KDON200/40TPD空分装置工艺方案比选研究

摘要：本文针对KDON200/250/TPD空分装置的工艺方案选择问题，基于24小时相同产品产量的条件，对四种不同工艺方案进行了全面对比分析。研究重点考察了各方案在能耗、运行成本、产品适应性等方面的差异，并结合峰谷电价机制提出了优化运行策略。结果表明，采用空分装置+外挂冷箱的工艺（方案1）在液氮价格高于临界值时经济性最优，单位产品能耗最低（0.42172），年运行成本可降低7.2113万元/天。本研究为工业空分装置的选型设计提供了理论依据和技术参考。

关键词：空分装置；工艺比选；能耗分析；运行优化；液化空气

1. 引言

空气分离技术作为现代工业的重要基础工艺，广泛应用于钢铁、化工、电子和医疗等领域。随着能源成本上升和环保要求提高，空分装置的能效优化成为研究热点。本文以KDONAr200/250/TPD空分装置为研究对象，针对其工艺方案选择问题展开系统分析。

传统空分工艺主要分为深冷法、吸附法和膜分离法三大类，其中深冷法因其处理量大、产品纯度高而占据主导地位。但在实际运行中，如何平衡设备投资、运行成本和产品灵活性仍是技术难点。特别是在电力价格分时计费的政策下，峰谷电价的差异可达3-4倍，这对空分装置的运行策略提出了更高要求。

本研究通过建立五种工艺方案的对比模型，从技术可行性和经济性两个维度进行综合评价，旨在为空分装置的优化设计提供科学依据。

2. 方案比选基础

所有方案均以24小时为周期，保证产品产量一致，具体参数如表1所示：

3. 工艺方案介绍

方案一：

主空分装置采用空气循环液体空分流程，主冷箱产出液氧4400Nm3/h，液氮0Nm3/h，外挂冷箱生产液氮14000Nm3/h。谷电时，主空分装置和外挂冷箱装置正常运行；峰电时，主空分装置的循环空气增压机和高低温膨胀机停运，液氮倒灌主冷箱上塔，外挂冷箱停运。如图1所示

方案二：

主装置采用常规气体空分流程，主冷箱产出液氧1000Nm3/h，液氮300Nm3/h外挂冷箱生产液氮14000Nm3/h.液氧3400Nm3/h谷电时，主空分装置和外挂冷箱装置正常运行；峰电时，主空分装置的空气增压机和膨胀机停运，液氮倒灌主冷箱上塔，外挂冷箱停运

方案三：

主装置采用常规气体空分流程，主冷箱产出液氧1000Nm3/h，液氮300Nm3/h外挂冷箱生产液氮7000Nm3/h.液氧3400Nm3/h谷电时，主空分装置和外挂冷箱装置正常运行；峰电时，主空分装置的空气增压机和膨胀机不停运，液氮倒灌主冷箱上塔，主冷箱产出液氧4400Nm3/h，外挂冷箱停运

方案四：

采用空气循环液体空分流程，主冷箱产出液氧4400Nm3/h，液氮350Nm3/h，无外挂液化冷箱系统，装置24小时正常运行。

方案对比

四个工艺方案平均总能能耗、平均单位产品能耗及运行电费见表4.1。

由表4.1可知：

1、生产同样产品量的情况下，采用空分装置+外挂冷箱的工艺（方案1、2、3），根据峰谷电错峰运行，比单独采用空分装置（方案4）运行成本更低。

但空分装置+外挂冷箱的工艺投资成本更高，流程更复杂，操作也更复杂。

2、空分装置+外挂冷箱的工艺（方案1、3、4），谷电时，需大量氮气液化，可外输氮气少，峰电时，液氮倒灌，产生大量氮气，外输销售困难，造成大量纯氮气浪费。

单独空分装置（方案5）可稳定氮气产量。

气体空分装置+外挂冷箱的工艺（方案2、3），峰电时，主空分装置增压机、膨胀机停机，完全靠液氮倒灌提供冷量，（方案2）虽然单位产品能耗高，但运行费用更低。

液体空分装置+外挂冷箱工艺（方案1）与气体空分装置+外挂冷箱工艺（方案2）比较，峰电时，主空分装置增压机、膨胀机停机，完全液氮倒灌提供冷量，（方案1）单位产品能耗更低，运行费用更低，但相差不是很大。

方案1：适合主要产品为大量液氧，少量气氧，且氮气需求少的情况。

方案2：适合主要前期产品为大量液氧，少量气氧，且氮气需求少的情况，后期主要产品为氮气和氧气的情况，适用性更强。

方案3：适合主要前期产品为大量液氧，少量气氧，且氮气或液氮需量1000～8000的情况，后期主要产品为氮气和氧气的情况。

方案4：适合主要产品为大量液氧，少量气氧，且氮气或液氮需量8000～1500Nm³/h的情况。

结合本项目实际情况，主要产品为大量液氧，少量气氧，且氮气需求少的情况，选用方案1。

5峰、谷电两种工况运行时长比选

针对方案1，基于分时峰谷电价政策，外挂氮气液化装置每天启停一次，并最大化利用谷电，建立两种典型运行模式：

运行方案一：每天按12小时峰电工况+12小时谷电模式工况运行。

运行方案二：每天按16小时峰电工况+8小时谷电模式工况运行。

峰谷时段及电费价格采用《国网浙江省电力有限公司代理购电工商业用户电价表》中大工业用电（1～10KV）的电价。

运行方案一的电费及最终产品产量分别见表2.2.1 ～2.2.3，运行方案二的电费及最终产品产量分别见表2.2.4～2.2.6。

两种运行产品差别主要是液氮产量不同，液氩产量差别不大，这里主要考虑电费和液氮销售价格，对装置运行经济效益的影响。

对比发现：

2～6、9～11月份 液氮价格低于303.5元/t，采用谷8h，峰16h更经济，液氮价格高于303.5元/t，采用谷电12h，峰电12h更经济

1、7、8、12月份 液氮价格低于451.5元/t，采用谷8h，峰16h更经济，液氮价格高于451.5元/t，采用谷电12h，峰电12h更经济

6 结论

不同的工艺方案适用不同的产品需求，对于大量产液氧，氮气需求小的空分装置，采用空分装置+外挂冷箱的工艺，根据峰谷电错峰运行，比单独采用空分装置运行成本更低。

对于空分装置+外挂冷箱空分工艺，改变峰、谷工况的操作时长，可实现液氧/液氮双产品柔性调节。

液氧产品不变的情况下，峰、谷工况操作时长的最经济的选择，除了受峰谷电时段长度的影响，主要影响因素是液氮价格，应根据液氮价格决定峰、谷工况操作时长。

参考文献

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