对我国发展超大型制氧机的看法

摘要 国产超大型制氧机在十一五期间已取得可喜的成就，经过对我国超大型制氧机的市场需求和对国外先进技术相比的差距的分析认为：我国发展超大型制氧机的主攻方向应该是将4-5万M3/h、6-8万M3/h等级进一步国产化做成中国产的精品空分。 前 言 我国在十一五期间，低温法空分的制造技术有了长足的发展，大于3万M3/h国产大型制氧机已达27台，杭氧已经生产了14套6万M3/h制氧机，投入运行9套，出口两套，我国不仅成为制氧机大国，而且正向制氧机强国迈进，可喜可贺！ 回顾超大型制氧机发展的历程，在2002年由杭氧设计制造的上海宝钢3万M3/h外压缩制氧机建成投产，开创了我国超大型制氧机自主设计制造的里程，在04年我国第一套4万M3/h由开封空分公司设计制造内压缩流程在山东德州华鲁恒升公司设立投产，随后于05年杭氧的5万M3/h在本溪北台钢厂投入满负荷运行，08年杭氧制造的6万M3/h制氧机在宝钢一次开车成功，2010年5月杭氧的内压缩流程6万M3/h制氧机在包头神华公司一次开车成功，进一步显示出我国超大型制氧机成套设计能力和加工制造水平的飞速发展，缩小了我国与国外先进水平的差距。 最近十年来，国外制氧机超大型化的趋势明显，03年世界投运的最大空分是法液空公司为南非SASOL公司3550 t/d（~103660M3/h）制氧机,05年又为加拿大长湖化工制造了3900 t/d（~113880M3/h）制氧机，在我国，法液空已为银川神华宁煤提供了两套90000 M3/h，近期将投运。 美国空气制品公司为 SASOL提供了10.5万M3/h制氧机，林德公司制造的最大的制氧机为99000 M3/h，提供给墨西哥最大的低温法制氮机达到254000 M3/h。据报道，该公司为印度制造了10-15万M3/h等级的制氧机，法液空公司声称可以制造18万3/h的超大型制氧机。这三家公司都有制造10-15万M3/h等级制氧机的能力。 鉴于国外著名厂家纷纷发展制造10-15万M3/h等级超大型制氧机，若我国空分制造公司在十二五期间将制造10-15万M3/h等级的制超大型制氧机作为发展目标的话，笔者认为：这种趋势是值得商榷的，我们的目标，应符合我国的市场，符合国情。 根据对我国大型和超大型制氧机发展的近八年来的调查统计，我国最大制氧机等级的需求应该在8-9万M3/h之间，需求量最多的是4-6万M3/h。在制氧机流程的选择方面，内压缩流程需求增加并且趋于多样化，因此。当务之急是认真完善4-5万M3/h和6-8M3/h等级制氧机量身裁衣针对性设计，制造出中国制造的“精品”空分设备。 一、 国内制氧机市场评估 在十一五期间，由于国家实现了“四大启动”，即：煤制油、煤气化联合发电（IGCC）、液化天然气接收站以及熔融还原法（COREX），实际上，是煤化工和钢铁对氧的大量需求推动了超大型制氧机的快速发展。但是，我们必须客观分析目前国内的实际市场，预测未来这两领域对氧气的实际需求如下： 1、 煤化工用氧需求 煤化工包括煤液化（煤制油）、煤气化、煤焦化、煤制烯烃、煤合成氨以及煤制天然气等。 煤的液化及气化对氧的需求量很大，据资料介绍，在我国2010-2020年发展规划为： 2010年 2020年 煤制油（万吨/年） 150 1000 煤制甲醇（万吨/年） 1600 2800 煤制烯烃（万吨/年） 140 500 煤制二甲醚（万吨/年） 500 1200 经历了十一五煤化工的迅速发展，目前已有速度减缓的趋势。 煤制油使煤液化，是煤化工的重要组成部分，煤制油分为间接液化和直接液化，将煤直接液化属于高新技术，2000年先后才基本开发成功，国际上尚未大规模应用，我国神华集团建立的煤制油属于直接液化的示范项目。煤制油大多为间接液化，通常先将煤制成煤的合成气（Co和H2），再合成油（费托合成），使用1吨煤合成燃料需要氧气0.3-1.0吨，年产100万吨/煤制油需要配备12-13万M3/h制氧机，配套制氧机的选择除了按比氧耗外，还应考虑停车队整个工艺过程的影响，通常选用两台6000-8000M3/h并联供气。另外，用煤制其它甲醇、二甲醚、烯烃等气体也都需要相应等级的制氧机配套。 