氧气站设计(air   separation   plant  design)

以空气为原料，用深冷分离方法生产氧、氮或同时生产空气中其他组分产品的工厂或车间的设计。氧气站生产的氧、氮等产品供冶金工厂炼钢、炼铁、轧钢等用户使用。氧气站内通常包括氧、氮的生产，加压及贮存输配。根据需要还可设置氩气及氖、氦、氪、氙气的生产及精制设施(见氨气生产及精制设施设计及氖、氦、氟、氖气生产及精制设施设计)。其设计内容主要包括：空分工艺流程、设计规模、设备选用、站区布置及车间组成、工艺及设备布置和氧气管道。

简史  1902年由德国林德公司设计制成第一台小型单级精馏的空分设备(俗称制氧机)。随着技术的进步，促进了制氧机的发展，各国空分设备厂商不断改进制氧流程和进行设备大型化，逐步使制氧的电耗从2kw.h/m³降到0.5kw.h/m³以下，为冶金工艺大量用氧创造了条件。中国的空分设备制造工业是从1951年开始，1953年制造了小型制氧机，1958年首次制成大中型空分设备，20世纪中叶以来特别是1980年以后，中国的空分设备行业有了巨大发展。氧气在冶金工厂的应用，早期只是用于金属的焊接与切割，20世纪40年代欧美一些钢铁生产厂开始在高炉采用富氧鼓风以及平炉、电炉加氧冶炼，1952年奥地利林茨(Iinz)钢厂氧气顶吹转炉炼钢方法取得成功并在世界各国迅速发展，使氧气在钢铁工厂的用量激增到一个新的阶段，1989年奥钢联(VAD在南非伊斯科(ISCOR)公司熔融还原炼铁(Corex法)投入生产，钢铁厂的氧气用量又进一步增加。1958年中国在首钢建成第一个供氧气转炉用的大中型氧气站。在氧气生产的同时得到的纯氮，在钢铁厂已被广泛用作转炉炉口及高炉炉顶密封用气。也用作钢材热处理炉保护气体。

空分工艺流程  原料空气经过滤、加压及冷却(有的流程还再经净化)后进入空分塔(包括有热交换、净化及精馏等设备的总成，也称冷箱)。空气通过其中的热交换器被返流的冷产品气体冷却到液化温度进入精954馏塔，利用空气中各组分沸点的差别在塔内进行精馏分离，得到的气态产品氧、氮，经热交换器复热至环境空气温度后送出，液态产品氧、氮，直接从精馏塔取出。

氧气的输配系统，通常采用如下五种：(1)氧气出冷箱压力约为5～20kPa，对于低压用户可以直接用管道输送，例如往高炉鼓风机吸入侧加氧供富氧鼓风的系统。(2)供炼钢、连铸及切焊用氧，需通过氧气压缩机加压并将压力调定在1.0～1.5MPa经管道送出，管系中设置一定容积的储气罐用以调剂负荷波动。(3)对零星用气点及无法用管道供气的用户，用高压氧压机将氧气加压到15MPa，在充填台装入钢瓶外供。(4)为了避免在氧气生产中发生故障或在设备检修时影响重要用户的供氧，将精馏塔流出的液氧导入低温液体储槽积存，需要时，启动液氧泵将液氧加压到与氧气压缩机排压相同的压力，再经汽化器汽化后送入氧气管网。(5)从液体储槽给用户供应液氧。

氮气出冷箱压力约5kPa，需要加压输配，对管道用户，一般由氮气压缩机加压并经调压装置调定为0.7～1.1MPa送出，为调剂负荷的波动，也需要在管系中设置储气罐。零星用户，则以瓶装高压氮气供应。当氮气有重要用途时，还需设置液氮的储存、加压和汽化设施作为后备气源。也可以从液体储槽向用户供应液氮。

氧、氮生产及输配过程，见图。

设计规模  在确定氧气站设计规模前要编制出全厂氧气平衡表，根据冶金工厂主要用户的需求来确定氧气站生产规模。钢铁厂内的氧气主要用户为炼钢，特别是氧气顶吹转炉炼钢，随着高炉富氧鼓风的应用，炼铁厂亦逐渐成为氧气的重要用户。氧气平衡表主要内容包括各用户名称及氧气用途，用户车间的年产量和车间年作业率，单位产品耗氧量和小时平均用氧量等。全厂用户小时平均用氧量的合计值并考虑约5％的耗损后的总量，即为确定氧气生产规模的依据。用户小时平均的用氧量，一般可按下列公式计算：

式中Q为小时平均用量，m³/h；y为用户车间年作业率，％；W为用户车间产品年产量，t／a；U为单位产品用氧量，如在钢铁厂、氧气顶吹转炉吨钢用氧约为50～60m³；高炉富氧鼓风，当富氧率为3％～4％时，吨铁用氧量约为30～45m³；熔融还原炼铁(Ccrrex法)每吨铁用氧500～650m³；电炉吹氧吨钢用氧量约为20～40m³；连铸吨坯用氧量约为5～15m³。

