标准化制氮机冷量制取方式的研究分析
赖寒
【摘 要】根据电子气行业配套小型标准化制氮机的特点,从装置负荷调节性、经济性和操作灵活性三个方面,针对不同的冷量制取方式分析研究其各自优缺点及适合的应用场合,优化装置设计,在装置的生命周期内使得客户的总成本最低. 【期刊名称】《低温与特气》
【年(卷),期】msm2019(037)004
【总页数】4页(P14-17)
【关键词】电子气;经济性比较;冷量;总成本;制氮机;
【作 者】赖寒
【作者单位】林德工程(杭州)有限公司,浙江 杭州 莲花街333号 莲花商务中心北楼310012
【正文语种】中 文
【中图分类】TB657.7
黄磷行业准入条件0 引 言
北京亚运会开幕式近几年来，随着国家对半导体、液晶面板、有机硅产业的大力支持，各大国际国内半导体、液晶面板厂商积极响应国家号召，在国内纷纷投资建厂，随之相应带动了电子气的大量需求，电子气行业的蓬勃发展。其中，高纯氮气作为主要的大宗气体用于保障下游生产线的安全运行。为满足合格氮气产品的快速供应以及适应氮气产量负荷变化范围广的需求，要求配套建设的氮气生产装置的建设周期短，装置产量调节范围广，以配合下游生产的需要。 用于电子行业的氮气其纯度要求非常高，氮气产品中的氧、一氧化碳、氢含量通常需要达到1×10-6以下，甚至要求达到1×10-9级，对于氩含量的要求为 (5～10)×10-6。目前，市面上常规生产的液氮多为含氧量 (5～10)×10-6，含氩量 (100～500) ×10-6，对于一氧化碳、氢则没有具体要求。如果采用液氮直接气化加多级催化形式的吸附器来制取高纯度氮气的 形式，由于同标方体积的液氮价格较气氮高，吸附剂的价格非常昂贵且寿命较短，又因为氩属于惰性气体，吸附剂不能脱除氮中的氩，该形式无法满足氮气中氩含量的要求，对于工业生产氮气来说不合适。
目前各空分厂家设计的氮气装置，均为小型化、标准化的制氮机，可采用多种流程组织形式，以适应不同的下游产品规格。该类型制氮机装置较小，装置跑冷损失少，需要的制冷量也很小。比如一套产量为3000 Nm3/h的标准制氮机，其需要的制冷量仅为7～10 kW。如此小的制冷量，是采用常规的膨胀机制冷，还是有其它更加经济合理的制冷方式值得探讨。就此，笔者拟从以下几个方面加以比较，以便在制氮机装置的运行周期内，使装置的总成本最低，更加适应市场的需要。
1 膨胀机制冷的制氮机流程
其中的一种制氮机流程组织，为适应独特的产品规格，设计了特殊的流程形式。
来自大气的空气，经空压机压缩至工艺压力后被送入预冷系统洗涤，去除部分杂质，然后送入分子筛纯化系统进行吸附，变为干燥、干净的压力空气，之后被送入冷箱内的主换热
物探软件器与反流冷气进行换热降温，当降至合适的温度后抽出一部分空气，送入膨胀机进行膨胀制冷，用以弥补装置的冷量损失，膨胀后的空气约106 K。而另外一部分空气则继续降温，从换热器底部抽出送入精馏塔，在塔内经过精馏，在塔顶抽出氮气作为产品，经换热器复热后送往氮气产品管网。
考虑到该标准化制氮机的冷量损失较小，其配套设计的膨胀机可采用油制动或者风扇制动来吸收能量。膨胀机部分的流程简图见图1。可以看出，膨胀后的空气被送入污氮气管网，最终排入大气。
图1 流程简图Fig.1 Process flow diagram
2 液氮倒灌制冷的制氮机流程
液氮倒灌是一种常见的获取冷量的方式，其技术成熟。原理是直接将常压饱和液氮经液氮泵加压，加压后的温度约102 K，然后直接送入精馏塔，作为部分回流液参与精馏，同时作为装置的冷量来源，用于弥补装置的冷量损失。
该技术一般多用于大型空分装置的开车阶段，以缩短装置开车时间。另一个重要用途是当
膨胀机出现问题需要单独检修而又不希望空分装置停车时，可利用液氮倒灌的形式继续维持装置的运行。
在图1的流程组织中，将膨胀机取消，进入冷箱的空气全部经换热器冷却至接近饱和温度，然后从换热器底部抽出送入精馏塔进行精馏，从精馏塔顶部抽出产品氮气。为了维持装置的冷量平衡，将来自液氮后备储槽的液氮加压送入精馏塔代替膨胀机产生冷量，持续的维持装置运行，同时倒灌的液氮也可作为气体产品送入管网。
3 负荷调节性比较
电子行业对于电子气的供应具有特殊性。电子工厂对于高纯氮气、氧气的需求通常不会在装置投产初期就满负荷运行，而是从低负荷逐步爬坡增加。一般需要氮气装置在半负荷情况下运行3 a左右，之后再逐步爬升至满负荷。如此宽的运行范围就要求氮气装置应具有较宽的负荷调节能力，达到40%～100%。
