化工“肺”**，不可或缺的工业气体岛究竟是啥样？
近日，空气化工产品(我国)投资有限公司、上海河图工程股份有限公司与河南永城市人民政府，在商丘举行空气化工气体岛项目和煤化工合成气制乙醇项目合作签约仪式。
其中，空气化工气体岛项目计划投资2亿美元，建成后可为园区内客户提供稳定的氢气、一氧化碳、氧气、氮气等气体产品，每年可利用二氧化碳20万吨，达产后年产值约12亿元。
在工业领域，经常会用到各类气体，这些气体通过特定的设备生产出来，在通过各类***，就相当于人体里面的“肺”，来控制气体和流量。虽然只是化工生产的一个环节，但是在很多领域，最气体参与的结果，往往决定产品的品质。
因此出现了工业气体岛，专门生产各类工业气体。究竟工业气体岛是什么样的存在？流程君带你详细了解。
什么是气体岛
工业气体作为公用工程的一部分采取一体化集中供应，以实现专业、安全、环保和高效。气体岛（气化岛）根据服务群体规模分为企业级和园区级，根据供气成分分为合成气型（CO+H2、H2、CO）和工业燃气型，依据服务行业又可分为化工型（炼油/煤化工/其它化工等）和其他工业型（陶瓷/建材/水泥等）。随着煤气化技术快速发展、工业园区（大型企业）规模扩大、产业更替和优化升级，采用专业化煤气化岛为工业园，特别是大型企业，提供大量合格、低价的合成气、氢气、一氧化碳等工业气体已经成为趋势。
投资143亿元广西华谊工业气体岛项目主装置
在我国南京化学工业园，拥有一个已建成并运行3套5万标准立方米/小时的空分装置和总长50多千米的管道，为30多家园区内生产企业服务。这种供应模式非常灵活，比如在园区内有一个主客户需要氮气，如果采用集中供气，空分装置分离出来的其他气体可以通过管道输送给其他客户，那么主客户购买氮气的**就能被摊薄，从而降低成本。空分设施生产的氧气、氮气不仅可提供给园区内的企业，其生产的液态气体还可供应给园区周边企业。
目前，国内大型园区陆续引入气化岛模式，有的园区甚至会和气体投资企业签署排他性协议，园区不再引进同类型项目。
在环保大背景下，企业“入园潮”已经轰轰烈烈的开展起来，随着园区的规模扩大，产品的优化升级，同时也给园区气体岛（一体化供气）模式创造了独特的机会。
气体岛有哪些设备？
气体岛的主要设备就是空分设备，空分设备是以环境空气为原料，通过压缩循环深度冷冻的方法把空气变成液态，再经过精馏而从液态空气中逐步分离氧气、氮气及氩气等气体的设备，广泛应用于传统的冶金、新型煤化工、大型氮肥、炼化一体化、专业气体供应等领域。
简单来说就是空分的**流程包括：
- 压缩**
- 预冷**
- 纯化**
- 换热**
- 产品送出**
- 膨胀制冷**
- 精馏塔**
- 液体泵**
- 产品压缩**
我们按照空分**流程对设备进行一一介绍：
压缩**
有自洁式空气过滤器、汽轮机、空压机、增压机，仪表压缩机等。
（1）自洁式过滤器一般随着气量的增大，滤筒数增多，层数也越高，一般2.5万等级以上双层，6万等级以上三层布置；一般单台压缩机需要单独布置过滤器，同时布置在上风口。
（2）汽轮机是高压蒸汽进行膨胀做功，带动同轴叶轮转动，从而实现进行对工质做功的型式。汽轮机一般常用的有三种形式：全凝、全背压和抽凝，较为常用的是抽凝。
（4）空压机一般大型空分装置投资均为单轴等温型离心压缩机，进口较国产能耗低2%左右，投资高80%；空压机采用出口放空，不设置回流管路，一般有最小吸入流量防喘振要求，
采用入口导叶进行流量调节，进口国产机组均是四级压缩****（末级不**）。主空压机配备一套水洗**，用以冲洗各级叶轮和蜗壳表面沉积物。该**随主机成套。
（5）增压机一般大型空分装置投资采用单轴等温型离心压缩机和齿轮式离心压缩机两种，其中齿轮式在能耗上占较大优势，尤其压比较大的工况。
（6）仪表气压缩机一般有三种形式：无油螺杆机，活塞式和离心式。仪表压缩机在开车时使用，正常运行后由分子筛纯化器后抽取。
预冷**
预冷**空冷塔有两种形式：闭式循环（空冷塔分为上下两段，冷冻水在空冷塔上段和水冷塔之间循环）和开式循环（进循环水**），闭式循环主要应用于水质不好的化工厂，需要补充新鲜水及药剂；开式循环应用较广，但是循环水**同样也需要定期补充新鲜水，预冷**还需要考虑夏天工况。
空冷塔一般设计为底部为1米φ76不锈钢鲍尔环（耐高温），3米φ76增强型聚丙烯鲍尔环（大通量），4米φ50增强型聚丙烯鲍尔环。
