基于多级离心压缩技术的冶金空分系统优化

蔡道飞

(中冶华天南京工程技术有限公司，江苏 南京 210019)

摘 要：针财传统冶金空分系统能耗高、分离效率低的问题,通过对系统架构、预处理与压缩单元、冷却与液化单无及分离与精馏单元的评细设计,提出了一种基于多级离心压缩技术的优化设计方案,实现了系统的高效稳定运行。实验结果显示,在最佳工况下,系统综合能耗降至0.36kWI/Nm³0₂,氧气回收率和鲀度分别达到93.8%和99.7%,象气纯度保持在>99.99%。液氧产平为28.9%。该优化方案显著提升了冶金空分系统的性能。

关键词：多级离心压缩技术；冶金空分系统；能耗优化

0 引言

冶金工业是国民经济的重要支柱产业,对推动我国工业化进程和经济社会发展具有重要意义。《中国制造 2025}明确指出,要大力发展先进制造业,推动工业转型升级。冶金空分系统作为钢铁生产中不可或缺的关键装置,其能源利用效率直接影响到整个冶金工艺流程的经济性和可持续性”。目前,传统的冶金空分技术存在能耗高、分离效率低等问题,难以满足现代化冶金工业的发展需求。基于多级离心压缩技术的空分系统具有高效节能、结构紧凑等优点,对于优化冶金行业能源利用、促进绿色发展具有重要意义。

1 多级离心压缩技术原理

多级离心压缩技术是一种高效的气体压缩方法，其原理是利用高速旋转的叶轮将气体加速,通过离心力将动能转化为压力能,实现气体的压缩。在多级离心压缩机中,气体依次通过多个压缩级,每一级都包括进气口、叶轮、扩压器和出气口等部件。气体在叶轮的高速旋转下被加速至超音速,然后在扩压器中减速并将动能转化为压力能,使气体压力逐级提升。例如,某型号多级离心压缩机的转速可达12000r/min,叶轮直径为120mm,每级压比为1.6,经过5级压缩后,气体压力可从 100kPa提高到780kPa。多级压缩过程中,级间冷却器用于降低气体温度,减少功耗,提高压缩效率。通过合理设计级数、级间压比、转速等参数,多级离心压缩机可在范围内实现高效稳定运行,空气流量>100000m³/h,压力>3000kPa,适用于大型空分装置对空气的压缩需求。

2 冶金空分系统现状分析

当前,我国冶金行业普遍采用传统的低压空分技术。该技术以双塔精馏为核心,通过低温蒸馏原理实现气体分离。低压空分系统通常由空气压缩机、净化装置、换热网络、精馏塔等组成,整个系统能耗高,设备庞大,自动化水平低,存在诸多不足。以某钢铁公司5000m³/h低压空分装置为例,空气压缩机功率高达8000kW,投资成本>5000万元,年运行电耗达7000万kwh,而氧气回收率仅为70%左右。此外,低压精馏塔塔板数多,一般在60~120个,液氧泵扬程>200m,能耗大幅攀升。同时,由于低压操作,空分过程容易受环境温度波动影响,产品纯度难以稳定控制。精馏塔进料压力<0.6MPa时,塔径>6m,设备材质需选用低温合金钢,投资大幅增加。综上,传统低压空分技术已难以适成现代冶金工业的节能减排和清洁生产要求，亟需引人更加高效环保的新技术予以替代和升级。

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