我国是产煤大国，煤是一次性的不可再生能源，但煤的储量是有限的，煤制油的发展除了技术受限外，成本是一关键因素，生产1吨煤制油需要消耗4吨煤和大量水资源并产生大量CO2，同时还应考虑以下几个因素：1）经测算，当原油价格每桶40美元时，工厂勉强达到盈亏平衡，2）煤制油的投资风险大，形成年产5000万吨煤制油，需要4000-5000亿元巨大投资，对于我国煤化工的龙头企业神华集团实现的年产300万吨煤制油，相对于我国每年进口2亿吨石油需求量相比，也是杯水车薪。3）煤制油技术尚不成熟，目前国际上实现大规模、商业化的很少。4）需要同时解决大量CO2减排问题。 综上所述，我国政府曾于06年下半年下发文件，意使煤化工热降温，提出稳步发展煤制油、甲醇、二甲醚、烯烃等石油替代品，神华煤化工项目仅作为示范工程建设。今年，国家发改委下发了“发改能源2010年1205号文件”指出，煤制天然气是资源、资金、技术密集型产业项目建设需要外部配套支撑条件较多，该项目必须由国家发改委统一核准。 2、 钢铁企业用氧需求 在十一五期间，我国钢铁工业飞速发展，09年钢产量已达5.86亿吨，位于世界第一，但是钢铁业的问题是钢材品种少，高质量高附加价值钢材更少，我国钢铁业的发展战略已从扩产转向增加钢及钢材品种，目前钢铁企业的限产使炼钢需氧量处于饱和状态。 熔融还原法炼铁（COREX）是炼铁的新型工艺，一个年产100万吨铁的COREX法炼铁厂需要配备6.5-7万M3/h制氧机，是炼钢普通制氧机容量的6.5-7倍，可见，这是超大制氧机的主要客户，近年来，我国在推广COREX时发现，此法需要以天然气作为燃料，铁矿必须是含铁大于65%的富铁矿，这两点已成为我国发展COREX的主要瓶颈，因此，我国近期仍以普通高炉炼铁为主，采用高氧粉煤喷吹，由喷煤粉的量确定氧的需求量，通常吨铁耗氧量50-200 M3/T铁，纯度要求23-26% O2，年产100万吨的铁厂需要1.5-3万M3/h的制氧机。目前我国最大高炉5800M3建在江苏张家港沙钢，首钢的5500 M3高炉各项指标较高，年产铁400-500万吨，所需配套的制氧机为7.5 万M3/h。我国高炉多数为1800—2500M3所需配套的制氧机为1.5-5万M3/h。 鉴于上述对氧气市场需求的分析，加之我国的企业分散，笔者认为，目前我国空分制造企业的主攻目标不应是10-15万M3/h等级的制氧机，而是在3-5万M3/h、或6-8万M3/h等级制氧机上下功夫，以达到针对性强、配套齐全，做出具有自我知识产权的大型制氧机。 二、 国产超大型制氧机配套机组及设备差距 近几年，我国制造的4-6万M3/h等级的超大型制氧机的流程设计均采用国际通用的ASDEN软件并加以改进，多套空分设备都一次开车成功，这说明，我国综合设计能力已有很大提高，但在配套机组和设备的制造能力方面尚有差距，可作如下粗浅分析; 1、 空压机配套 国际上超大型制氧机通常采用德国曼透平RIK系列等温压缩机，如图1所示,此类空压机的专利技术是高效内置式翘片管冷却器，强化传热提高了冷却效率，从而使空压机的等温效率达到76%，被称为等温压缩机。此机组上方预留了一定的空间，不用拆卸机壳可直接抽出冷却器的管束即可进行检修，此机组冷却器无交叉管道，没有膨胀接口，流体阻力小，机组结构简单体轻，占地面积小功耗低、噪音小负荷变化范围70-105%。相比之下，其它外置式冷却器单轴离心压缩机的等温效率只有70%，就此项而言，以4万M3/h制氧机为例，以电费0.7元/KW*h计算，年电费成本增加了700-800万元/年。 图1. RIK系列离心压缩机外形图 我国大型空分配套空压机的生产厂家是沈鼓和陕鼓，近年来大型离心空压机制造技术已有较大提高，但目前只能配套4-6万M3/h的制氧机，6万M3/h制氧机尚不能生产，而曼透平最大离心空压机可为9万M3/h制氧机配套。 2、 膨胀机 超大型制氧机多采用内压缩流程，所配套的膨胀机为中压膨胀机（见图2）与低压膨胀机相比，中压膨胀机对膨胀机的制造水平要求更高。我国目前配套中压膨胀机的模式是一台进口，一台国产，进口膨胀机运行，国产膨胀机备用。现代膨胀机的效率已达85%以上，甚至高达90%，，从运行统计结果来看，通常国产中压膨胀机效率比进口低3-5%，另外，现代中压膨胀机式两相流膨胀机，机后带液量代表了此类膨胀机的制造水平，据悉，国外制造的膨胀机机后最大带液量可达20%，而国产膨胀机的机后带液量小于5%。膨胀机后气体进入两相区，带液越多，焓降越大，制冷量整套制氧机的经济性越好，这必然要求高的设计制造水平和使用好的材质。 