水冷塔也有两种：两段式（无外加冷源时，干燥污氮气的冷量回收充分，使之预冷**有保障，但是阻力大一倍，（7米+7米φ50聚丙烯鲍尔环）和一段式（有外加冷源时，8米φ50聚丙烯鲍尔环）。
纯化**
纯化**采用的的吸附器有立式轴向流，卧式双层床和立式径向流三种。
立式轴向流主要用于1万等级（直径已经到4.6m）以下空分设备的配套，床层厚度1550∽2300mm，双层单层均可布置，立式轴向流吸附器的气流分布**。
卧式双层床主要用于大中型空分设备的配套，床层厚度1150mm（分子筛）+350mm（铝胶）。
立式径向流吸附器可以有效利用容器内部空间，使得同直径吸附层面积扩大1.5倍左右，这样可以有效降低塔器高度，同时立置方式占地面积较小。由于气流分布均匀，不像卧式吸附器气流不均，使得分子筛用量减少20%，再生能耗也节省20%。
换热**
换热**严格来说多股流混合介质设计在同一换热器里，让各介质传热自动平衡，能耗最低，但是这样对于内压缩流程会造成全部换热器均为高压换热器，会造成投资的积聚增加，所以2万等级以上内压缩换热器组织还是采用高低压分开的办法，更为经济些，2万等级以下采用全部高压换热器配置。
产品送出
低压氧氮产品，高压氧气产品等气体。
膨胀制冷**
膨胀机一般有三种，即低压膨胀机，中压膨胀机和液体膨胀机。
对于一定类型的气体膨胀机来说，工质体积流量越大，效率越高。一般流量8000Nm³以上的低压膨胀机效率为85∽88%，流量小于3000∽8000Nm³效率会低至70∽80%。
中压膨胀机一般采用一台进口一台国产（备用）。气量8000Nm³/h以上进口膨胀机效率82∽91%（增压端少4个点）；国产膨胀机效率78∽87%（增压端少5个点）。
膨胀机启动前需要先吹扫（除去管系杂质，膨胀机蜗壳内杂质），再通密封气（正常时由增压端提供），然后进行油**外循环，内循环，做完联锁测试然后方能启动，冷试合格后冷紧；冷启动需要启动油箱加热器，正常运行后不需要，此时轴承的冷热已经平衡。
液体膨胀机本质是利用高压液体的压力头来进行水力做功（同时液体焓值降低，但是与气体相比，相差甚远），一般4万等级以上内压缩空分设备均可用液体膨胀机代替高压液空节流阀。它的优势为利用液体膨胀机制冷和膨胀功发电达到节能目的，一般可实现节能2%左右，但是其投资达千万元。
精馏塔**
下塔1.5∽5万等级采用筛板塔较多，环流塔板在1.5万等级以下直径塔较有优势（液体流程较对流长，但是制造复杂），对流3万等级以下应用较多，1.5万等级以上较占优势，
四溢流在3万等级以上大塔较占优势，填料塔能耗较低，不过下塔高度要增加5米左右。5万等级以上空分较占优势，尤其上下塔平行布置的情况。
上塔、粗氩塔及精氩塔采用填料塔，厂家一般为苏尔寿或天大北洋，对粗氩塔冷源配置一般是富氧液空，同时可将废气放散入污氮气管路，氩**停运时能耗低；
精氩塔热源为富氧液空，或下塔氮气，冷源可以是贫液空或者液氮，进料有液相和气相两种。需要注意的是粗氩塔冷凝器板式的密封性要求较高，否则会导致氩产品不合格。
主冷有单层，立式双层、卧式横列双层，立式三层和降膜主冷（液氧与气氧向下，与氮气同流向）。
精馏塔**的布置有6种方式：
（1）上下塔垂直布置，为常规布置方式，高度较低，无下塔液体难以进入上塔或者粗氩塔冷凝器的状况（管路全液相上行背压能够满足，此时管径不能小）；
（2）上下塔垂直布置，为常规布置方式，高度适中，下塔液体难以进入上塔或者粗氩塔冷凝器采用设置汽提管路带液体去上塔（要求管路出口满足ρυ²＞3000，ρ为密度，υ为流速，进气位置在管路汽化率为1%高度处，此时需要适当缩小管径，同时液体过冷度不能大）；
（3）上塔自氩馏分段落地布置，采用两台循环氧泵连接，降低上塔高度可以解决下塔液体无法进入上塔或者粗氩塔冷凝器的状况；
（4）上塔自氩馏分段落地布置，采用循环泵连接，粗氩塔最上段座在上塔上部，这样可以使冷箱空间缩小；
（5）上塔自主冷落地布置，采用循环泵连接，主冷在下塔顶部，优点是主冷可以做的很大；
（6）上塔自主冷落地布置，采用循环泵连接，粗氩塔最上段座在上塔上部，优点是主冷可以做的很大，同样可以使冷箱空间缩小。
液体泵**
