IGCC設(shè)備

--空分子系統(tǒng)清華大學(xué)BP中心2006.7.21上海IGCC設(shè)備

--空分子系統(tǒng)1IGCC與制氧技術(shù)深冷技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀深冷原理空分系統(tǒng)在IGCC中的應(yīng)用空分新技術(shù)的應(yīng)用IGCC與制氧技術(shù)2IGCC與制氧能源危機(jī)高效清潔的IGCC我國(guó)的能源利用格局純氧燃燒高熱值合成氣減小氣化爐尺寸減小冷卻和凈化器尺寸制氧技術(shù)化學(xué)法水電解空氣分離IGCC與制氧能源危機(jī)高效清潔的IGCC我國(guó)的能源利用格局純3制氧技術(shù)化學(xué)法

化學(xué)法是將氧化物在一定條件下分解，放出氧氣。例如：氯酸鉀（KClO3）1kg能放出270L氧氧化鋇（BaO）1kg能放出100L氧

原料貴且消耗量大，生產(chǎn)能力又小，無(wú)法大量生產(chǎn)。水電解法在電解槽中通直流電，電離水，氧積聚在陽(yáng)極，氫積聚在陰極。每制取1m3的氧氣，同時(shí)可獲得2m3的氫氣。

制取1m3氧氣耗電量為12～15度，耗電量太大，無(wú)法大量生產(chǎn)。制氧技術(shù)化學(xué)法4深冷法(cryogenic)

占整個(gè)制氧市場(chǎng)的85%；能耗大，設(shè)備復(fù)雜，廠用電耗率較高PSA/VPSA

產(chǎn)量和純度進(jìn)一步提高時(shí)，能耗增大，且提取率降低膜分離法選擇性低，所得氧氣純度低，產(chǎn)量很小

,產(chǎn)量大時(shí)膜貴高溫離子交換膜法尚屬研究階段，需進(jìn)一步研究空分制氧技術(shù)深冷法(cryogenic)空分制氧技術(shù)5各空分技術(shù)性能比較項(xiàng)目

類別深冷法PSA/VPSA膜分離離子膜分離分離原理氧氮沸點(diǎn)不同氧氮吸附能力膜的選擇性分離

對(duì)氧的選擇性擴(kuò)散

裝置特點(diǎn)流程復(fù)雜，設(shè)備較多

流程簡(jiǎn)單，設(shè)備少

工藝簡(jiǎn)單，體積小工藝簡(jiǎn)單，裝置少工藝特點(diǎn)－160～－190℃常溫操作常溫操作600～1000℃操作特點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)15～40h，連續(xù)運(yùn)行啟動(dòng)時(shí)間短≤30min連續(xù)、間斷均可啟動(dòng)時(shí)間短≤15min連續(xù)、間斷均可啟動(dòng)時(shí)間短投資1000Nm3/h

綜合投資比PSA高10%～20%，維修費(fèi)用高30%，管理費(fèi)用高50%以上550～650萬(wàn)

200～300萬(wàn)比深冷法可節(jié)約73-85%的投資，在IGCC中可以節(jié)約7%的投資

制氧能耗中小型制氧電耗0.5～1.0KWh/Nm3

0.32～0.35KWh/Nm3

能耗低為深冷法的55-70%

安全性能有爆炸隱患無(wú)爆炸隱患無(wú)爆炸隱患無(wú)爆炸隱患技術(shù)成熟度技術(shù)成熟，廣泛應(yīng)用

較成熟，局部應(yīng)用較成熟，局部應(yīng)用尚不成熟，無(wú)應(yīng)用各空分技術(shù)性能比較項(xiàng)目類別深冷法PSA/VPSA6空分技術(shù)深冷技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀深冷原理空分系統(tǒng)在IGCC中的應(yīng)用空分新技術(shù)的應(yīng)用空分技術(shù)7發(fā)展歷程1902林德制造第一臺(tái)制氧機(jī)，迄今已有100多年的歷史。在此期間，分離空氣的原理與設(shè)備不斷改進(jìn)：1902年，克勞特用膨脹機(jī)液化空氣成功1932年，拉赫曼挖掘上塔精餾潛力1924年弗廉克爾提出用金屬帶填料的蓄冷器代替換熱器1939年卡皮查將透平膨脹機(jī)用于低壓空分裝置40年代末，可逆式換熱器用于空分裝置70年代，大型化全部板翅式換熱器80年代，大型全低壓空分流程發(fā)展歷程1902林德制造第一臺(tái)制氧機(jī)，迄今8國(guó)外八大氣體公司法國(guó)液化空氣公司（法液空）

建于1902年，法液空是世界上資格最老的空分設(shè)備制造公司之一，是世界第一大氣體公司，全球最大的氣體供應(yīng)商。2003年從南非SASOL手中得到的103660m3／h（3300噸氧氣/天）空分設(shè)備訂單，2004年2月SASOL煤油氣公司舉行全球最大氧氣生產(chǎn)廠落成典禮。法液空曾為西班牙的ELOGAS（即Puertollano）IGCC示范電站提供ASU系統(tǒng)。美國(guó)空氣制品與化學(xué)品公司(APCI)：

