聂国印1聂旭春2

（1、内蒙古自治区煤田地质局，2、京泰发电）

摘要：

即以内蒙古自治区的呼、包、鄂、准四地为例，四地为一边长Km左右四边形，在四边形的中间位置建一个特大型的空分厂家，然后以液体管廊的形式将液氧、液氮、液氩分别输入四地的中心主站液体储库。由中心主站统一气化以地面输气管道形式输往各个用户，纯氮气、纯氩气送达用户尽可能地循环利用；纯氧以地面输气管道形式输往具有一定燃烧规模的企业用于纯氧燃烧，并以地面输气管道形式回收纯氧燃烧企业的二氧化碳；由各地中心主站统一提纯二氧化碳，并且统一循环利用。由各地中心主站配合液体储罐和气体钢瓶的形式最大化地利用氮气、氧气和氩气。

关键词：空分装置；工业气体；拓扑应用；二氧化碳；产业布局；革命。

1.前言

空气是地球大气层中的气体混合，以体积含量计，氮气占78%，氧气占21%，稀有气体（氦、氖、氩、氪、氙、氡）占0.%，二氧化碳约为0.04%，其他物质（如水蒸气、杂质等）约为0.%。空气中含氩0.93%，其沸点又介于氧、氮之间。

随着工业的发展和工业气体的兴起，空气是大宗工业气体中氮、氧、氩的唯一来源。氮、氧、氩三种元素的总和是空气占比的99.93%，近年来液氧、液氮、液氩分别以不同的方式在不同的行业得到了充分的应用。年世界范围内工业气体出现了爆炸式增长，仅四个月就有上百条上马的消息。现代空气分离设备能生产各种容量、不同纯度的气态或液态产品，也能制造超高纯度的氧、氮和氩气（如含氧99.%、含氮99.%和含氩99.%）。空气分离设备还能根据用户的需要，通过电子计算机的控制，随时增减产品的数量，达到经济用氧的目的。［1］

2.空气应用的现状

19世纪末空气仍被称为“永久气体”，后来人们发现在深低温下空气也能液化，并因氧、氮沸点不同，可以从液化空气中分离出氧气和氮气。第一台商品化的制氧机于年制成，它最初只是用于金属的气焊和切割。氮肥工业需要氮气，制氧机发展到能同时生产氧气、氮气和氩气，改称空气分离设备。

2.1大型空分装置现状

2.1.1空分装置分类

空气分离技术是最典型的公用工程技术，被广泛应用于化工、钢铁、养殖、高效燃烧和污染物治理等行业和领域。空分设备按氧气产量，分为特大型（m3/h）、大型（≥m3/h）、中型（≥m3/h）、和小型（m3/h）。最大规格达到m3/h。空分技术的成熟为空气应用的革命奠定了坚实的基础。

2.1.2现代大型空分装置的特点

氧气提取率高，正常操作工况（Nm3/h，标态）下氧气提取率高达93%以上，最大操作工况（Nm3/h，标态）下氧气提取率大于90%；氮气产品量大，氮气的提取率达42％，最大操作工况下达46.6％；氩气的提取率达59％；氮气有6种产品规格(高压N2，中压N2，低压1N2，低压2N2，液氮，污氮)，各产品需求量变化范围大，最大超过％，这对氮气循环系统的设计和产品压缩机性能提出了更高的要求；空气压缩机、循环氮气压缩机、高压产品氮气压缩机首次共轴采用1台汽轮机驱动，通过变速箱满足不同压缩机组的转速要求，驱动机轴功率达kW，这要求各机组的设计、制造与冷箱部分高度集成；稳定的氮气供给对于迅速建立粉煤循环、准确计量入炉煤量、缩短开车时间、降低开车成本至关重要，这要求空分装置除稳定供给氧氮产品外，应能快速启动，因此对加温解冻时间、装置启动时间均提出了严格的要求；空分装置在生产氧氮产品(包括液氮)的同时，还需提供仪表空气、工厂空气和最大m3／h(标态）的液氩产品。［2］

2.1.3现代大型空分装置的应用领域

钢铁行业：据报导，目前炼铁、炼钢、轧钢的综合氧耗已达~m3/t，氮耗80~m3/t，氩耗3~4m3/t；［3］合成氨：60万t/a合成氨年耗氮气49.4万t/a，另需配置m3／h空分装置氧耗；煤化工：万t/a煤制甲醇，需配置m3／h空分装置氧耗；60万t/a甲醇制烯烃，需配置m3／h空分装置氧耗；20亿m3/a煤制天然气，需配置m3／h空分装置氧耗；万t/a煤炭气化合成油，需配置m3／h空分装置氧耗；［2］燃煤电厂：纯氧燃烧只需配备一套空分设备，30万Kw的发电能力需配置的气体分离设备的制氧能力约为6万m3/h，还能得到大量的纯氮气和氩气；又增加了空气燃烧约占能耗的30%以上热量损失；如果这两部分能够补平的话，那么二氧化碳捕集不需要试剂，不需要设备，又能循环利用就全部是经济效益了。［4］玻璃工业：目前，全世界已有多座全氧燃烧熔窑，主要应用在玻璃纤维熔窑，显像管玻璃熔窑及日用玻璃熔窑。

