4 工艺系统

4.0.1 氧气、氮气、氩气的区域性供应是一种“专业化生产，社会化供应”的供气方式，是发达国家普遍采用的气体供应方式。它具有节约能源、安全、占地面积少、设备利用率高、单位投资成本低等优点。我国区域性供应起步于20世纪90年代，目前仍在不断发展过程中。在选择管道输送、钢瓶输送或液体槽车输送方式时，应综合比较分析以下各项因素：设备投资与基建费用，以建设费用最小为好；气体生产成本，包括设备折旧、人员工资、单位能耗成本等；能耗，包括气体制造与输送过程中的能源消耗；运输及其他费用。综合分析比较后，应该选用能量消耗较少，生产成本和运输成本两者之和中最小者为最优供气方式，同时考虑道路运输条件及管道敷设可能等因素。我国自改革开放以来，尤其是近十多年来，随着经济发展、交通运输条件的大大改进和企业管理理念的转变，现今我国“长三角”、“珠三角”、“环渤海”地区和中部、西部的一些中心城市已经或正在开始采用区域性氧气、氮气集中供应方式，据调查研究表明，区域性氧气、氮气集中供应通常有下面几种方式：
    (1)现场制气装置(厂)供气，它是由气体供应公司在较大型的用气企业或邻近处建设制氧站(厂)，以管道输送向用户企业供气和向所在地区以液态气体或钢瓶气供气。这种方式在钢铁、石化、电子等企业已有较多的采用，社会经济效益显著，受到使用企业欢迎、赞誉。
    (2)管道供气，集中供气中心可以是现场制气装置(厂)，也可能是区域或城市的集中供气厂，将所生产的氧气、氮气通过管道输送至用气企业，这种方式要受到输送距离增加、投资增大的制约，并且用气量较小的企业，若输送距离较大时其经济性较差，一般只适用大、中型用气单位。
    (3)气态钢瓶气或集装格供气，在集中供气中心将气态氧、氮以15MPa压力充入钢瓶或集装格钢瓶内，运至用户降压使用，由于气体加压和钢瓶重量较大，使生产、运输成本增高，只适用于一定运输距离的小型用气单位。
    (4)液态产品输送，在集中供气中心生产的液态氧、氮由槽车运至用户的液态储罐，汽化后供用气车间使用，这种方式适用于运输距离为200km～300km的中、小型气体用户。
    每种供气方式各有优势，实际采用时应根据每个用气单位的所在地区的具体条件、用气品种和规模、能量消耗、经济性等进行技术经济比较后选择经济合理和能量消耗低的供气方式。为此作了本条规定。
4.0.2 随着科学技术的发展，现今低温法的空气分离系统、设备已日趋完美，大、中、小型低温法空气分离设备都实现了全低压流程。单位氧气制取的电耗，大型空气分离设备已达到0.38kW·h/m³～0.40kW·h/m³，小型空气分离设备为0.6kW·h/m³～0.7kW·h/m³；氧提取率达到99％以上，氩提取率可达80％～90％。目前国际上在建的最大低温法空气分离设备的氧气产量已达4000t/d或116000m³/h。我国低温法空气分离设备的生产技术水平与国外的差距正在逐渐缩小，国产60000m³/h制氧能力的空气分离设备已投入运行。
    常温变压吸附制取氧、氮是利用分子筛对氧、氮的选择吸附能力和吸附容量随压力变化而变化的特性，实现对空气中氧、氮组分的分离。自20世纪70年代美国联碳公司和德国AG公司先后开发研制成功变压吸附制氧、氮设备，在提高分离效率，降低能耗，研制新型分子筛，完善工艺流程和研制长寿命程控切换阀等方面均取得很大进展。我国变压吸附制氧、氮设备已经取得很大发展，已可生产制氧能力达40000m³/h的制氧装置，研制成功的真空变压吸附制氧装置的单位氧气电能消耗也可达到不超过0.4kW·h/m³。由于空气分离方法不同、规模不同、制取产品气纯度不同、工艺流程不同，其能源消耗量也是不同的，建设投资、运行费用也会有差异，因此在进行氧气站工艺系统、工艺设备选择时，应认真进行综合分析比较后优选能量消耗少的空气分离系统和配置节能型设备。