創(chuàng)建于1939年。APCI最大的空分設(shè)備為供荷蘭鹿特丹殼牌石油公司的90520m3／h空分設(shè)備，1997年投運(yùn)，加工空氣量450000m3／h，可同時(shí)生產(chǎn)90520m3／h（約3000t/d）氧氣、216450m3／h氮?dú)狻?50噸／天然液態(tài)產(chǎn)品和2878m3／h氬。APCI曾為荷蘭的Buggenum和美國(guó)的TampaIGCC示范電站提供空分設(shè)備。并且積極致力于膜分離技術(shù)的研究。德國(guó)林德冷凍機(jī)械制造公司

創(chuàng)建于1879年，是世界上最早的空氣分離公司。林德公司現(xiàn)制造的最大制氮設(shè)備是安裝在墨西哥坎塔雷爾的335000m3／h制氮設(shè)備，共4套，于2000年投運(yùn)。國(guó)外八大氣體公司法國(guó)液化空氣公司（法液空）9美國(guó)普萊克斯實(shí)用氣體有限公司英國(guó)氧氣公司(BOC)最大設(shè)備產(chǎn)量2400噸氧氣/天德國(guó)梅塞爾公司(MG)俄羅斯深冷機(jī)械公司日本氧氣公司日本酸素2004年初建立上海日酸氣體公司

據(jù)2003年報(bào)道，在歐洲氣體市場(chǎng)，法液空占28％、林德占21％、空氣制品占12％、梅塞爾占10％、BOC占8％、普萊克斯占7％,其他公司為14％。當(dāng)前，世界空分設(shè)備領(lǐng)域形成了法液空、APCI、林德公司“三足鼎立”的局面；而B(niǎo)OC、普萊克斯、梅塞爾也在努力奮斗，被稱為“后三足鼎立”。國(guó)外八大氣體公司美國(guó)普萊克斯實(shí)用氣體有限公司國(guó)外八大氣體公司10國(guó)內(nèi)發(fā)展歷程

解放前，我國(guó)不能制造空分裝置，僅在幾個(gè)主要城市有進(jìn)口的小型空分裝置。全國(guó)空分總?cè)萘恐挥?00～1000m3O2/h。1952年，第一套I-6800型空分裝置1958年，成批制造具有鋁帶蓄冷器的3350m3O2/h的高低壓空分裝置1953年二套20m3O2/h空分裝置，建立空分制造業(yè)1966年，自主設(shè)計(jì)帶有石頭蓄冷器的3350m3O2/h等低壓空分裝置70年代，帶純化器和透平膨脹的低壓空分裝置80年代，板翅式大型全低壓空分流程國(guó)內(nèi)發(fā)展歷程解放前，我國(guó)不能制造空分裝置，11國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)具備生產(chǎn)制氧空分設(shè)備的能力。但是無(wú)論是行業(yè)的規(guī)模、企業(yè)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力、生產(chǎn)規(guī)模還是技術(shù)水平都與國(guó)際先進(jìn)水平有較大的差距：林德集團(tuán)近幾年的年銷售額約90億歐元經(jīng)濟(jì)規(guī)模法液空的平均銷售額在80億歐元我國(guó)2002年全行業(yè)的銷售收入約人民幣21億元(約2.3億歐元)最大的杭氧的銷售收入僅人民幣10.28億元(約1.1億歐元)國(guó)外最大規(guī)模的制氧設(shè)備在3500噸/天生產(chǎn)規(guī)模杭氧投運(yùn)的最大規(guī)模為52000m3/h（相當(dāng)于1700噸/天）一座400MW的IGCC電站的耗氧量在2500-3000噸/天國(guó)內(nèi)已經(jīng)具備了生產(chǎn)2000噸/天以上級(jí)別的制氧空分設(shè)備的實(shí)力，不過(guò)缺乏實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn)。在設(shè)備的效率方面，國(guó)內(nèi)空分的能耗比國(guó)際先進(jìn)設(shè)備高3-5%，但造價(jià)及后期服務(wù)費(fèi)用遠(yuǎn)低于國(guó)際價(jià)格。國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)具備生產(chǎn)制氧空分設(shè)備的能力。12國(guó)內(nèi)空分生產(chǎn)商

目前，我國(guó)生產(chǎn)大中型空分設(shè)備的企業(yè)有杭州制氧機(jī)集團(tuán)有限公司（杭氧）、開(kāi)封空分集團(tuán)有限公司（開(kāi)空）、四川空分設(shè)備（集團(tuán)）有限責(zé)任公司（川空）、哈爾濱制氧機(jī)廠（哈氧）、杭氧液空有限公司（杭氧液空）、江西制氧機(jī)廠等。2003年排在前3位的是：杭氧、川空、開(kāi)空。2002年空分企業(yè)的相關(guān)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)指標(biāo)

指標(biāo)名稱生產(chǎn)企業(yè)總資產(chǎn)（萬(wàn)元）

主要設(shè)備擁有量（臺(tái)）

工程技術(shù)人員(人)

開(kāi)封空分集團(tuán)有限公司61473.2693537四川空分設(shè)備（集團(tuán)）有限責(zé)任公司58854.0591383江西制氧機(jī)廠22749.232386杭州制氧機(jī)集團(tuán)有限公司135623.31555643哈爾濱制氧機(jī)廠18945.5484126國(guó)內(nèi)空分生產(chǎn)商目前，我國(guó)生產(chǎn)大中型空分設(shè)備的企業(yè)13技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)14空分技術(shù)深冷技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀深冷原理空分系統(tǒng)在IGCC中的應(yīng)用空分新技術(shù)的應(yīng)用空分技術(shù)15空氣組成