2.1.4现代大型空分装置的供给情况

年空分企业全行业出现了快速增长，年全行业累计生产空分设备约套，年全行业累计生产空分设备约套。其中大型、特大型空分设备是冶金、石化及煤化工项目不可缺失的组成部分。目前我国空分设备保有量高达万m3/h，平均每年新增万m3/h。［5］

国产空分设备的氧气、氮气产品纯度以及氧气、氩气提取率等项工艺指标均达到国际同行的水平，但在能耗方面仍存在差距，以杭氧m3/h空分装置为例，其制造1m3O2的电耗为0.38kW.h，而国际先进技术能耗水平为0.28～0.30kW.h，国产设备的优势在于成本相对较低，且拥有自主知识产权，有效地突破了国外的技术垄断与封锁，具有一定的市场竞争力。

2.2氮气的拓扑应用

氮气在自然界分布很广，占空气体积的78%。氮气的应用是以氮肥工业需要发展起来的，截止年底我国合成氨产能达万t/a，将年消耗氮气.59万t/a。氮气在合成氨工业中的应用集中而且量大，是第一用氮大户。

2.2.1氮气的拓扑应用

由于它的化学性质不活泼，表现很大的惰性，因此在化工、冶金、电子国防等工业得到广泛的应用：氮气在化工方面主要用作保护气、置换气和洗涤气，以保障安全生产；在冶金工业中，用作转炉与高炉炉顶密封气，高炉炼铁粉煤喷吹气，转炉顶底复合吹炼供氮等；在电子工业中，高纯氮是电子工业、半导体工业必需的气体，主要作为保护气、运载气使用；在国防工业中，飞机和航天飞机在起飞前及停车后，用氮吹清发动机的燃烧室，以消除爆炸的可能性；在食品中充氮包装、充氮气调法贮存水果蔬菜，防止食品变质，延长存放时间方面也得到了广泛应用。

氮气在以上行业的应用以钢铁、化工、冶金行业中应用集中、量大；而在其它行业应用分散而且量小。

2.2.2氮气在石油行业的拓扑应用

20世纪80年代初，膜分离技术得到发展并商业化，氮气膜分离设备90年代中后期在油田开发领域得到推广使用，现有多套氮膜系统在各国运行，多套用于石油化工行业；随着氮气在各行各业广泛使用，又诞生了膜分离制氮机、变压吸附（PSA）制氮机和深冷空分制氮设备。膜分离制氮机：它特别适宜于氮气纯度≤98%的中、小型氮气用户，有最佳功能价格比。变压吸附（PSA）制氮机：流量：5-Nm3/h；纯度：95%-99.%；露点：≤-40℃；压力：≤0.8Mpa可调；故在Nm3/h以下制氮设备中颇具竞争力，PSA制氮已成为中、小型氮气用户的首选。深冷空分制氮设备：与大型空分装置流程相近，适用于大陆石油及天然气开采、沿海及深海石油及天然气开采中的氮气应用。

膜分离制氮机、变压吸附（PSA）制氮机和深冷空分制氮设备大多数只注重制氮，富氧空气排空，造成了严重的资源浪费，只有大型深冷空分制氮设备综合制取氧气、氮气、氩气。目前国内变压吸附（PSA）制氮机厂家大概多家，但是技术水平和质量相差很大。目前这个行业比较乱，恶性竞争很激烈，技术门槛比较低。有些企业没有什么技术含量，空压机，冷干过滤，分子筛，阀门都是进口配置，靠劳动成本低廉赚点企业的管理成本。大型深冷空分制氮设备以大型空分装置企业为主。

2.2.3氮气在石油行业的应用数量

由于氮气在石油行业的应用多数以变压吸附（PSA）制氮机为主，具体制氮机数量和氮气消耗量很难找到详细数据，不过成为第二用氮大户是不成问题的。

2.2.4氮气在石油行业的应用范围

氮气在油田系统中的应用非常广泛：可用于二、三次采油；低密度泡沫流体洗井、冲砂、修井、压井作业；低密度泡沫流体射孔、油层解堵作业；低密度泡沫流体酸化（泡沫酸）及排酸作业；低密度泡沫流体防砂作业及砾石充填作业；低密度泡沫流体调剖、堵水、稠油热采作业；氮气泡沫增产、驱油、负压钻井；低密度水泥浆固井作业；氮气泡沫压裂等。［6］