4.0.3 由于本次修订将适用范围从低温法空气分离拓宽到低温法和常温法空气分离，规模由氧气产量300m³/h以下扩大到任意规模，因此氧气站的工艺系统有了更多的选择，可以是低温法或常温法，常温法中有变压吸附和膜分离，低温法中有内压缩流程和外压缩流程等。每种工艺和流程的产品品种、产量、纯度和能耗不同，且各自具有不同的特点和适用于不同的用户。本条列出了在选用氧气站工艺系统时应考虑的六个方面的主要因素，这些因素是相互关联不可分割的，如当用户用氧规模大于10000m³/h，产品品种多，氧气纯度大于95％或同时需要液体产品时，应选用低温法空气分离工艺；当仅需要氧气或氮气单一产品，且氧气纯度小于95％或规模较小时，可选用常温变压吸附工艺；当用氧压力大于4MPa又需要液体产品多时，可选用低温法的内压缩流程；当用氧压力小于3MPa，而电价较高时，可采用低温法的外压缩流程；等等。总之，应根据具体项目的要求，具体条件进行技术经济比较后，选用合适的氧气站的工艺系统。
4.0.4 本条对低温法空气分离系统的设备配置及其技术要求作出了规定。
    (1)低温法空气分离设备是将空气液化后利用各组分的沸点差进行精馏分离的，因此原料空气必须加压以提供液化分离所需的功能，所以本条第1款、第2款对原料空气压缩机及其空气过滤器的要求进行了规定。据了解，全低压流程空压机的出口压力大多为0.55MPa～0.8MPa；用于煤气化联合循环的空气分离设备，当要利用燃气轮机的多余空气时，有时将原料空气压缩机的出口压力提高到1.0MPa，同时也提高了产品出冷箱的压力，所以本规范规定“原料空气压力不宜大于1.0MPa”。对于离心式压缩机，为确保高速叶片的正常运行，要求严格控制过滤精度，目前大多采用自洁式空气过滤器，它与布袋式过滤器相比，具有过滤效率高，维护方便，可保证压缩机连续运转三年以上的优点。
    (2)预冷装置是利用污氮的冷量冷却加压后的原料空气，冷却降温后的空气饱和水含量下降，同时提高了分子筛和活性氧化铝对水分和二氧化碳的吸附容量，两者都导致分子筛和活性氧化铝数量减少，并降低了再生能耗。但是当原料空压机设有后冷却器或分子筛吸附器再生采用变压吸附工艺时，为节省投资和减少带水危险，也可以不设预冷系统，国内外都有此类工程实例。
    (3)分子筛吸附器可以是单层床或双层床，单层床仅设13X分子筛，双层床是分子筛加活性氧化铝。13X分子筛可以同时吸附水分、二氧化碳和大部分碳氢化合物，活性氧化铝可以吸附水分，将它设在分子筛前可以减少13X数量和再生温度。根据国内外厂商技术资料和工程实例，原料空气经纯化器纯化后，二氧化碳含量小于或等于1.0×10-6，水分含量为露点—70℃，由于13X的吸附顺序是先水分后二氧化碳，故通常只测量出口空气的二氧化碳含量，只要二氧化碳含量小于1.0×10-6，露点均可小于—70℃。
    1997年5月和12月，曾先后发生了设有膜式主冷凝蒸发器的空气分离设备的爆炸事故，经过各国空气分离公司专家的调研分析达成共识：爆炸事故是由于原料空气中的氧化亚氮引起。氧化亚氮沸点高、挥发度低、溶解度小，与水分、二氧化氮一样属于易堵塞组分，一旦在主冷凝蒸发器中由于某种原因使氧化亚氮以固体状态析出后，极易形成“干蒸发”或“死端沸腾”，而造成碳氢化合物的聚集，从而引发安全问题。这种风险在膜式主冷凝蒸发器中尤为突出。根据有关资料介绍，13X分子筛对氧化亚氮的脱除率可达85％～90％，如需进一步清除，应在13X分子筛上部增设专用分子筛，因此本条规定氧化亚氮脱除率宜高于80％。
    (4)采用分子筛常温净化的低温法空气分离设备中，通常不设液氧或液空吸附器，但当采用了膜式主冷凝蒸发器，或环境条件不好，或主冷液氧流动性差时，需设置液氧或液空吸附器，以防止碳氢化合物聚集。
4.0.5 内压缩流程设置空气增压机或循环氮压机是为了在主换热器中蒸发经液氧泵加压的液氧，由于氮气比空气冷凝温度低，汽 化潜热小，故循环氮压机的流量和压力要高于空气增压机的流量和压力，其吸入压力也低于空气增压机，使其能耗高于空气增压机10％以上。故循环氮压机仅适用于有高压氮用户的场合，这样可以共用一台氮压机。循环氮气不参与精馏，只用于吸收和传递冷量，这种流程多用于化工企业。为了简化工艺流程，对于压力较低的内压缩流程，也有采用提高原料空气压力的方式，所以本条规定“宜设置空气增压机或循环氮气压缩机”。
4.0.6 大、中型空气分离设备应根据用户需求，决定是否提取氩气。粗氩脱氧有两种方法：一是先在粗氩塔脱氧至2％～3％，然后常温加氢脱氧至1×10-6～2×10-6；二是采用规整填料塔，在粗氩塔内一次脱氧至1×10-6～2×10-6，即全精馏制氩。后者工 艺简单安全，但粗氩塔高度增加，在有氢源的情况下，投资可能高于加氢脱氮，随着填料价格的下降，两种方法的价格差在缩小，本规范从操作维护与安全考虑，作了宜采用全精馏制氩方法制取氩气的规定。