常溫下的空氣是無(wú)色無(wú)味的氣體，液態(tài)空氣則是一種易流動(dòng)的淺黃色液體。液態(tài)空氣的組成是20.95%氧，78.12%氮和0.93％氬。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101.3KPa）下：空氣的露點(diǎn)溫度為81.7K，泡點(diǎn)溫度為78.9K；液氮的蒸發(fā)溫度為77.36K，液氮冷卻到63.2K時(shí)轉(zhuǎn)變成無(wú)色透明的結(jié)晶體；液氬的凝固點(diǎn)為87.29K；氧在90.188K時(shí)變?yōu)橐子诹鲃?dòng)的淡藍(lán)色液體；在54.4K時(shí)凝固成淡藍(lán)色的固體結(jié)晶。此外，空氣中還有機(jī)械雜質(zhì)、水蒸汽、二氧化碳、乙炔和其它碳?xì)浠衔??？諝饨M成常溫下的空氣是無(wú)色無(wú)味的氣體，液態(tài)空氣16液空重要性質(zhì)汽相中氧的濃度為30～40％時(shí)，相平衡的汽液濃度差最大，即氣相（或液相）含氧（氮）量越少越難分離；壓力越低，液相線與汽相線的間距越大，說(shuō)明低壓分離空氣較高壓容易；汽液平衡時(shí)，液相中的氧濃度大于汽相中的氧濃度，汽相中的氮濃度大于液相中的氮濃度；壓力一定時(shí)，溶液中低沸點(diǎn)組分的濃度越大，它的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度愈低。液空重要性質(zhì)汽相中氧的濃度為30～40％時(shí)，相平衡的汽液濃度17簡(jiǎn)單蒸發(fā)與簡(jiǎn)單冷凝

若將液空置于一密閉的容器內(nèi)，使它在定壓下加熱蒸發(fā)，且不引出蒸氣，使器內(nèi)的氣、液經(jīng)常處于平衡狀態(tài)，這種蒸發(fā)過(guò)程稱為簡(jiǎn)單蒸發(fā)?？諝獾睦淠^(guò)程是沿蒸發(fā)過(guò)程相反方向進(jìn)行的。若將空氣置于一密閉容器中，使其在定壓下冷卻液化，氣、液處于平衡狀態(tài)且不引出冷凝液，這種過(guò)程簡(jiǎn)單冷凝。

用簡(jiǎn)單蒸發(fā)和冷凝不能得到較高摩爾分?jǐn)?shù)的氧、氮產(chǎn)品，而且分離過(guò)程也不能連續(xù)進(jìn)行。簡(jiǎn)單蒸發(fā)與簡(jiǎn)單冷凝若將液空置于18部分蒸發(fā)與部分冷凝

如果當(dāng)液體蒸發(fā)時(shí)，把產(chǎn)生的蒸氣連續(xù)不斷地從容器中引出，這種蒸發(fā)過(guò)程稱部分蒸發(fā)。部分蒸發(fā)可以在液相中獲得氧摩爾分?jǐn)?shù)較高的產(chǎn)品；但氧的摩爾分?jǐn)?shù)越高，獲得的液氧數(shù)量越小，數(shù)量與質(zhì)量間存在著矛盾，而且不可能同時(shí)獲得高純度的氣氮。

如果在空氣定壓冷凝過(guò)程中，將所產(chǎn)生的冷凝液連續(xù)不斷地從容器中導(dǎo)出，這種冷凝過(guò)程稱部分冷凝。部分冷凝僅能獲得數(shù)量很少的高摩爾分?jǐn)?shù)氣氮，也存在著質(zhì)和量的矛盾，而且不能獲得高純度的液氧。

部分蒸發(fā)與部分冷凝如果當(dāng)液體蒸發(fā)時(shí)，把產(chǎn)生的蒸氣19多次蒸發(fā)與多次冷凝多次的部分蒸發(fā)和部分冷凝過(guò)程的結(jié)合稱為精餾過(guò)程。

多次進(jìn)行下去，液相中氮會(huì)更多地蒸發(fā)到氣相中，而氣相中氧會(huì)更多地冷凝進(jìn)入液相中，最后可獲得足夠數(shù)量的高純度氣氮和液氧。這就是利用精餾過(guò)程分離空氣的實(shí)質(zhì)。多次蒸發(fā)與多次冷凝多次的部分蒸發(fā)和部分冷凝過(guò)程的結(jié)合稱20單級(jí)精餾塔單級(jí)精餾分離空氣是不完善的，不能同時(shí)獲得純氧和純氮，只有在少數(shù)情況下（如僅需純氮或富氧）使用。單級(jí)精餾塔單級(jí)精餾分離空氣是不完善的，不能同時(shí)獲21雙級(jí)精餾塔

下塔塔釜中的液空作回流液送入上塔中部，在上塔底部得到高純度液氧。液氧進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器的蒸發(fā)側(cè)，被下塔的氣氮加熱蒸發(fā)。蒸發(fā)出來(lái)的氣氧一部分作為產(chǎn)品引出；另一部分自下而上穿過(guò)每塊塔板進(jìn)行精餾。雙級(jí)精餾塔可在塔頂部和底部同時(shí)獲得純氮和純氧；也可以在冷凝蒸發(fā)器的蒸發(fā)側(cè)和冷凝側(cè)分別取出液氧和液氮。經(jīng)過(guò)壓縮、凈化并冷卻后的空氣進(jìn)入下塔底部，至下塔頂部便得到一定純度的氣氮。氣氮進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器的冷凝側(cè)時(shí)，被液氧冷卻變成液氮。一部分作為下塔回流液空；另一部分送入上塔頂部作上塔的回流液。雙級(jí)精餾塔下塔塔釜中的液空作回流液送入上塔中部，在上塔底22流程圖流程圖23篩孔塔板結(jié)構(gòu)鼓泡層緊接塔板的一層很薄的清亮液體泡沫層鼓泡層上蜂窩狀結(jié)構(gòu)，液體為薄膜狀，氣液兩相接觸面積大，主要傳質(zhì)區(qū)域霧沫層泡沫層上，氣相中霧沫和飛翔的液滴

