空气分离技术

低温精馏法工艺简介－预冷系统
预冷系统：对气体预冷，降低能耗，提高经济性
水冷却塔: 作用：用空分塔来的污氮气和纯氮气 冷却外界供水，然后由水泵送入空气 冷却塔的上段。 使用方法：被冷却的水自上而下流经 填料，与从空分塔出来的～32.7℃的污 氮气及氮气进行热质交换，使水冷却 下来，在塔底被水泵抽走，氮气带走 热量后从塔顶排往大气。
低温精馏法工艺简介－精馏系统
•精馏是利用两种物质的沸点不同，多次地进行混合蒸汽的部份冷凝 和混合液体的部份蒸发过程，来实现物质分离的目的。 •对于两种不同沸点的物质组成的混和物液体，沸点低的物质称为易 挥发组份，即在混合液体部份蒸发时，易挥发组份能较多地被蒸发出 来。相反，沸点高的物质称为难挥发组份，当混合蒸汽部份冷凝时难 挥发组份能较多地被冷凝出来。 •在精馏塔的塔板上进行的上述过程，通过许多块塔板的传质、传热 过程。就可以使两组份分离，在塔顶得到易挥发组份，在塔底得到难 挥发组份。
低温精馏法工艺简介－精馏系统
下塔与上塔:
作用: 利用混合气体中各组分的沸点不同，将其分离成所要求纯度的组 分。 结构: 塔体为圆筒形，下塔内装多层筛板，筛板上设臵溢流斗，有一个 溢流挡板，并密布小孔。上塔内装规整填料及液体分布器。 使用方式: 下塔精馏过程中，液体自上往下逐一流过每块筛板，由于溢 流堰的作用，使塔板上造成一定的液层高度。当气体由下而上穿过筛板 小孔时与液体接触，产生了鼓泡,这样就增加了汽液接触面积，使热质交 换过程高效地进行。低沸点组份逐渐蒸发，高沸点的组份逐渐液化，至 塔顶就获得低沸点的纯氮，在塔底获得高沸点的富氧液空组份。上塔在 精馏过程中，气体穿过分布器沿填料盘上升，液体自上往下通过分布器 均匀地分布在填料盘上，在填料表面上气、液充分接触进行高效的热质 交换。上升气体中低沸点组份(氮)含量不断提高。高沸点组份(氧)被大量 的洗涤下来，形成回流液最终在塔顶得到低沸点纯氮，塔底得到高沸点 的液氧。
IGCC配套空分系统集成形式
一. 完全独立空分 •
•
• • 空分所需空气全部来自大气，不从燃气轮机的压气机抽取 。 优点是系统简单，空分与发电系统牵扯小，启动灵活，可 靠性高。 缺点是需增加效率较低的空气压缩机，厂用电率高，尤其 是氮气不回注时会增加能量损失。 美国加州Wabash RiverIGCC 电站采用这种集成形式。
空气分离

简称空分，利用空气中各组分物理性质 不同，采用深度冷冻、吸附、膜分离等方 法从空气中分离出氧气、氮气，或同时提 取氦气、氩气等稀有气体的过程。
空分在IGCC中的作用
提供气化过程所需的氧气
提供气化、净化、燃机系统所需的惰性气体
IGCC配套空分系统的特点
• O2浓度要求不高（95%~99%）； • 大型、超大型化； • 空分能耗占全厂厂用电的60%以上； • 压缩空气的供给、氮气集成有多种方式（整体化 空分、独立空分、部分整体化空分）；
可同时生产 氮、氩等多种 产品 仅能生产一 种产品
其它特性
一般只能生 产氮气或富氧
低温精馏法空分工艺流程
预冷系统 净化系统 压缩膨胀系统 换热系统 空气分离（即精馏系统）
低温精馏法工艺简介－预冷系统
预冷系统：对气体预冷，降低能耗，提高经济性