4.0.7 本条制订了大型低温法空气分离设备稀有气体的提取装 置的设置原则。
    1 根据用户需求设置，因为氖、氦、氪、氙稀有气体主要用于 电光源、激光、空间技术、电子工业、核反应堆、低温工程、医疗等方面，这是随着尖端科学的发展而发展的。
    2 稀有气体应集中提取，因为在空气中稀有气体的数量是极其微小的，氖、氦、氪、氙在空气中的含量分别为18.2×10-6、5.24×10-6、1.4×10-6、0.086×10-6。
    一台氧产量为60000m³/h的低温法空气分离设备在70％～86％提取率的情况下，其稀有气体的产量仅为：氖3.67m³/h、氦1.04m³/h、氪0.0283m³/h、氙0.022m³/h。因此，只有在大型空气分离设备上提取稀有气体才是经济的，而且最好是几台大型空气分离设备的稀有气体粗制气集中起来进行提纯精制才更能体现其规模效应。
    3 每种稀有气体有其不同的用途，同一种气体又分纯与高纯不同等级，各个等级的纯度和杂质含量不同，在确定品种和等级时要根据其用途和生产工艺等具体条件经技术经济比较确定。
4.0.8 本条根据氧气站生产的稳定、安全运行的要求，对离心式空气压缩机规定了主要保护措施。
    1 防喘振保护系统。喘振是离心式压缩机最危险、最容易发生的操作事故，它伴随着尖叫和气流在出口处来回振荡而产生强烈振动，引起机器损坏。喘振发生在低流量、高压力的工况，要使压缩机避免喘振，应测量出其喘振线，并确保压缩机在喘振线以下运行，即防喘振保护系统。
    2 离心式空气压缩机较好的能力调节范围是70％～105％，当空气分离设备气体产量减少至70％以下时，必须启动安全放散系统，否则压力升高将会使压缩机运行进入喘振区，引发事故的发生，因此离心式空气压缩机应设有安全放散系统。
    3 离心式压缩机是高速运转机械，为了不在油压、油温、动平衡和轴向力等超标时轴承参数发生异常，降低使用寿命，损坏机器，为此应设置轴承温度、轴振动和轴位移测量、报警和停车系统。
    4 离心式空气压缩机入口可调导叶是目前唯一可在效率不变情况下改变流量的方法，其调节范围是70％～105％，由于原料空气压缩机的能耗占制氧能耗的98％以上，设置入口导叶能力可调系统，可在空气分离设备减少气体产量时保持单位制氧电耗不变。所以本规范规定离心式空压机应设置入口导叶可调系统。
    鉴于本条的规定涉及氧气站的核心设备的安全稳定运行和实现节能的主要保护措施，所以本条为强制性条文。
4.0.9 本条是对常温变压吸附空气分离系统的设置作出的有关规定。
    (1)实践表明，常温变压吸附空气分离系统只适用于单一产品(氧或氮)的制取，这是由它的制取工艺决定的，由于氩与氧的分离系数相近，只依赖变压吸附难以分离，最高氧纯度为95.5％，其余为氩，一般氧纯度为93％以下，氮气纯度一般为99％以下。制取 99％～99.99％纯度的氮气，其能耗较大。若需99.99％以上的纯度时，需设纯化装置才能达到。
    (2)常温变压吸附空气分离设备中吸附剂的再生解吸是实现空气分离和获得合格产品气体的关键阶段，目前我国的制造厂家生产的常温变压吸附空气分离装置中吸附剂的再生解吸都采用常压解吸或真空解吸。
4.0.10 常温空气膜法分离是20世纪80年代兴起的新技术，它是利用氧和氮在中空纤维中的不同渗透率实现氧与氮的分离。氮的渗透率大于氧，作为透过气(产品气)从敞开端流出，氧气作为尾气从封闭端排出，产品氮纯度为90％～99％，氧纯度为30％～45％。膜分离的优点是工艺与结构简单、体积小、产气速度比较快(约需3分钟)、操作与维护方便。
4.0.11 低温法空气分离设备的产品加压方法有产品气体压缩机加压(外压缩流程)和在冷箱内采用液体泵加压(内压缩流程)两种，内压缩流程和外压缩流程都属于成熟的工艺，各有优缺点，应根据不同用户的不同需求进行比较选择。