三個(gè)區(qū)域的大小隨著氣流速度的大小而定，氣流速度越大，鼓泡區(qū)域的范圍越小，泡沫區(qū)的范圍擴(kuò)大。篩孔塔板結(jié)構(gòu)鼓泡層緊接塔板的一層很薄的清亮液體三24氣流速度對(duì)精餾的影響氣流速度過(guò)小小于臨界速度時(shí)出現(xiàn)不均勻鼓泡，鼓泡只在塔板局部范圍進(jìn)行；很小時(shí)，由于氣體頂托不了清亮液層的靜壓，而使液體從塔板上泄漏下來(lái)；

最小蒸氣速度：上塔3～3.5m/s下塔1.5m/s實(shí)際取1.5～2.0倍氣流速度過(guò)大使一部分含氧量較高的液體帶入到上層含氧量較少而含氮量較高的液體，造成霧沫夾帶；造成液體不能順利下流，累積在塔板上，形成液泛。由于速度的限制以及氣液交換以達(dá)到充分相平衡所必需的時(shí)間，造成了IGCC中空分系統(tǒng)的最大延遲特性。氣流速度對(duì)精餾的影響氣流速度過(guò)小25連續(xù)精餾過(guò)程連續(xù)精餾過(guò)程26空分技術(shù)深冷技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀深冷原理空分系統(tǒng)在IGCC中的應(yīng)用空分新技術(shù)的應(yīng)用空分技術(shù)27純度要求用于煤氣化爐的氧氣純度為90%～95%；氮?dú)饧兌葹?9.9%；稀釋煤氣的氮?dú)猓ㄎ鄣┘兌葹?6%～99%。壓力要求用氧壓力取決于煤氣化工藝，一般在3～8MPa。產(chǎn)量要求氧氣用量取決于煤的成分和氣化工藝。通常為0.82～1.0kgO2/kg煤。IGCC對(duì)空分技術(shù)的要求純度要求IGCC對(duì)空分技術(shù)的要求28低壓空分系統(tǒng)

入口0.5～0.65MPa出口0.13～0.15MPa空分后的氧壓機(jī)、氮壓機(jī)耗功大升壓空分系統(tǒng)

入口1.0～1.5MPa出口0.55～0.6MPa盡管氧壓機(jī)、氮壓機(jī)耗功減少，但由于空氣升壓時(shí)耗功增加，故總耗功變化不大。IGCC中的空分形式

－按壓力劃分低壓空分系統(tǒng)IGCC中的空分形式

29整體空分系數(shù)Xas=Gas2/Gas(Gas2是由空分系統(tǒng)從燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)所抽取的空氣量，Gas是空分系統(tǒng)的空氣加工總量)獨(dú)立的空分系統(tǒng)Xas＝0獨(dú)立、可靠、運(yùn)行靈活、操作方便，但廠用電率大完全整體空分系統(tǒng)Xas＝1高效（熱耗降2%）、成本低（整廠投資降低2-3%）但操作不便、控制困難部分整體空分系統(tǒng)

0<Xas<1兼顧兩方面優(yōu)點(diǎn)，推薦25～50%之間IGCC中的空分形式

－按集成度劃分整體空分系數(shù)Xas=Gas2/Gas(Gas230空分集成度

空分集成度決定了空分系統(tǒng)從燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)抽氣的份額，從而影響燃?xì)廨啓C(jī)各部件之間匹配，出力與效率。獨(dú)立空分系統(tǒng)，氮?dú)馔耆换刈⒉糠终w化空分系統(tǒng)，氮?dú)馊炕刈asu＝0.53時(shí)最佳空分集成度空分集成度決定了空分系統(tǒng)從燃?xì)廨啓C(jī)壓氣31

氮?dú)饣刈⑾禂?shù)Xgn=Gn2/Gn(Gn2為空分系統(tǒng)回注到燃?xì)廨啓C(jī)的氮?dú)饬髁?，Gn為空分系統(tǒng)生產(chǎn)的氮?dú)饪偭?氮?dú)馔耆刈⑾到y(tǒng)Xgn＝1氮?dú)獠换刈⑾到y(tǒng)Xgn＝0氮?dú)獠糠只刈⑾到y(tǒng)0<Xgn<1

氮?dú)饣刈⑾禂?shù)直接影響燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的流量,因而會(huì)影響透平的流量，最終影響燃?xì)廨啓C(jī)的出力、效率和變工況性能。以上各種空分形式的配合，對(duì)IGCC電站的廠用電耗率、燃?xì)廨啓C(jī)的作功能力、燃?xì)廨啓C(jī)的NOX控制系統(tǒng)，以及整個(gè)電站調(diào)節(jié)控制的靈活性都有重要影響。IGCC中的空分形式

－按氮回注與否劃分氮?dú)饣刈⑾禂?shù)Xgn=Gn2/Gn(Gn232空分系統(tǒng)在IGCC中的應(yīng)用特點(diǎn)

