再谈内压缩流程与外压缩流程能耗的比较

内压缩流程与外压缩流程空分装置能耗的比较江楚标陈明敏中国空分设备公司摘要：由于不可逆性较大和产品提取率略低，当氧气压力为30bar时，内压缩空分流程空分装置的产品单位能耗要高于外压缩流程。

氧气压力不同，两者产品单位能耗的差距是不同的。

随着液体膨胀机等先进单元设备的使用，这种差距将缩小。

只要采取可靠的措施，国内空分设备的设计、制造、成套公司也能设计、制造和成套出可靠先进的内压缩流程大型空分装置。

关键词：能耗比较怎样比较液体膨胀机一、序在“内压缩空分流程及与常规流程的比较”[1]一文中，我们指出内压缩流程空分装置的能耗（制氧+压氧）要比常规流程高3～7%。

文献[2]认为，要高5%～7%。

最近有一些用户对我们说：他们听有些制造厂商介绍，内压缩流程的能耗要比常规流程低（也指氧压为30bar）。

在有些报道和文章中，一些企业和作者也有意无意地作类似的报道和介绍。

因此，我们认为对这个问题有进一步加以讨论的必要。

二、在30bar的氧压下，内压缩流程空分装置的产品单位能耗要高于外压缩流程内压缩流程首先用于氧气终压高于其临界压力（51.3bar）的化工用户。

当时的主要考虑既不是能耗的高低，也不是投资的多少，而是因为大流量氧气的高压压缩不够安全，即主要是基于安全可靠性的考虑。

随着技术的不断进步，到90年代初，常规外压缩流程空分装置的氧气提取率已达99%以上，在控制液体产量使进上塔的膨胀空气量小于加工空气量的10%时，氩的提取率可大于80%，单位制氧+压氧（到30bar）能耗可达≤0.568Kwh/m3[2]。

膨胀空气进下塔的外压缩流程，氩的提取率可达92%以上。

与此同时，内压缩流程的氧、氩提取率也有了极大的提高，单位产品能耗也随之大大降低。

但到目前为止，在一定的氧压范围内，内压缩流程空分装置的单位产品能耗仍然要高于外压缩流程。

当氧纯度为98%及以下时，这个氧压范围为15～45bar[3]。

当氧纯度99.6%时，这个氧压范围还会有所扩大。

这是由以下原因造成的：1、内压缩流程的不可逆损失较外压缩流程大所谓内压缩流程，就是产品液体在冷箱内被压缩和汽化复热并回收其冷量的空分流程。

为此，需要有一股逆向流动的气体来使产品蒸发和复热，而自己则被冷却和液化，以此来平衡这个过程中的冷量。

很明显，这种蒸发复热和冷却液化过程只有在下面的条件下才能工作：即所选择的与高压产品换热的正流气的工质、压力和流量必须使得它在换热器的整个温度范围内都要比产品流热一些，也就是要有一个温度差。

内压缩流程的效率主要就取决于这个温度差。

为了保持较小的温差，被液化气体的压力和流量要选择得使它的温度总是只比产品流的温度略高一些。

但是，在氧的临界压力以下，液氧在加热过程中存在着一个温度不变的两相区，有一个吸收汽化潜热的过程。

氧压越低于其临界压力，这个两相区的范围就越大，要吸收的汽化潜热也越大，这就会使主换热器内出现比常规外压缩流程大得多的温差，即增大了不可逆性。

当空气（或氮气）和氧气的压力在临界压力附近的一个范围里，温度也在临界温度附近时，它们的物性，尤其是等压比热、比热比和导热系数会发生很大的变化，在临界点附近这种变化则更为明显和剧烈[4]，这也增大了内压缩流程空分装置中主换热器中的不可逆性。

最后，我们知道，液体的压缩是一个不可逆过程。

高压液体的节流也是一个不可逆过程。

上述这些不可逆损失的增大，是内压缩流程空分装置的产品单位能耗高于常规外压缩流程的一个主要原因。

2、内压缩流程的产品氧氩提取率略低在常规外压缩流程中，除了进上塔的那股处于过热状态的膨胀空气外，余下的全部加工空气都在接近饱和状态下送入下塔底部，经过下塔的初步分离，可以得到含氧约38%的富氧液空及纯液氮。