2.3氮气的潜在拓扑应用

科研工作者对从N3到N13各种全氮衍生物进行了大量的理论预测，但真正制取成功相关化合物的成果少之又少。［7］“氮”科学，特别是在合成氨领域，经过整整年的时空穿梭，“氮科学”战略产业也将超过“碳科学”战略产业，成为地球上最庞大的产业集群。

2.3.1氮化物、全氮类超高含能材料

氮化物是氮与电负性比它小的元素形成的二元化合物。由过渡元素和氮直接化合生成的氮化物又称金属型氮化物。它们属于“间充化合物”，因氮原子占据着金属晶格中的间隙位置而得名。这种化合物在外观、硬度和导电性方面似金属，一般都是硬度大、熔点高、化学性质稳定，并有导电性。钛、钒、锆、钽等的氮化物坚硬难熔，具有耐化学腐蚀、耐高温等特点。例如，TiN熔点为～℃，是热和电的良导体，低温下有超导性，是制造喷气发动机的材料。ZrN在低温有超导性，现用作反应堆材料。

据南理工网站报道，此次合成的化合物含有全氮阴离子（N5-)。据相关论文，全氮类超高含能材料（炸药）的能量可达3倍TNT以上，具备高密度、高能量、爆轰产物清洁无污染（爆炸产物为氮气）、稳定安全等特点。全氮类物质的相关研究将直接推动超高含能材料的快速进步，相关材料的研制成功有望在炸药、发射药和推进剂领域产生惊人的发展。

2.3.2聚合氮、金属氮

新型超高能含能材料是国家核心军事能力和军事技术制高点的重要标志。而氮类物质具有高密度、超高能量及爆轰产物清洁无污染等优点，成为新一代超高能含能材料的典型代表。年初，前南理工胡炳成团队合成了能量密度为TNT的3倍的全氮阴离子盐。冈察洛夫团队的研究方向则指向了极端高温高压条件下形成的聚合氮和“金属氮”。［8］

这两种形态的氮材料都是典型的超高含能材料，是目前常用炸药TNT能量密度的十倍以上，如果能作为燃料应用于载人火箭一、二级推进器，有望将目前火箭起飞重量提升数倍以上。

2.3.3高能气体压裂、液氮公交客车

利用液氮的气化后体积膨胀倍的高膨胀性，将液氮用于油气井的高能气体压裂，现在氮气泡沫压裂已有应用，应积极研究纯液氮携砂压裂，即液氮直接携砂注入井内，根据地层压力计算好液氮注入量，然后封闭井口，以液氮气化后的压力进行压裂。

液氮公交客车，立足于自主创新，由中冶南方公司与潍柴动力集团提供整车动力总成，将极大地改变国内外新能源汽车现存技术相对落后的困境，成为南方地区城市居民低碳出行的公交客车之首选，将构成低碳城乡可持续交通不可或缺的组成部分，在“武汉都市圈”内具有二万台的推广前景，而且具有低碳出行的旅游价值。［9］

2.3.4液氮在储能方面的应用

大型燃煤火电厂的设备有一个最佳效率工作点，但用电量是波动的，导致发电机组很长时间不能在最佳工作点工作，造成浪费。液氮具有可储存性，和电厂配合，将发电机组在最佳工作点生产多余的电力转换为液氮储存起来。

氮气的临界温度为-℃，临界压力为3.4MPa,利用氮气的临界状态的体积膨胀率储能。即保持液氮气体储箱压力恒定在3.4MPa不变,在液氮液体储箱内调节温度在-℃---℃之间变化，将液氮的气液转化的势能转化为电能。

2.4稀有气体的拓扑应用

2.4.1氩气的拓扑应用

工业氩气的下游行业主要是不锈钢、光伏、工业焊接、半导体等。据统计，全国液氩产品中专业气体供应商和企业空分设备产量各占一半。年氩气的下游行业中，光伏和不锈钢行业占比最大，分别为20%和50%。

优化工艺技术，提高制氧机组液氩产能。

2.4.2氪气、氙气的提取

增加粗氪塔精馏，提取氪气、氙气。

2.4.3废液体不排放，循环利用提取氖气、氦气

深冷制氮的工艺流程说明中：“液体排放：从冷箱排出的所有低温液体汇集后送至喷射蒸发器，与蒸汽混合蒸发后排入大气。”废液体不排放，循环利用，待循环利用一定时间后，氖气、氦气浓度得到提高后提取氖气、氦气。