電站荷蘭Buggenum美國(guó)WabashRiver美國(guó)Tampa西班牙Puertollano凈功率253MW250MW250MW300MW氧產(chǎn)量1700t/d1840t/d2100t/d氧純度95%95％95％85％氮產(chǎn)量4000t/d6300t/d氮純度99.9％98％98％壓力高壓1.1MPa低壓高壓1.29MPa高壓集成度完全整體化獨(dú)立空分獨(dú)立空分部分整體化氮?dú)饣刈⒃鰤夯刈⒉换刈⒃鰤夯刈⒃鰤夯刈oolWater,WabashRiver,Tampa電站中空分耗電分別占廠用電的70.1%，75.5%，82.1%.空分系統(tǒng)在IGCC中的應(yīng)用特點(diǎn)電站荷蘭Buggen33空分技術(shù)深冷技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀深冷原理空分系統(tǒng)在IGCC中的應(yīng)用空分新技術(shù)的應(yīng)用空分技術(shù)34過(guò)渡新技術(shù)PSA/VPSA＋深冷法

由PSA先制取富氧，然后將富氧代替壓縮空氣送入下塔進(jìn)行精餾，由于提高了入塔空氣的氧純度，使得氣液交換達(dá)到平衡時(shí)間縮短,塔板數(shù)減少,精餾時(shí)間縮短，且能耗有較大幅度降低，是一種不錯(cuò)的技術(shù)組合方式。過(guò)渡新技術(shù)PSA/VPSA＋深冷法35陶瓷膜分離技術(shù)高溫下(約600-1000℃),空氣中的氧氣被吸附到膜表面，由膜中的電子輸運(yùn)使之分離和離子化。氧負(fù)離子通過(guò)膜虧損，在膜的另一側(cè)氧離子釋放電子后發(fā)生解析，原子重組。通?？諝鈧?cè)壓力為1-2MPa，而產(chǎn)物側(cè)壓力略低于大氣壓。使用該系統(tǒng)的制氧氣廠可比深冷制氧廠節(jié)約73-85%的投資，而能耗僅為后者的55-70%。據(jù)評(píng)估，在IGCC中采用該項(xiàng)技術(shù)可以節(jié)約7%的投資，并且可以使整廠效率提高1個(gè)百分點(diǎn)。新技術(shù)陶瓷膜分離技術(shù)新技術(shù)36謝謝謝謝37IGCC設(shè)備

--空分子系統(tǒng)清華大學(xué)BP中心2006.7.21上海IGCC設(shè)備

--空分子系統(tǒng)38IGCC與制氧技術(shù)深冷技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀深冷原理空分系統(tǒng)在IGCC中的應(yīng)用空分新技術(shù)的應(yīng)用IGCC與制氧技術(shù)39IGCC與制氧能源危機(jī)高效清潔的IGCC我國(guó)的能源利用格局純氧燃燒高熱值合成氣減小氣化爐尺寸減小冷卻和凈化器尺寸制氧技術(shù)化學(xué)法水電解空氣分離IGCC與制氧能源危機(jī)高效清潔的IGCC我國(guó)的能源利用格局純40制氧技術(shù)化學(xué)法

化學(xué)法是將氧化物在一定條件下分解，放出氧氣。例如：氯酸鉀（KClO3）1kg能放出270L氧氧化鋇（BaO）1kg能放出100L氧

原料貴且消耗量大，生產(chǎn)能力又小，無(wú)法大量生產(chǎn)。水電解法在電解槽中通直流電，電離水，氧積聚在陽(yáng)極，氫積聚在陰極。每制取1m3的氧氣，同時(shí)可獲得2m3的氫氣。

制取1m3氧氣耗電量為12～15度，耗電量太大，無(wú)法大量生產(chǎn)。制氧技術(shù)化學(xué)法41深冷法(cryogenic)

占整個(gè)制氧市場(chǎng)的85%；能耗大，設(shè)備復(fù)雜，廠用電耗率較高PSA/VPSA

產(chǎn)量和純度進(jìn)一步提高時(shí)，能耗增大，且提取率降低膜分離法選擇性低，所得氧氣純度低，產(chǎn)量很小

,產(chǎn)量大時(shí)膜貴高溫離子交換膜法尚屬研究階段，需進(jìn)一步研究空分制氧技術(shù)深冷法(cryogenic)空分制氧技術(shù)42各空分技術(shù)性能比較項(xiàng)目

類別深冷法PSA/VPSA膜分離離子膜分離分離原理氧氮沸點(diǎn)不同氧氮吸附能力膜的選擇性分離

對(duì)氧的選擇性擴(kuò)散

裝置特點(diǎn)流程復(fù)雜，設(shè)備較多

流程簡(jiǎn)單，設(shè)備少

工藝簡(jiǎn)單，體積小工藝簡(jiǎn)單，裝置少工藝特點(diǎn)－160～－190℃常溫操作常溫操作600～1000℃操作特點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)15～40h，連續(xù)運(yùn)行啟動(dòng)時(shí)間短≤30min連續(xù)、間斷均可啟動(dòng)時(shí)間短≤15min連續(xù)、間斷均可啟動(dòng)時(shí)間短投資1000Nm3/h

綜合投資比PSA高10%～20%，維修費(fèi)用高30%，管理費(fèi)用高50%以上550～650萬(wàn)

