大型深冷空分装置提取氩气的分析_姜义涛.pdf

工艺与设备收稿日期:2022-07-07大型深冷空分装置提取氩气的分析姜义涛 中国石化长城能源化工(贵州)有限公司，贵州 贵阳 550081摘要:目前，氩气主要通过空气深冷分离的方法获得，大型深冷空分装置是否配备氩系统，关系到装置的投资和能耗。对于新建装置来说，是否配置氩系统要针对装置所在地区氩气市场情况，结合装置投资和能耗水平等综合分析后，选择适用于该项目的配置方案，这样才能充分发挥一套空分装置的作用，进而优化工厂的产品结构，获得最佳效益。关键词:氩系统;市场;能耗;效益中图分类号:TB69文献标志码:A文章编号:1007-7804(2023)01-0009-03doi:10.3969/j.issn.1007-7804.2023.01.003Analysis of Extraction of Argon from Large CryogenicAir Separation PlantJIANG Yitao Sinopec Great Wall Energy and Chemical(Guizhou)Co，Ltd，Guiyang 550081，ChinaAbstract:At present，argon is mainly obtained by air cryogenic separation Whether the large cryogenic air separationplant is equipped with an argon system or not is related to the investment and energy consumption of the device For newplants，argon system should be decided according to the argon market，investment and energy consumption in the areawhere the plant is located Choose the best option for the project to mobilize the potential of the equipment，and then opti-mize the product structure to obtain the best benefits for the factoryKey words:argon system;market;energy consumption;benefit1前 言稀有气体主要是指大气中含量较少的气体，包括氦、氖、氩、氪、氙等，其中氩气含量最高，约占0.932%。氩气是工业上应用很广的稀有气体。它的性质十分不活泼，既不能燃烧，也不助燃。氩气主要应用于制造业、电子行业、金属冶炼等行业。例如铝、镁、铜及其合金和不锈钢在焊接时，往往会用氩作为焊接保护气，防止焊接件被空气氧化或氮化。在实际工业生产中，氩系统的设置关系到装置的产品结构、投资和能耗等。2某大型空分装置简介某地区大型煤化工项目拟建设一套制氧量为50 000 Nm3/h 的空分装置，该装置拟采用常温分子筛吸附净化、空气增压，氧气、氮气产品内压缩流程，规整填料上塔和全精馏制氩工艺流程，空压机组电机驱动。3氩气制取的工艺流程及特点氩气的生产通常使用的方法是全精馏制氩，具有流程简单、操作方便、安全、稳定、氩提取率高等优点。全精馏制氩就是取自上塔中下部的富氩馏分进入氩精馏系统，在粗氩塔中进行氧和氩的分离，直接得到氧含量 1 5 106的粗氩，在精氩塔中再进行氩和氮的分离，得到纯度为 99 999%(氩含量)的高纯氩产品。全精馏制氩流程如图 1 所示。第 41 卷第 1 期低 温 与 特 气Vol.41，No.12023 年 2 月Low Temperature and Specialty GasesFeb.，2023图 1全精馏制氩流程简图Fig 1Flow chart of full rectification for argon production4某地区氩气市场的调研与分析经调研某地区运行、在建、拟建 6000 Nm3/h 规模以上空分装置共 9 套，如表 1 所示。其中，已投产且产氩气的装置共 6 套，产能共计 5860 Nm3/h(按设计产能)，即8 4 万 t/a，加上有些项目氩系统暂未投用或产量低等原因，实际产量约 6 3 万 t/a。总体来说，该地区氩气产能较小。表 1某地区运行、在建、拟建空分装置统计Table 1Statistics of air separation plants in operationunder construction and planned in a certain area序号项目内容空分规模Nm3/h氩气规模Nm3/h状态1某乙二醇项目48 0001450投产2某合成氨项目60 0001900投产3某冶金项目6000160投产4某冶金项目15 000550投产5某冶金项目15 000350投产6某煤制甲醇、矸石、水泥项目45 0000已停产7某合成氨、甲醇项目49 5001450投产8某合成氨、甲醇项目 2 43 0000投产9某 PGA 项目50 0001500拟建据了解，液氩的单位运输成本在 0 8 1 0 元/(tkm)，相距 200 km 以内的市场，价差理论上约160 元/t;同理，相距 500 km 的两个市场，价差超过400 元/t，市场即互相打通。经了解，该地区氩气市场价在 800 1900 元/t(按全年均价 1000 元计算)。对于50 000 等级空分，氩气作为副产品，从理论上计算成本，能耗主要由分离功与液化功组成(压缩功全部分摊在氧气和氮气上)，已知氩气的理论最小液化功为 0 2391 kWh/Nm3(按 0 3 kWh/Nm3计)1，计算得液化功为560 03=168 kWh/t。