在内压缩流程中，产品氧（氮）是以液态离开精馏塔的，为了保持精馏塔的冷平衡，要有相应量的加工空气以液相的状态进入精馏塔。

由于在不同压力下空气与氧（氮）潜热的不同，以液相进入精馏塔的空气量约为内压缩产品的1.5～1.7倍（液氧单泵内压缩）或1～1.3倍（液氧、液氮双泵内压缩），这些比例随产液量的多少而有所变化。

由于进入下塔的饱和空气量减少，下塔的上升蒸汽量必然减少，因而主冷的热负荷减少，能送到上塔顶的纯液氮量也减少，使上塔的精馏工况受到不利的影响，而使产品氧、氩的提取率有所下降。

经我们的大量计算，氩的提取率要比氧的提取率下降得多一些。

如果要追求尽可能高的氩提取率，则氧的提取率要下降得多一些；如果不追求氩的高提取率，则氧的提取率可以下降得很少。

关于不同流程的产品氧、氩提取率（主要是氩的提取率），经我们对液体产品量相同的20000Nm3/h（O2）、30000Nm3/h（O2）空分装置的多方案比较，可以有以下的定性概念：膨胀空气进下塔的常规外压缩流程要高于膨胀空气进上塔的常规外压缩流程；膨胀空气进下塔的内压缩流程要高于膨胀空气进上塔的内压缩流程；膨胀空气进下塔的外压缩流程要高于膨胀空气进下塔的内压缩流程；膨胀空气进上塔的外压缩流程要高于膨胀空气进上塔的内压缩流程；液氧单泵内压缩流程要高于液氧液氮双泵内压缩流程（均指空气循环）。

产品提取率的降低，意味着产品单位能耗的增加。

由于以上原因，尽管空气增压压缩机的等温效率要高于氧气透平压缩机的等温效率，对氧气压力为20～40bar的空分装置来说，内压缩流程的单位产品能耗要高于常规外压缩流程。

两者能耗之差的绝对值取决于产品气的压力，所选择的高压气流工质，液体产品的产量以及是否有不同压力等级的产品等多种因素。

德国林德公司认为，两者之差在5～10%的范围内。

国外从90年代初开始至所以注重发展内压缩流程，主要是因为内压缩流程非常灵活，可以满足不同用户对液体产量的不同要求，这一点常规外压缩流程是做不到的；同时也是为了达到减少运动设备、安全可靠长期连续运行和减少日常维护工作量和维修费用的目的。

这实际上是一种观念的变化，或者说是在追求综合的、长期的效益。

考虑到单位产品能耗的影响，因此，内压缩流程更适合于以下场合：同时生产大量的液体；产品气需要有不同的压力等级；很高的产品压力（40bar和更高）。

内压缩流程有较低的投资（这儿也有一个怎样比较的问题，见后），这也会影响我们的选择。

三、应该怎样比较由于国内外总体技术水平的差距，尤其是单机（空压机、氧压机、增压透平膨胀机）效率上的差距，国内外内压缩流程空分装置与常规外压缩流程空分装置的产品单位能耗及投资存在着一个应该怎样作比较的问题。

空分装置的产品单位能耗，不仅与所采用的流程有关，还和配套的运转机械的效率有着密切的关系。

在空分装置中，如果只算制氧功耗，则空气压缩机的效率起着重要的影响，增压透平膨胀机膨胀端和增压端的效率也有一定的影响；如果计算制氧+压氧的总功耗，与氧压机的效率也有很大的关系。

应该承认，空分装置中国产压缩机的效率要低于国外空分设备公司所选配的压缩机的效率，因此，即使我们国产空分装置的产品氧、氩提取率与国外相同（就现在对常规流程来说，这个差距已经很小了），但由于我们所配的国产压缩机的效率要比进口空分中的压缩机效率低，因此我们的单位产品能耗就要比进口装置高。