200～300萬(wàn)比深冷法可節(jié)約73-85%的投資，在IGCC中可以節(jié)約7%的投資

制氧能耗中小型制氧電耗0.5～1.0KWh/Nm3

0.32～0.35KWh/Nm3

能耗低為深冷法的55-70%

安全性能有爆炸隱患無(wú)爆炸隱患無(wú)爆炸隱患無(wú)爆炸隱患技術(shù)成熟度技術(shù)成熟，廣泛應(yīng)用

較成熟，局部應(yīng)用較成熟，局部應(yīng)用尚不成熟，無(wú)應(yīng)用各空分技術(shù)性能比較項(xiàng)目類別深冷法PSA/VPSA43空分技術(shù)深冷技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀深冷原理空分系統(tǒng)在IGCC中的應(yīng)用空分新技術(shù)的應(yīng)用空分技術(shù)44發(fā)展歷程1902林德制造第一臺(tái)制氧機(jī)，迄今已有100多年的歷史。在此期間，分離空氣的原理與設(shè)備不斷改進(jìn)：1902年，克勞特用膨脹機(jī)液化空氣成功1932年，拉赫曼挖掘上塔精餾潛力1924年弗廉克爾提出用金屬帶填料的蓄冷器代替換熱器1939年卡皮查將透平膨脹機(jī)用于低壓空分裝置40年代末，可逆式換熱器用于空分裝置70年代，大型化全部板翅式換熱器80年代，大型全低壓空分流程發(fā)展歷程1902林德制造第一臺(tái)制氧機(jī)，迄今45國(guó)外八大氣體公司法國(guó)液化空氣公司（法液空）

建于1902年，法液空是世界上資格最老的空分設(shè)備制造公司之一，是世界第一大氣體公司，全球最大的氣體供應(yīng)商。2003年從南非SASOL手中得到的103660m3／h（3300噸氧氣/天）空分設(shè)備訂單，2004年2月SASOL煤油氣公司舉行全球最大氧氣生產(chǎn)廠落成典禮。法液空曾為西班牙的ELOGAS（即Puertollano）IGCC示范電站提供ASU系統(tǒng)。美國(guó)空氣制品與化學(xué)品公司(APCI)：

創(chuàng)建于1939年。APCI最大的空分設(shè)備為供荷蘭鹿特丹殼牌石油公司的90520m3／h空分設(shè)備，1997年投運(yùn)，加工空氣量450000m3／h，可同時(shí)生產(chǎn)90520m3／h（約3000t/d）氧氣、216450m3／h氮?dú)狻?50噸／天然液態(tài)產(chǎn)品和2878m3／h氬。APCI曾為荷蘭的Buggenum和美國(guó)的TampaIGCC示范電站提供空分設(shè)備。并且積極致力于膜分離技術(shù)的研究。德國(guó)林德冷凍機(jī)械制造公司

創(chuàng)建于1879年，是世界上最早的空氣分離公司。林德公司現(xiàn)制造的最大制氮設(shè)備是安裝在墨西哥坎塔雷爾的335000m3／h制氮設(shè)備，共4套，于2000年投運(yùn)。國(guó)外八大氣體公司法國(guó)液化空氣公司（法液空）46美國(guó)普萊克斯實(shí)用氣體有限公司英國(guó)氧氣公司(BOC)最大設(shè)備產(chǎn)量2400噸氧氣/天德國(guó)梅塞爾公司(MG)俄羅斯深冷機(jī)械公司日本氧氣公司日本酸素2004年初建立上海日酸氣體公司

據(jù)2003年報(bào)道，在歐洲氣體市場(chǎng)，法液空占28％、林德占21％、空氣制品占12％、梅塞爾占10％、BOC占8％、普萊克斯占7％,其他公司為14％。當(dāng)前，世界空分設(shè)備領(lǐng)域形成了法液空、APCI、林德公司“三足鼎立”的局面；而B(niǎo)OC、普萊克斯、梅塞爾也在努力奮斗，被稱為“后三足鼎立”。國(guó)外八大氣體公司美國(guó)普萊克斯實(shí)用氣體有限公司國(guó)外八大氣體公司47國(guó)內(nèi)發(fā)展歷程

解放前，我國(guó)不能制造空分裝置，僅在幾個(gè)主要城市有進(jìn)口的小型空分裝置。全國(guó)空分總?cè)萘恐挥?00～1000m3O2/h。1952年，第一套I-6800型空分裝置1958年，成批制造具有鋁帶蓄冷器的3350m3O2/h的高低壓空分裝置1953年二套20m3O2/h空分裝置，建立空分制造業(yè)1966年，自主設(shè)計(jì)帶有石頭蓄冷器的3350m3O2/h等低壓空分裝置70年代，帶純化器和透平膨脹的低壓空分裝置80年代，板翅式大型全低壓空分流程國(guó)內(nèi)發(fā)展歷程解放前，我國(guó)不能制造空分裝置，48國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)具備生產(chǎn)制氧空分設(shè)備的能力。但是無(wú)論是行業(yè)的規(guī)模、企業(yè)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力、生產(chǎn)規(guī)模還是技術(shù)水平都與國(guó)際先進(jìn)水平有較大的差距：林德集團(tuán)近幾年的年銷售額約90億歐元經(jīng)濟(jì)規(guī)模法液空的平均銷售額在80億歐元我國(guó)2002年全行業(yè)的銷售收入約人民幣21億元(約2.3億歐元)最大的杭氧的銷售收入僅人民幣10.28億元(約1.1億歐元)國(guó)外最大規(guī)模的制氧設(shè)備在3500噸/天生產(chǎn)規(guī)模杭氧投運(yùn)的最大規(guī)模為52000m3/h（相當(dāng)于1700噸/天）一座400MW的IGCC電站的耗氧量在2500-3000噸/天國(guó)內(nèi)已經(jīng)具備了生產(chǎn)2000噸/天以上級(jí)別的制氧空分設(shè)備的實(shí)力，不過(guò)缺乏實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn)。在設(shè)備的效率方面，國(guó)內(nèi)空分的能耗比國(guó)際先進(jìn)設(shè)備高3-5%，但造價(jià)及后期服務(wù)費(fèi)用遠(yuǎn)低于國(guó)際價(jià)格。國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)具備生產(chǎn)制氧空分設(shè)備的能力。49國(guó)內(nèi)空分生產(chǎn)商