图2 两相流透平压缩机 在内压缩流程的超大型制氧机的流程中，在高压液空进入下塔处，设置了电机制动的液体膨胀机代替节流阀，将液体的压力能转变成电能回收，可使整套空分装置节能2-3%，据调查，目前国内膨胀机制造厂家尚不能制造液体膨胀机，而国外价格很高，从而限制了其广泛应用。 3、 低温液氧泵及氧压机 氧压机配套外压缩流程，对于3.0 Mpa等级的中压透平氧压机，杭氧经过多年的研发生产，已经可以安全可靠地运行，受到用户的肯定，但配套4-6万M3/h等级的透平氧压机多采用并联，尚需开发大型中压透平氧压机。 内压缩流程低温液氧泵，压力等级在4.0-10 Mpa，流量4-10万M3/h，目前多为一用一备，全部为进口，价格很高，因此，液氧泵、液氮泵及液氩泵也应加速国产化。 三、 配套设备 超大型制氧机，静设备均为国产，但是与国外静设备相比，尚有以下差距： 1、 高压板翘式换热器低温液氧泵 我国近年来对高压板翘式换热器进行了攻关，但至今耐压5.0 Mpa以上的大板式，国产板式的可靠性尚不被认可，采用进口价格高出2-3倍。 2、 规整填料塔 规整填料塔阻力小，分离效率高，目前国际上规整填料塔氧的提取率可达99%，苏尔寿公司生产的规整填料质量被公认为最好。使用国产规整填料精馏塔氧的提取率只能达到96-97%，所以超大型制氧机大都采用苏尔寿的规整填料。对于每套规整填料塔国外均采用CFD流体力学软件设计，可以制造出高效的规整填料塔。目前空分塔采用规整填料和塔内件正在不断地改进，新型规整填料不断出现，使塔的精馏效率逐年提高。国内的规整填料多为仿制，能采用CFD流体力学软件设计的厂商甚少，我国应下功夫研制具有自我知识产权的高效的规整填料，并采用CFD流体力学软件设计，真正达到国产化。并降低造价。目前天津大学化工研究所就已使用CFD软件，根据塔的不同工况，进行规整填料塔的准确设计。 3、 主冷凝蒸发器 主冷凝蒸发器的传热能力决定了制氧机的生产能力，其主冷温差直接影响制氧的能耗，主冷温差下降1℃，可以是制氧机的能耗下降5-6%，膜式主冷可以使主冷温差由1.6-1.7K下降到0.6-0.7K。众所周知，由于安全的原因，膜式主冷尚未迅速推广，国产超大型制氧机的主冷仍采用浴式，最近林德公司在超大型制氧机中提出采用半浴式主冷，其主冷温差可由1.6-1.7K下降至1.0-1.1 K，整套装置节能2-3%。我国杭氧与西安交大研究开发的狭缝式换热器，类环式换热器，可以期待其科研成果的迅速转化和应用，使其成为具有自我知识产权的新设备。 4、 分子筛纯化器 国产超大型制氧机仍采用卧式分子筛纯化器，卧式纯化器中气流分布问题十分重要，法液空制造的径向流分子筛纯化器如图3所示，除了解决气流分配问题外，还具有占地面积小（约卧式的1/4-1/5）的优点，而且分子筛寿命可达10年以上，，因其气流阻力小，可使空压机轴功率降低0.7-0.8%，使再生能耗降低10-20%，超大型制氧机采用径向流分子筛纯化器是必然趋势。 图3 立式径向流分子筛纯化器简图 5、 此外，煤化工及COREX炼铁所需的都是富氧。据优化计算应以提供纯度为80-95%O2富氧的制氧机最为合理。生产此纯度的富氧的制氧机与纯氧制氧机相比，其投资会降低10%，能耗会降低20%。在俄罗斯炼铁用氧配套90%O2富氧制氧机，所以研发富氧超大型制氧机是值得关注的。 三、 结束语 在国内，通过煤化工及COREX炼铁对制氧机的需求分析，需求量最大的制氧机容量是4-6万M3/h，最大为8万M3/h，况且世界最大离心空压机产气量为45万M3/h，配套最大制氧机容量为9万M3/h，大于10万M3/h配套空压机不能采用单一离心空压机，需选择离心加轴流，这将影响效率从而增加能耗，且受到电网供电能力的制约。 与国外配套的动设备及静设备的先进性相比，4-8万M3/h型制氧机尚需进一步国产化，对于内压缩流程的多样化，采用针对性设计，制出具有自我知识产权的先进机组和设备，使国产化更趋完善；另外，超大型制氧机的用电量大，应进一步关注节能问题；研制富氧制氧机或者既能生产富氧又能生产纯氧的低能耗制氧机应提到议事日程。 参考文献 1、 杨涌源, 邓文. 空分行业如何应对煤化工的崛起. 中国工业气体行业发展高峰论坛论文集. 2008. P7. 2、 赵小莹. 空分设备在煤化工中应用. 中国工业气体行业发展高峰论坛论文集. 2008.P115. 3、 李化治. 制氧技术(第二版). 冶金工业出版社.2009. 4、 Kevina, Kaupert; 两相流空气分离透平膨胀机的设计. 深冷技术.2010,第一辑,P47.