为了比较两种不同流程空分装置的产品单位能耗，我们认为应该这样来比较：国外同国外比，国内同国内比，最好是将同一个公司在同一年设计的两种不同流程的空分装置进行比较。

这样比较不仅消除了在总体技术上存在的差距，而且也排除了空分装置所配单机在效率上的差距，真正比较出两种不同流程产品单位能耗的高低。

如果这样来进行比较，结论应该是明确的，即在20bar～40bar的氧压范围内，内压缩流程空分装置的单位产品能耗要高于外压缩流程。

如果用国外内压缩流程空分装置的产品单位能耗与以前的国产外压缩流程空分装置的产品单位能耗进行比较，很可能会得出内压缩流程的产品单位能耗低于外压缩流程的产品单位能耗这个结论。

很显然，就两种流程来说，这样的结论是错误的。

如果国产外压缩流程空分装置中的主空压机也选用国际先进的产品，尽管我们在总体技术水平上还存在着一些差距，国产增压膨胀机的效率在一定程度上也影响了产品的提取率，尤其是氩产品的提取率，国产氧气透平压缩机的效率也较低（因为考虑了较大的安全系数），但国产外压缩流程空分装置的产品单位能耗与进口内压缩流程空分装置的产品单位能耗是相当的，或者还要略低一些。

国外内压缩流程空分装置的投资肯定低于外压缩流程。

但即使在主空压机进口的条件下，国产外压缩流程空分装置的投资仍然要明显低于进口内压缩流程空分装置的投资。

只要采取行之有效的可靠措施，国内空分设备的设计、制造和成套公司也能设计、制造和成套出可靠而先进的内压缩流程大型空分装置。

为了保证由我们自己设计成套的内压缩流程空分装置的可靠性和先进性，在开始的时候，主空压机、增压空压机、低温液体流程泵都需要进口，大流量中压增压透平膨胀机甚至高压主换热器也可能需要进口。

对此，国内几家主要的制造企业在这些配套机组的设计和制造方面，要明确目标和方向，落实措施，尽快赶上。

在这种情况下，国产内压缩流程空分装置的投资，要比国产外压缩流程空分装置的投资高一些，但肯定要明显低于进口的内压缩流程空分装置的投资。

四、不同氧气压力的两种流程其产品单位能耗的差距也是不同的一般来说，在可比条件下，在一定的氧压范围内，内压缩流程空分装置的产品单位能耗要高于外压缩流程。

在20bar～40bar之间，两者差距最大。

观察林德公司提供的30000Nm3/h等级空分装置两种流程的功耗比较图[1]，就可以知道这一点。

笔者最近见到过国外一家著名公司对20000Nm3/h（O）空分装置两种流2程的产品单位能耗所作的比较，当氧气终压为26bar时，内压缩流程的单位产品能耗要比外压缩流程高11%。

五、内压缩流程与外压缩流程空分装置产品单位能耗的差距将很快缩小内压缩流程作为空分装置发展的方向，自然会对它进行各种进一步的研究，以发挥其长处，克服其短处。

事实上，内压缩流程空分装置产品单位能耗的降低和两种流程空分装置产品单位能耗差距的缩小已是指日可待了。

我们知道，内压缩流程中有一股高压空气（或高压氮气）要吸收高压液氧（及液氮）的低温冷量而液化过冷。

这股过冷的液体要送到下塔及上塔。

下塔的压力常在0.6MPa左右，上塔的压力常在0.14MPa左右。

以前和现在，这股高压液体是通过节流阀（焦耳—汤姆逊阀）节流降压后送入下塔和上塔的。

节流是一个不可逆过程，温降小，磨擦损失大，效率较低。

高压液体节流到下塔后，汽化率可达10%～20%。

节流到上塔后汽化率有的甚至可超过30%。

这实际上是一种低温冷量的损失，因此也降低了过程的效率。

法国CRYOSTAR公司1986年开发了第一台全液体膨胀机，用以代替焦—汤阀，到现在已有5台液体膨胀机用于中小型空分及液化设备。

据介绍，其膨胀端的效率可达75～80%，用于空分装置及液化装置的液体膨胀机回收功率已达20～300KW，用于天然气工业的液体膨胀机回收功率已可达500～1500KW。