当工厂需用氮气，其生产规模同样是按各用户小时平均用量之和及约5％的损耗率来确定。

氧氮产品的压送、贮存及输配等设施的规模，需按照用户的具体要求确定。

设备选用   基本要求有如下六条：(1)满足所需产品的种类、产量和纯度等要求，设备的流程要先进合理，电耗指标是制氧机的重要指标，大型空分设备的制氧(不包括氧气加压)电耗约为0.35～0.5kw•h／m³，氧气加压(当终压为2.5～3.OMPa时)电耗约为0.15～0.2kw•h／m³。此外，还要求设备安全可靠，运转寿命长。(2)主要产品产量要接近设计规模，并校正安装地区的气压、气温对制氧机产量的影响，避免长期低负荷运转或大量放空。(3)制氧机原则上不设整套备用机组，但设备台数须考虑设备检修时不影响或少影响重要用户供氧，并适应分期建设的需要，宜选用多台机组并联运行。(4)当一个工厂内兼有高、低两种纯度氧气用户时，设备的选用，须经全面技术经济比较后择优确定。(5)产品气体加压、贮存、输配设施。按用户使用条件选用适当型式与压力的加压机，活塞式的氧压机一般须设置备用机组，备用台数须根据生产台数的多少来确定。储气罐应满足调剂高峰低谷负荷容量和必要的安全储量。对零星分散的小用户和个别高压氧气用点采用高压瓶氧供应，须配置高压氧压机和相应的充瓶设备。(6)供重要工艺用氧气的大、中型空分设备，应能在生产气态氧、氮的同时生产一部分液氧、液氮，并配置一定容量的液体储槽和相应的加压、汽化设备。

站区布置及车间组成氧气站站址应选择在乙炔及其他烃类等有害气体散发源的全年最小频率风向的下风侧，并且空分设备的空气吸入口与这些散发源之氧yang间的距离，须符合有关规范的要求。氧气站一般由下列建(构)筑物及设施组成：(1)空分车间(通常包括空分塔及各种压缩机，单供压缩机用的房间有时亦俗称机器间)。(2)空分产品充瓶车间和瓶库。(3)气体产品储罐和压力调节输配间。(4)液体产品储槽及加压和汽化设施。(5)变配电站。(6)循环水泵房、凉水塔和水处理设施。(7)化验设施。(8)修理间。(9)绝热材料库和润滑油料库等。进行氧气生产、加压、充瓶、贮存输配的建(构)筑物和设施的防火类别须符合国家规范。站区布置时，各建(构)筑物及设施彼此之间及与其它各地点、线路之间的防火间距，须符合有关规范的要求。站区布置要因地制宜，布局合理，道路通畅。站区四周一般设安全防护围墙或围栏。

工艺及设备布置小型空分设备的空分塔和压缩机等一般都集中布置在单层建筑物内。大、中型空分设备的空分塔一般宜露天布置，对特别寒冷地区可采取半封闭布置或其他防寒措施。各种气体压缩机宜集中安装在靠近空分冷箱的机器间内，也可视具体情况将氧压机或氮压机布置在单独的房间内。机器间可根据压缩机结构型式、操作条件等决定采用单层或两层建筑物。机器间内布置设备时要满足操作及检修的要求。氧气站的环保污染源主要是噪声，因此对机器及管道等要采取隔音措施，使之符合有关规范的要求。为了对大中型空分设备进行检测和操作监控，宜设置集中的中心控制室，中心控制室视空分设备仪表的配置水平和是否便于监控操作等条件，可依附在机器问内或单独设置，但必须采取措施防止设备等的噪声和振动对其影响。生产、压缩和贮存氧气或液氧的设备和设施，不应设置在地坑或地下建筑物内。氧气站内的充瓶间宜单独设置，高压压缩机宜布置在充瓶间内。液态产品贮槽、加压及汽化设施的位置宜靠近冷箱。各种气体贮罐宜集中布置在同一区域内，并符合有关规范的要求。

氧气管道设计管径按水力学计算确定，在不同压力下管内气体流速不得超过有关规范的规定。管子、阀门和其它管件与氧气接触的部位应光滑，无锈或不锈，不含油脂和任何可燃物。关键部位采用铜合金或不锈钢制作。管路系统中，要防止局部地方流速急骤变化，并采取防止静电积聚的措施。氧气管道常架空敷设，必须地下敷设时，要采用不通行地沟敷设或直接埋地敷设。氧气管道的布置和与其他管道、电力线路等的间距和有关要求要符合有关规范的规定。

发展趋势在空气深冷分离法中采用分子筛吸附净化原料空气、用规整填料精馏塔代替筛板塔、用直接精馏提取精氩代替用氢气转化氩气中氧再提取精氩的办法，以及空分装置采用计算机控制等技术。随着冶金工厂用氧量的不断增加，制氧设备趋向大型化，单台制氧机的制氧能力扩大到70000m³／h，制氧电耗降低到0.38kw•h／m³以下。除深冷分离法外，变压吸附制氧装置将从小容量阶段发展到工业性、大容量生产。