自洁式空气过滤器： 作用：除去灰尘及其它机械杂质。 离心式空压机： 作用：对气体作功，提高能量、具备制冷 能力。 空气气冷却塔: 作用：把出空压机的高温气体(≤100℃)冷 却到～16℃，以改善分子筛纯化器的工作 情况。 使用方式：出空压机的空气从下部进入空 冷塔，水通过布水器均匀地喷淋在填料上 ，顺填料空隙流下，空气则逆水流而上与 水进行热质交换，经旋风分离器，不锈钢 丝网捕雾器出塔，进入分子筛吸附系统。
低温精馏法工艺简介－净化系统
流程：
空分分子筛吸附器为卧式双层床结构，成对切换交替使用，一只工作 另一只再生。被压缩的空气经空气冷却塔冷却到17 ℃以下，自下而上 通过吸附器。空气中H2O 、C2H2、CO2 等杂质相继被吸附清除后进 入冷箱。吸附器再生用气为出冷箱污氮气，分二路走：加热与冷却切 换使用一路，加热时污氮通过电加热器（二用一备），加热至170 ℃ 进吸附器。转冷吹时，切换污氮直接进入吸附器。另一路多余的污氮 去空气预冷系统水冷却塔冷却水。
空分设备的安全技术（一）
主冷液氧中炭氢化合物，会引起剧烈爆炸；
乙炔及其他炭氢化合物在液氧中的含量极限值
空分设备的安全技术（二）
工业气体的安全
低温精馏法工艺简介－精馏系统
流程：
以不同状态进入上塔的各物料 ：液空、液氮、来自粗氩塔冷凝器的液 空蒸汽和膨胀空气，通过上塔的进一步 分离，在上塔底部获得纯度为99.6%的 氧气，经主换热器复热至～12℃后出冷 箱，作为氧产品送出。 从上塔的上部抽出污氮气，经 过冷器、主换热器复热后部分去净化系 统作再生气，另一部分去水冷塔。从上 塔顶部抽出的氮气，经过冷器、主换热 器复热后分成两股，一股作为产品氮气 并入管网，另一部分送入预冷系统的水 冷塔。 从上塔的中部抽取一定量的氩馏份 送入氩塔，氩塔在结构上分为两段，两 段之间由液氩泵连接，第二氩塔底部的 回流液经液氩泵送入第一氩塔顶部作为 回流液，经过氩塔精馏，在塔上部获纯 氩，并送入液氩贮存系统。
低温精馏法工艺简介－压缩膨胀换热系
统
主热交换器： 作用：进行多股流之间的热交换。 结构：为多层板翅式,相邻通道间物流通过翅片和隔板进行良 好的换热。 使用方式：对经分子筛吸附器除去水分和二氧化碳的压缩空气 进行冷却，直至达到接近 液化温度，各返流气在此 被加热到常温。
低温精馏法工艺简介－压缩膨胀换热系
特点：薄膜造价高，只能生产纯度40%~50%的富氧 ，生产能力比更低。 目前还没有实现大规模工业化 。
空气分离的几种方法
低温精馏法
制氧量 氧浓度 中到大型 ≥99%
变压吸附法 适合中小型 制氧装臵
93%左右
膜分离法 适合中小型 制氧装臵
40%~50% 只需富氧的 场合有优势
优势
大型制氧系 中小型对氧 统采用此技术 纯度要求不高 有优势 的场合有优势
吸附法：利用固体吸附剂（分子筛、活性炭、硅胶 、铝胶）对气体混合物中某些特定的组分吸附能力 的差异进行的一种分离方法。
特点：投资省、建设周期短、生产能力低、纯度低 （93%左右）、由于空气中近79%的高氮含量，所需 分子筛量较大，一般适用于小于4000m3/h供氧量的 场合。
空气分离的几种方法
膜分离法：利用有机聚合膜对气体混合物的渗透选 择性。 当空气通过薄膜或中空纤维膜时，氧气穿透 过薄膜的速度约为氮气的4~5倍，从而实现氧、氮的 分离。
低温精馏法工艺简介－精馏系统
流程：