分离功按式(1)计算2:W=T nO2lnppO2+nN2lnppN2+nArlnpp()Ar(1)式中，为通用气体常数;T 为环境温度;nO2、nN2、nAr分别为氧、氮、氩物质的量;pO2、pN2、pAr分别为氧、氮、氩组分的分压力;p 为总压力。通过计算可得，1 Nm3空气完全分离，理论最小分离功约0017 44 kWh/Nm3(按002 kWh/Nm3计算)，8%的分离功存在于氩气中 3，则分离功=248000 0 02 8%(560 1500)=148 kWh/t。综上，氩气的生产成本约为316 kWh/t，即139 元/t。覆盖 200、500 km 范围内的客户，加上运输费，总成本分别约为 299、539 元/t，仍具有一定的成本优势。该地区距离省会城市工业区运输半径只有 100km。未来，随着该省“强省会”发展战略规划，制造业特别是电子和光伏产业将会迎来重大的发展机遇，氩气市场需求也将随之增加。5氩气生产的风险及能效分析对于氩气的生产，当前使用的全精馏制氩工艺在技术上是成熟可靠的，而且不会增加装置的安全风险。氩系统的配置也会提高氧的提取率，具有显著的节能效果，对于 5 万等级空分，氩气的提取量约1500 Nm3/h(氩提取率按 70%计)，从能耗、投资、收益等方面进行了对比，如表 2 所示。表 2配置氩系统的方案对比Table 2Comparison of different argon systems项目无氩增设增效塔配置氩系统氧提取率/%90 49796 4节能效果/%0(计算基数)约 5约 2 5投资/万元0(计算基数)800 1000 约 1500节能效益/(万元a1)0(计算基数)800400产品量/t0021 000产品效益/(万元a1)001500综合效益回收期/a0(计算基数)11运营期间年收益万元a10(计算基数)01500由于空分装置 90%以上的能耗均由空压机和增压机产生，我们以配置氩系统的情况来计算减少的能耗。【下转第 50 页】01低 温 与 特 气第 41 卷进料速度较快，罐体底部温度下降就快，内外壁温差大，使得罐体内壁承受较大的拉应力，在几个应力的叠加作用下，加剧局部的高应力，这种局部高应力为裂纹的形成以及扩展提供了有利条件，在低温韧性最薄弱的封头直边部位，靠近焊缝热影响区的表层晶粒粗大部位形成沿晶裂纹，裂纹在局部高应力的作用下不断沿晶或穿晶解理脆性扩展，最终穿透导致储罐失效。8结 论1 低温储罐封头失效开裂是由储罐内应力引起的低温脆性裂纹，裂纹起源于环焊缝热影响区外侧封头直边段内表面，裂纹源区及内表层裂纹主要为沿晶裂纹，扩展区为沿晶和穿晶解理脆性开裂。2 封头直边段成型过程中发生了形变诱发马氏体相变，产生了较大的形变硬化，使材料的低温韧性显著恶化，且存在的较大残余应力是造成低温储罐封头低温脆性裂纹的主要原因。3 低温储罐应变强化过大的变形加大了材料的硬化而使材料变脆，同时造成较大的残余应力，加速了裂纹的产生。4 储罐在使用过程中间歇式充装液氮产生的温差应力等也加快了应力集中和裂纹扩展。9建 议1 奥氏体不锈钢冷变形引起应变诱发马氏体相变与塑性变形温度、变形量、变形速率均有关，建议封头成型采用温成型，以减少冷变形引起的形变马氏体的产生和材料形变硬化，封头成型后可通过磁性检测方法检测当量铁素体含量，当量铁素体含量一般应控制在 15%以下。对封头直边段当量铁素体已超过要求的封头，可采用固溶液处理的方法进行挽救，使材料的塑性、韧性得到部分恢复或改善;2 储罐应变强化时，应严格控制形变量，并应注意控制加压液体的温度及变形速率，避免在低温下高速形变，有效减少形变马氏体产生，并降低形变残余应力。参考文献:1李顺荣，陈海云，邢璐，等 两种常用奥氏体不锈钢形变马氏体研究 J 压力容器，2013，30(7):1-5，23 2卢大为 奥氏体不锈钢压力容器封头开裂分析 J 设备管理与维修，2018，18(9):27-28 3黄嘉琥 超低温压力容器用奥氏体不锈钢(1)J 不锈，2012(2):3-10 4肖元超，杨尚斌，张明哲，等 不锈封头典型裂纹原因分析及修复 J 热处理技术与装备，2012，33(1):42-45 5杜洪奎，林志良，陆德康，等 冷加工后奥氏体不锈钢的磁性能 J 机械工程材料，2016，40(11):111-114 6中国机械工程学会焊接学会 焊接手册 M 北京:机械工业出版社，2005作者简介:陈章磊(1986)，男，工学学士，工程师，主要从事低温压力容器焊接及失效分析研究工作。【上接第 10 页】节能效益:40 000 kW(空压机+增压机总功率)8000 h 044 元(预算电价)25%90%=391 万元。液氩产品效益:单套空分年产液氩 2 1 万 t，目前贵州市场价一般为 800 1900 元/t，按年均价1000 元/t 计算，1 a 能增效 1500 万元以上。从计算可以看出，在配置氩系统、不销售液氩产品的工况下，约 4 a 即可收回投资成本;在销售液氩产品的情况下，1 a 即可收回投资成本。如果无氩也不带增效塔，氧气提取率低，空压机空气量会明显增加，此时空分空压机组的能耗会增加。因此，对于空分装置常规设计来说，不带氩的空分通常也须设置增效塔，以降低空压机组的能耗。6结束语对于氩气的生产，技术上是成熟可靠的，不会增加装置的风险。同时氩系统的设立会提高氧的提取率，节能效果明显，目前空分带氩流程在技术选型上是具有先进性的主流配置。同时，氩系统在技术上可以根据市场情况切出或投用精氩系统，而粗氩塔充当增效塔继续发挥节能作用，从而实现产品生产的调节作用。对于有一定市场的空分装置来说，推荐配置氩气提取装置。参考文献:1陈芹元 空分产品能耗成本计算方法的探讨 J 深冷技术，1985(4):1-6 2李化治 制氧技术 M 北京:冶金出版社，2009:146 3孙全海 空分液化设备能耗比较方法探讨 J 气体分离，2004(3):4-8作者简介:姜义涛(1989)，男，大学本科，工程师，从事空分装置相关工作。手机: