空分設(shè)備來說，其增加的投資是很小的，而節(jié)約的能耗卻不小。
相對于空氣增壓流程來說，氮氣循環(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)；而在我國西部大開發(fā)地區(qū)的大型煤化工企業(yè)，其高壓蒸汽價一般為45—60元／t(2004年價)，電價一般為0．25～0．45元／(kW·h)，為了更有說服力，高壓蒸汽按70元／t計算。計算方法是國際公認的NPV(技術(shù)新增經(jīng)濟效益的凈現(xiàn)值)，即計算空分設(shè)備每增加lt／h蒸汽消耗，相當(dāng)于多少一次性投資。關(guān)于運行年限，一般回報率按5—7年計算，這里按7年、每年運行8585h計，年利息為6％。按此計算出每1h增加1t蒸汽消耗相當(dāng)于增加投資335．5萬元人民幣，那么對于采用氮氣循環(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1006萬元。如果用戶沒有高壓蒸汽而采用高壓電網(wǎng)供電，用電機驅(qū)動，電價按0．50元／(kW·h)計，則每增加lkW·h電耗，相當(dāng)于增加投資23962元，按增加820kW·h計，則相當(dāng)于增加總投資1964．9萬元人民幣。
第二，從成套裝置的工廠投資總資本來考慮，由于空氣增壓的雙泵內(nèi)壓縮流程比氮氣循環(huán)增壓液氧泵內(nèi)壓縮流程多了1臺由汽輪機驅(qū)動的高壓壓縮機和兩臺高壓液氮泵，相應(yīng)又要增加儀、電控設(shè)備及土建、安裝和調(diào)試等費用，如果這些全折算成人民幣計算，其投資增加會超過2500萬元，氮氣循環(huán)增壓機的價格高于空氣增壓機的價格，所以減去這部分的差價，那么也要在2000萬元左右。這還是保守的計算，還沒有考慮增加1臺高壓壓縮機和兩臺高壓液氮泵的近似50萬元人民幣的年運行費用(主要是備件、維修費用)。即空氣增壓流程設(shè)備投資比氮氣循環(huán)增壓流程高至少2000萬元，而空氣增壓流程的新增經(jīng)濟效益的凈現(xiàn)值僅僅比氮氣循環(huán)增壓流程少了1006萬元／1965萬元(蒸汽驅(qū)動／電機驅(qū)動)。按此計算，如果按7年回報率，那么即使按2004年設(shè)備價格不變，高壓蒸汽價格在增加到142元／t時，兩種流程方案的計算總投資才相同。或者說蒸汽價和電價不變，則分別連續(xù)運行19．5年和7年，兩種流程方案的計算總投資仍將持平。
通過比較，采用氮氣循環(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：
(1)由于高壓氮氣產(chǎn)品是由氮氣循環(huán)增壓機提供的，而且蒸發(fā)高壓液氧產(chǎn)品的高壓氣源也是由氮氣循環(huán)增壓機提供，所以對產(chǎn)品壓力和流量的調(diào)節(jié)相對于空氣增壓流程來說更方便而且范圍更大，其產(chǎn)品氧氣、氮氣的流量可以在更大的幅度內(nèi)變化，而不會因機器彈性負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、氮氣產(chǎn)品流量負荷的變化受制于常規(guī)空氣增壓機的70％—105％的彈性范圍。若客戶對產(chǎn)品產(chǎn)量負荷變化有更高要求時，則需要提高對機器的設(shè)計要求，增加投資。同時，高壓氧氣、氮氣產(chǎn)品的壓力若要改變，則受限于其對板翅式換熱器的影響，通常只能在產(chǎn)品汽化后經(jīng)閥門調(diào)節(jié)壓力，此舉將浪費大量能耗，不利于節(jié)能。
(2)減少了1臺高壓壓縮機和兩臺高壓液氮泵的優(yōu)勢在于：①裝置運行更加可靠，對于任何大型成套裝置，運轉(zhuǎn)機械愈少，故障就愈少，停車機會也愈少；②減少操作人員，維護工作量減少，特別是節(jié)省了維護費用和備、配件費用；③減少了占地面積。
3 結(jié)束語
綜上所述，在特定的條件下，采用帶氮氣循環(huán)增壓機液氧泵內(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、低壓不同氮氣產(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)品負荷變化很大；采用高壓蒸汽的蒸汽輪機作為原料空壓機、增壓機和氮壓機的驅(qū)動裝置的大型空分設(shè)備。另外，當(dāng)電價≤0．5元／(kW·h)時，采用這種流程也是可取的。
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