制氮机装置通常配置为一个冷箱加多台压缩机组的方案，优化装置运行能耗和调节运行范围。
1. 冷箱：经过特殊的内件设计，一台冷箱可满足负荷调节范围40%～100%。
2. 压缩机：由于转动设备的工作特性，压缩机通常的负荷调节范围为70%～100%，而小型氮气装置的压缩机通常为标准机，其负荷调节范围更小，一般仅为85%～100%。所以通常会配置多台压缩机组，一般为2～4台标准机，其相比于一台大的定制机，不但价钱便宜，而且调节范围更广，可以满足30%～100%。
3. 膨胀机：同为转动设备，常规可调节范围为40%，即60%～100%。如果下游要求的运行范围更宽，显然一台膨胀机无法满足要求，需至少配置2台膨胀机组。
4. 液氮倒灌：取消膨胀机的设置，采用液氮倒灌则不存在膨胀机的调节范围限制，只需要优化好空压机组和冷箱的配合即可，大大拓宽了装置的运行范围。
改变一生的闪念
从上述比较来看，采用液氮倒灌的流程形式，装置运行范围大大提高，能满足电子行业供气的特性。如果采用膨胀机制冷形式，则至少需要配置2台膨胀机。
4 经济性比较
一套装置是否值得上，是否经济，一个重要的评价指标就是经济性评价。其经济性比较主要体现在设备成本和运行能耗两个方面。
两种流程形式的区别在于是否有膨胀机制冷，所以设备成本的差异主要体现在膨胀机的价格。关于能耗评价，第一种流程形式因为将膨胀机膨胀成低压后的空气直接排入污氮气，造成了压力空气的浪费，即空压机部分能耗的浪费；对于第二种流程形式的能耗主要在于液氮消耗。
应力应变曲线
一台3000 Nm3/h产量的制氮机，装置跑冷损失约9 kW[1]，下面分别就两种流程形式予以比较。
1. 膨胀机制冷：经过流程模拟计算，9 kW制冷量所需的膨胀机的流量约为500 Nm3/h，价格视采用进口膨胀机或者国产膨胀机而定。本文以国产膨胀机价格作为比较基础，一台该等级的国产膨胀机设备价格约为50万人民币。500 Nm3/h的压力空气消耗空压机能量约80 kW，另外对于分子筛吸附器的再生加热器，500 Nm3/h空气还需要平均每小时额外耗电4 kW，如果按照0.5元/kW的电价进行估算，则每小时多耗电0.5×(80+4)=42元。
2. 液氮倒灌制冷：不配置膨胀机，但为了获得同样9 kW的冷量，则需要消耗液氮约70 Nm3/h。由于液氮需要外部采购，价格随市场波动较大，目前市面液氮价格约为600元/t，则每小时的液氮消耗成本约52元。
其详细数据分析比较见表1。
表1 数据分析Table 1 Data analysis制冷方式设备费用运行能耗能源单价能耗费用膨胀机制冷～500 000 元/台80 + 4 = 84 kW0.5 元/kW42 元/h液氮倒灌制冷～ 0 元70 Nm3/h 液氮600 元/t52元/h
从表1比较可以看出，采用液氮倒灌的流程形式，每小时多花费了运行费用约52-42=10元，但是省下了至少一台膨胀机的设备及维护费用，约50万人民币。如果按照年运行时间8000 h考虑，则按照500 000/10/8000=6.25 a，即约等于6 a，两种流程形式的总运行费用相当。
液氮价格随市场波动或地域波动较大。如果液氮价格为1000元/t，则每小时的液氮消耗成本约87元。采用液氮倒灌的流程形式，每小时多花费运行费用45元，如果按照年运行时间
8000 h考虑，则按照500 000/45/8000=1.4 a，即约等于1.5 a，就可以收回这台膨胀机的成本费用。
如果装置配置2台膨胀机，投资成本大大增加，则上述比较情况又不一样，主要参数见表2和表3。从表3可以看出，如果液氮成本为600元/t，则2台膨胀机的回收年限延长至12.5 a；如果液氮成本上涨至1500元/t，则回收膨胀机的年限约为1.5 a。
可以看出，这两种流程形式的经济性与市场液氮价格、膨胀机台数关系较大，不能一概而论。
表2 1台膨胀机的投资回收年限Table 2 Investment recovery period of one expander turbine液氮成本元/t能耗费用元/h投资回收年限a60052 6.25 100087 1.5
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议