卧式泵水平布置（进液管低于排液管），需要设置加温气（设置在泵后，或者泵前过滤器前，防止杂质进入），密封气，排液排气阀（低处排液，高处排气）和回流管路（回液进气相），卧式泵转速不能太高，一般排压30barG以下，卧式泵由于水平布置，冷态收缩轴承受力较好，但是转速高转子动平衡不好满足。
立式泵采用轴承悬挂式布置（进液管高于排液管），承受向下拉力较大，转子重心与轴重合，转速可以很高；一般30bar以上，需要设置：
泵前回气（注意卧式泵无），加温气（设置在泵过滤器前，高处进气）， 密封气，排液排气阀（低处排液，高处排气，预冷时看是否冷透）和回流管路（回液进气相）。
立式泵一般均是多级，回气管路要求不得向下（平出，或者倾斜向上），否则会造成气体不能排出，易导致泵汽蚀。另外低温泵电机需要设置吹风管路，防止夏天过热，冬天结霜。
液氧泵液氮泵在线冷态备用，其中液氮泵密封气密封气压力7barG以上；氧泵密封气压力4barG(下塔压力氮气即可满足)；循环液氩泵，一用一备，密封气一般采用液氩汽化密封，要求流量有20%的余量。一般液氩泵自身回流阀压力-旁通控制，出口阀流量-液位控制，采用双回路控制。
产品压缩**
氮透一般压缩空气的均可满足，氮气透平压缩机压力较高采用齿轮式较为节能。
氧透根据排压有单缸（压力低）和双缸（高压缸和低压缸）（8级压缩至30bar），一般30barG以下，需要设置5barG的密封气（压力氮气可满足），同时由于氧气介质有高压高温火患原因，所有过流部分均采用铜合金，需要设置保安氮气，一般由工程设计院考虑；
进口氧透**较高，为国产2倍左右，一般不采用，目前一般均杭氧氧透，排压3∽30barG，流量8000Nm³/h以上均可满足。但是流量小，氧透效率较低，一般8000Nm³/h（55%）∽80000Nm³/h（68%）。
氧透一般应用于外压缩流程，从3∽30barG均有,不过一般要和带增压机的内压缩流程（效率一般70%以上，也有流量**，效率要较氧透高10个点以上，这样甚至可以抵消外压缩较内压缩少复热附加能耗损失的优势，但是内压缩用于钢厂排压需要提高，以免换热**波动）进行能耗比较，最后确定方案。
目前现状
空分装置号称“煤化工之肺”，2000年以后，随着我国冶金、石化、煤化工等产业对大型、特大型空分设备需求的迅速增长，促进了我国空分设备行业的快速发展，设备最大规格迅速地从1万等级提高到了3万、4万、5万、6万等级，又从6万等级上升到了8～12万等级。
但是气体本身属于资金密集型产业，强者更强，面对动辄数亿元的气体岛项目，小企业根本无法承接下来。因此目前主要的做气体岛的企业都是国内外大型的空分企业。
国内空分企业在大型空分设备招投标中和国际巨头同台竞技的机会并不多。
2010年之前国内大型工业气体空分装置基本都被国外巨头占有，国内空分行业其中杭氧为龙头企业，从首套3万级开始攻克，到6万级8万级，再到10万级，杭氧公司的每一次攻克都是国内首台套。
2011年神华包头煤制烯烃项目上，杭氧公司研制的4套6万级装置（近10亿元）开车成功，标志国内空分行业已具备大型装置的研发能力。
再到2017年6套10万级在神华宁煤项目上和林德平分秋色，到出口**卡维12万级，国内空分行业一直在进步。
2016年以后，6万等级及以下成套空分设备的国产化率从现在的50%～70%提高到80%以上，主要是配套空压机、增压机的效率与可靠性提高，实现真正的国产化；6万等级以上等级成套空分设备的国产化率从现在的35%提高到60%以上。
国内外知名厂商
国外知名空分企业：
- Linde (林德） 德国林德
- AIR LIQUIDE（法液空） 法国液化空气
- AP （美国空气） 美国AP公司
- 此三家占全球70%的大型空气装置份额
- 2019年林德收购美国普莱克斯超越法液空成为全球第一大工业气体公司
国内知名空分企业：
- 杭氧空分
- 开封空分
- 四川空分
- 开封迪尔
- 杭州福斯达
当前，空分设备大型化、特大型化、机组集群化已成为一种趋势。特大型化的空分设备可以直接减少大型化工项目的空分设备台数，进而减少设备投资、用地和运行维护的工作量。空分设备机组集群化有利于设备的统一管理，但同时对现场布置优化提出了更高的要求。我国在空分设备特大型化、机组集群化、现场布置优化等方面有所不足，应不断总结积累经验，努力缩小与发达国家的差距。
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