以已冷却的空气进入下塔参加精馏。 进入下塔的空气通过塔板上的筛孔使塔板 上的液体蒸发，由于氧、氮、氩的沸点间 的差异，使更多的氮气从液体中蒸发出来 ，同时经过塔板的空气中更多的氧组分被 冷凝下来。最终在下塔底部获得含氧38% 的富氧液空，而在下塔顶部获得纯氮。 下塔顶部的氮气经过冷凝蒸发器，与 来自上塔底部的液氧进行热交换，液氧被 蒸发，而氮气被冷凝，一部分冷凝液氮再 回到下塔作回流液，另一部分液氮，在过 冷器中进行过冷，然后送入上塔顶部作为 上塔的回流液。从下塔底部抽出富氧液空 ，在过冷器中过冷，其中一部分富氧液空 提供给粗氩塔冷凝器作为冷源，另一部分 送入上塔中部参加精馏。
IGCC配套空分系统集成形式
二. 完全整体化空分
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空分装臵所需空气全部从动力岛燃机压气机抽取。 优点是燃机和空分系统有机联系在一起，取消空分站中的 空压机，空分耗功少，系统厂用电率低。 缺点是空分系统与燃机运行工况相互制约，运行灵活性和 启动特性较差； 荷兰Nuon Buggenum IGCC电厂采用了完全整体化空分形式 。
空气分离的几种方法
低温精馏法（经典，传统的空气分离方法） 压缩 膨胀 液化 (利用氧、氮组分的沸点的 不同.在大气压下氧沸点为-183℃，氮沸点为-196℃ ） 精馏(使氧、氮分离，制 取氧气和氮气) 特点：此法生产量大，氧气和氮气纯度高，电耗低 ，是目前工业上广泛应用的方法。
空气分离的几种方法
常见的空气分离技术
空气组成

空气是一种主要由氧、氮、氩等气体组 成的复杂气体混合物,其主要组成见表,除表 中所列的固定组分外,空气中还含有数量不 定的灰尘、水分、乙炔,以及二氧化硫、硫 化氢、一氧化氮、一氧化二氮等微量杂质。
空气组成
组分 氧 氮 氩 二氧化碳
沸点 －183℃ －196℃ －185.7℃ -78.5℃
低温精馏法工艺简介－净化系统
分子筛吸附器:
作用：吸附空气中的水份、二氧化碳及乙炔等碳氢化合物，使进入冷 箱的空气纯净。（空气中的水份和CO2若进入空分设备的低温区后， 会形成冰和干冰，这样就会堵塞换热器的通道和精馏塔的塔板或填料 。） 结构：卧式圆筒体，内设支承栅架，以承托分子筛吸附剂。 使用方式：空气通过分子筛床层时，由于分子筛的吸附特性将空气中 的水份，二氧化碳，乙炔等碳氢化合物吸附，净化后的空气二氧化碳 含量<1PPm，在再生周期中，先被高温干燥气体反向再生后，再被常 温干燥气体冷却到常温，分子筛吸附器成对交替使用，一只工作时， 另一只再生。 特点： a.干燥度高：通常干燥后空气露点可达到负70 度； b.选择吸附； c.有共吸附能力：可以同时吸附水、二氧化碳、乙炔等； d.分子筛具有高的稳定性，温度达到700℃时，仍不熔性； e.有简单的加热可使其再生；
统
流程：净化后的加工空气分成两路:一路被称作膨胀空气，首 先经过空气增压机Ⅰ段，而后进入膨胀机增压端增压，增压后 的空气进入主换热器中的膨胀气通道，被相邻通道中的返流气 冷却后，再从主换热器中部抽出，进入透平膨胀机中膨胀制冷 ，膨胀后的空气进入上塔中部参加精馏；另一路空气进入空气 压缩机Ⅱ段(增压)，然后直接进入主换热器与返流的液氧和其 他气体换热，被冷却后进入下塔。