3.空分应用的革命方向

3.1空分应用的革命现状

目前国内化工园区的工业气体生产和供应主要采取分散生产“自给自足”、集中生产“充分依托”和一体化生产“社会化供应”三种主要模式。［10］

分散生产“自给自足”是指园区内一边建设使用工业气体的工艺装置，同时自己配套建设工业气体生产装置，由同一个业主投资、建设、操作和管理工业气体装置，形成“小而全”的建设模式，其特点是“独立性”强，但经济效益差，不能形成规模优势。

集中生产“充分依托”主要应用在工业气体中的氮气和氧气生产，以园区内一个或少数大量使用氮气、氧气的工艺装置为主集中建设配套工业气体生产装置，其它小用量装置依托这些大装置提供工业气体。这种模式避免了“小而全”的弊病，在一定程度上减少了重复建设对土地、人员等资源的浪费，在提高生产规模同时相应提高了水、电、燃料的利用效率。但这种“集中”一般还是限制在同一企业，未能实现整个园区范围内的一体化。

一体化生产“社会化供应”是由专业的第三方投资建设并生产运营全园区的工业气体生产和供应设施，与用户采用长期供销合同的方式，实现集中生产园区内所有企业需要的全部或大部分种类的工业气体，同时回收园区内不同企业在生产过程中副产的工业气体。这种模式减少了重复建设，并且容易形成规模优势，使用户可以集中资金、人力和管理资源用于主业。

3.2空分应用的革命方向

应向着立体化“社会化供应，循环利用”的模式发展。即以内蒙古自治区的呼、包、鄂、准四地为例，四地为一边长Km左右四边形，工业相对发达，工业用液氧、液氮、液氩相对比较多，在四边形的中间位置建一个特大型的空分厂家，然后以液体管廊的形式将液氧、液氮、液氩分别输入四地的中心主站液体储库。由中心主站统一气化以地面输气管道形式输往各个用户，纯氮气、纯氩气体送达用户尽可能地循环利用；纯氧以地面输气管道形式输往具有一定燃烧规模的企业用于纯氧燃烧，［11］并以地面输气管道形式回收纯氧燃烧企业的二氧化碳；由各地中心主站统一提纯二氧化碳，并且统一循环利用。由各地中心主站配合液体储罐和气体钢瓶的形式最大化地利用氮气、氧气和氩气。

4.产业的科学布局

4.1科学布局的决策层次

科学布局的决策层次应该上升到国家领导人的层次，科学论证，统一规划，精心设计，积极引导。做到纯氧燃烧和二氧化碳捕集及二氧化碳循环利用直接关联，早日实现氢能时代的高效碳循环。

尤其是我国能源以煤炭为主的特点，积极开展煤炭纯氧燃烧，二氧化碳集中捕集，二氧化碳循环利用具有重要意义。

4.2科学布局的管理方式

以各级政府主管部门监督管理，以外包为主，自供为辅；减少公共工程的建设，降低液氮、液氧、液氩的制备成本；政府参与外包商的定价机制，提高用户的经济效益；监督管理纯氧燃烧和二氧化碳捕集及二氧化碳循环利用。

参考文献

［1］李道云．许强．全氧燃烧技术在中国浮法玻璃工业上的应用．中国玻璃．年．第3期．43-45．

［2］李晓黎．亢万忠．大型空分装置在煤化工中的应用与发展．化肥工业．年10月．第38卷第5期．8-15．

［3］蒋旭．空分装置钢铁行业的应用与研究．《气体分离》．年02期．

［4］聂国印．聂旭春．纯氧燃烧与二氧化碳捕集的革命．百度文库．年12月16日．

［5］气体分离．空分设备行业处于需求旺盛期，产销快速增长．搜狐网．年8月10日．

［6］沈光林．氮气在油田生产中的应用．特种油气藏．5年8月．第12卷第4期．-．

［7］网易手机．中国首次突破氮离子盐系将造出科幻“N2爆弹”．-01-28．来源:cnbeta网站．

［8］中国成功合成金属氮：N2爆弹能量密度为TNT10倍多．-07-09．中华网军事．

［9］元广杰．蒋彦龙．苏石川．俞小莉．陈国邦．液氮汽车的可行性分析．低温工程．2年第2期．54-61．

［10］王诗庆．我国化工园区工业气体生产和供应的发展．行业发展篇．中国石化工程建设公司工厂系统室．42-45．

［11］聂国印．聂旭春．空分技术成熟助推燃烧革命．百度文库．年8月19日．