目前，我國(guó)生產(chǎn)大中型空分設(shè)備的企業(yè)有杭州制氧機(jī)集團(tuán)有限公司（杭氧）、開(kāi)封空分集團(tuán)有限公司（開(kāi)空）、四川空分設(shè)備（集團(tuán)）有限責(zé)任公司（川空）、哈爾濱制氧機(jī)廠（哈氧）、杭氧液空有限公司（杭氧液空）、江西制氧機(jī)廠等。2003年排在前3位的是：杭氧、川空、開(kāi)空。2002年空分企業(yè)的相關(guān)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)指標(biāo)

指標(biāo)名稱生產(chǎn)企業(yè)總資產(chǎn)（萬(wàn)元）

主要設(shè)備擁有量（臺(tái)）

工程技術(shù)人員(人)

開(kāi)封空分集團(tuán)有限公司61473.2693537四川空分設(shè)備（集團(tuán)）有限責(zé)任公司58854.0591383江西制氧機(jī)廠22749.232386杭州制氧機(jī)集團(tuán)有限公司135623.31555643哈爾濱制氧機(jī)廠18945.5484126國(guó)內(nèi)空分生產(chǎn)商目前，我國(guó)生產(chǎn)大中型空分設(shè)備的企業(yè)50技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)51空分技術(shù)深冷技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀深冷原理空分系統(tǒng)在IGCC中的應(yīng)用空分新技術(shù)的應(yīng)用空分技術(shù)52空氣組成

常溫下的空氣是無(wú)色無(wú)味的氣體，液態(tài)空氣則是一種易流動(dòng)的淺黃色液體。液態(tài)空氣的組成是20.95%氧，78.12%氮和0.93％氬。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101.3KPa）下：空氣的露點(diǎn)溫度為81.7K，泡點(diǎn)溫度為78.9K；液氮的蒸發(fā)溫度為77.36K，液氮冷卻到63.2K時(shí)轉(zhuǎn)變成無(wú)色透明的結(jié)晶體；液氬的凝固點(diǎn)為87.29K；氧在90.188K時(shí)變?yōu)橐子诹鲃?dòng)的淡藍(lán)色液體；在54.4K時(shí)凝固成淡藍(lán)色的固體結(jié)晶。此外，空氣中還有機(jī)械雜質(zhì)、水蒸汽、二氧化碳、乙炔和其它碳?xì)浠衔??？諝饨M成常溫下的空氣是無(wú)色無(wú)味的氣體，液態(tài)空氣53液空重要性質(zhì)汽相中氧的濃度為30～40％時(shí)，相平衡的汽液濃度差最大，即氣相（或液相）含氧（氮）量越少越難分離；壓力越低，液相線與汽相線的間距越大，說(shuō)明低壓分離空氣較高壓容易；汽液平衡時(shí)，液相中的氧濃度大于汽相中的氧濃度，汽相中的氮濃度大于液相中的氮濃度；壓力一定時(shí)，溶液中低沸點(diǎn)組分的濃度越大，它的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度愈低。液空重要性質(zhì)汽相中氧的濃度為30～40％時(shí)，相平衡的汽液濃度54簡(jiǎn)單蒸發(fā)與簡(jiǎn)單冷凝

若將液空置于一密閉的容器內(nèi)，使它在定壓下加熱蒸發(fā)，且不引出蒸氣，使器內(nèi)的氣、液經(jīng)常處于平衡狀態(tài)，這種蒸發(fā)過(guò)程稱為簡(jiǎn)單蒸發(fā)?？諝獾睦淠^(guò)程是沿蒸發(fā)過(guò)程相反方向進(jìn)行的。若將空氣置于一密閉容器中，使其在定壓下冷卻液化，氣、液處于平衡狀態(tài)且不引出冷凝液，這種過(guò)程簡(jiǎn)單冷凝。

用簡(jiǎn)單蒸發(fā)和冷凝不能得到較高摩爾分?jǐn)?shù)的氧、氮產(chǎn)品，而且分離過(guò)程也不能連續(xù)進(jìn)行。簡(jiǎn)單蒸發(fā)與簡(jiǎn)單冷凝若將液空置于55部分蒸發(fā)與部分冷凝

如果當(dāng)液體蒸發(fā)時(shí)，把產(chǎn)生的蒸氣連續(xù)不斷地從容器中引出，這種蒸發(fā)過(guò)程稱部分蒸發(fā)。部分蒸發(fā)可以在液相中獲得氧摩爾分?jǐn)?shù)較高的產(chǎn)品；但氧的摩爾分?jǐn)?shù)越高，獲得的液氧數(shù)量越小，數(shù)量與質(zhì)量間存在著矛盾，而且不可能同時(shí)獲得高純度的氣氮。

如果在空氣定壓冷凝過(guò)程中，將所產(chǎn)生的冷凝液連續(xù)不斷地從容器中導(dǎo)出，這種冷凝過(guò)程稱部分冷凝。部分冷凝僅能獲得數(shù)量很少的高摩爾分?jǐn)?shù)氣氮，也存在著質(zhì)和量的矛盾，而且不能獲得高純度的液氧。

部分蒸發(fā)與部分冷凝如果當(dāng)液體蒸發(fā)時(shí)，把產(chǎn)生的蒸氣56多次蒸發(fā)與多次冷凝多次的部分蒸發(fā)和部分冷凝過(guò)程的結(jié)合稱為精餾過(guò)程。

多次進(jìn)行下去，液相中氮會(huì)更多地蒸發(fā)到氣相中，而氣相中氧會(huì)更多地冷凝進(jìn)入液相中，最后可獲得足夠數(shù)量的高純度氣氮和液氧。這就是利用精餾過(guò)程分離空氣的實(shí)質(zhì)。多次蒸發(fā)與多次冷凝多次的部分蒸發(fā)和部分冷凝過(guò)程的結(jié)合稱57單級(jí)精餾塔單級(jí)精餾分離空氣是不完善的，不能同時(shí)獲得純氧和純氮，只有在少數(shù)情況下（如僅需純氮或富氧）使用。單級(jí)精餾塔單級(jí)精餾分離空氣是不完善的，不能同時(shí)獲58雙級(jí)精餾塔

下塔塔釜中的液空作回流液送入上塔中部，在上塔底部得到高純度液氧。液氧進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器的蒸發(fā)側(cè)，被下塔的氣氮加熱蒸發(fā)。蒸發(fā)出來(lái)的氣氧一部分作為產(chǎn)品引出；另一部分自下而上穿過(guò)每塊塔板進(jìn)行精餾。雙級(jí)精餾塔可在塔頂部和底部同時(shí)獲得純氮和純氧；也可以在冷凝蒸發(fā)器的蒸發(fā)側(cè)和冷凝側(cè)分別取出液氧和液氮。經(jīng)過(guò)壓縮、凈化并冷卻后的空氣進(jìn)入下塔底部，至下塔頂部便得到一定純度的氣氮。氣氮進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器的冷凝側(cè)時(shí)，被液氧冷卻變成液氮。一部分作為下塔回流液空；另一部分送入上塔頂部作上塔的回流液。雙級(jí)精餾塔下塔塔釜中的液空作回流液送入上塔中部，在上塔底59流程圖流程圖60篩孔塔板結(jié)構(gòu)鼓泡層緊接塔板的一層很薄的清亮液體泡沫層鼓泡層上蜂窩狀結(jié)構(gòu)，液體為薄膜狀，氣液兩相接觸面積大，主要傳質(zhì)區(qū)域霧沫層泡沫層上，氣相中霧沫和飛翔的液滴

三個(gè)區(qū)域的大小隨著氣流速度的大小而定，氣流速度越大，鼓泡區(qū)域的范圍越小，泡沫區(qū)的范圍擴(kuò)大。篩孔塔板結(jié)構(gòu)鼓泡層緊接塔板的一層很薄的清亮液體三61氣流速度對(duì)精餾的影響氣流速度過(guò)小小于臨界速度時(shí)出現(xiàn)不均勻鼓泡，鼓泡只在塔板局部范圍進(jìn)行；很小時(shí)，由于氣體頂托不了清亮液層的靜壓，而使液體從塔板上泄漏下來(lái)；

最小蒸氣速度：上塔3～3.5m/s下塔1.5m/s實(shí)際取1.5～2.0倍氣流速度過(guò)大使一部分含氧量較高的液體帶入到上層含氧量較少而含氮量較高的液體，造成霧沫夾帶；造成液體不能順利下流，累積在塔板上，形成液泛。由于速度的限制以及氣液交換以達(dá)到充分相平衡所必需的時(shí)間，造成了IGCC中空分系統(tǒng)的最大延遲特性。氣流速度對(duì)精餾的影響氣流速度過(guò)小62連續(xù)精餾過(guò)程連續(xù)精餾過(guò)程63空分技術(shù)深冷技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀深冷原理空分系統(tǒng)在IGCC中的應(yīng)用空分新技術(shù)的應(yīng)用空分技術(shù)64純度要求用于煤氣化爐的氧氣純度為90%～95%；氮?dú)饧兌葹?9.9%；稀釋煤氣的氮?dú)猓ㄎ鄣┘兌葹?6%～99%。壓力要求用氧壓力取決于煤氣化工藝，一般在3～8MPa。產(chǎn)量要求氧氣用量取決于煤的成分和氣化工藝。通常為0.82～1.0kgO2/kg煤。IGCC對(duì)空分技術(shù)的要求純度要求IGCC對(duì)空分技術(shù)的要求65低壓空分系統(tǒng)

入口0.5～0.65MPa出口0.13～0.15MPa空分后的氧壓機(jī)、氮壓機(jī)耗功大升壓空分系統(tǒng)

入口1.0～1.5MPa出口0.55～0.6MPa盡管氧壓機(jī)、氮壓機(jī)耗功減少，但由于空氣升壓時(shí)耗功增加，故總耗功變化不大。IGCC中的空分形式

－按壓力劃分低壓空分系統(tǒng)IGCC中的空分形式

66整體空分系數(shù)Xas=Gas2/Ga