    通常内压缩流程适合用氧压力大于4MPa，且有多种用氮压力的化工企业，或液体产品要求较多的用户。外压缩流程适合用氧压力小于或等于4MPa、液体产品需求不大的钢铁企业。随着内压缩流程工艺的不断改进，它的用户还在扩大中。
4.0.12 离心式压缩机和活塞式压缩机适用的压力和流量范围不同，离心式压缩机适用于大流量、低压力，活塞式压缩机适用于小流量、高压力。氧、氮产品气压缩机根据流量和压力的不同要求，可选择离心式压缩机或活塞式压缩机，由于离心式压缩机的体积小、重量轻、运动部件少、运行稳定、可不设备用，所以本条规定单台压缩机排气能力大于6000m³/h时，宜采用离心式压缩机。
4.0.13 氧气忌油，气缸应采用无油润滑，同时还应防止十字头的润滑油通过活塞杆带入气缸，无油润滑还能保持氧气的干燥和不受污染，所以本条规定采用气缸无油润滑活塞式氧气压缩机。
    当气缸采用水润滑时，为确保软水的不间断供应，以免断水后排气温度升高而引发事故，所以本条规定：应设置软水供给系统，并应设置断水报警、停车装置。
4.0.14 活塞式氧气和氮气压缩机机前缓冲罐的作用是为了解决压缩机间断吸气引起的压力波动，解决空气分离设备产量变化时压缩机能力调节上的滞后。缓冲罐的容积取决于活塞式压缩机一级缸容积和压缩机的能力调节范围。
    活塞式氧气和氮气压缩机机后气体压力贮罐用于解决压缩机输出量和用户气体用量之间的不平衡，它的容积按产气量和用户用量曲线确定，所以本条规定应根据用户气体用量变化情况确定。
4.0.16 本条规定设置的氮气或干燥空气试车系统是为了防止检修时因装配不当和有异物或油进入，一旦直接用氧气试车而引发着火事故。
    氮气轴封系统是为了防止在轴封处氧气泄漏或润滑油进入而引发着火事故。自动快速充氮灭火系统是用于一旦有着火迹象如排气温度升高时，快速充入氮气，以达到灭火的目的。
    本条规定涉及离心式氧气压缩机的安全稳定运行和防止着火事故的发生，以及即时扑灭可能发生的氧气着火事故，故本条为强制性条文。
4.0.17 氧气站的噪声源主要是由气体动力噪声、机械噪声和电动机噪声构成。气体动力噪声来源于各种类型的气体压缩机和各种形式的压缩气体放散管，其中活塞式压缩机的气缸周期性吸气、排气使管道中气体发生压力波动、气柱振动产生噪声，因其转数低，其噪声频谱呈低频特性；离心式压缩机是由气体涡流和摩擦产生噪声，其噪声频谱呈中、高频特性。压缩气体从压缩机或压力管 道放空时，由于气体压力骤减，以很高的速度排入大气，将在放散管口产生强烈的涡流噪声，其频率和声压级都较高，可达110dB(A)～130dB(A)。在氧气站内压缩气体放散管噪声声压级较高，且放散频度较多的是低温法空气分离设备的纯化器及常温空气分离设备的吸附器的放散管，所以本条规定均应设置消声器。
4.0.19 水浴式汽化器是用蒸汽加热水，用热水加热汽化低温液体。采用水温调节装置保持热水温度恒定，从而使出口气体温度恒定。为了防止调节失灵时出口气体温度过低造成碳钢管道结霜甚至冻坏，设计上应设有出口气体温度过低报警，这一温度通常设定为15℃。
4.0.20 氧气站产品气体储存系统有压力气体贮罐贮存与低温液体贮罐贮存。压力气体贮罐贮存依靠贮存压力和最低释放压力之差贮存气体，其贮量有限，一般是10倍～20倍贮罐水容积；低温 液体贮存由于液态气体汽化后体积较大，因而贮存量较大，低温液体贮存的单位贮存量投资低于压力气体贮罐；但生产低温液体产品的能耗较高。因此选择时应根据下列因素进行综合比较后确定：
    (1)由于常温法空气分离设备不生产液体产品，小型低温法空气分离设备由于产量小，通常也不提取液体产品。所以低温液体贮存只适用于大、中型低温法空气分离系统。
    (2)大、中型低温法空气分离设备可以同时生产氧气、氮气、氩气，也能同时提取液氧、液氮、液氩产品，也可以生产或提取其中的1种或2种产品，一般应根据市场需求和建设单位自身的需求，确定空气分离产品的品种和气态产品或液态产品的贮存量。
    (3)贮气量应根据空气分离设备产气量和用户用气量之间的不平衡曲线计算确定。经计算的贮存量不大时，可用压力气体贮罐解决，贮存量较大时宜设低温液体贮罐。
    若氧气站要考虑空气分离设备检修时的气体供应，由于贮气量较大，一般应设低温液体贮罐。
4.0.21 本条第3款规定“充装台前的气体管道上应设有紧急切断阀、安全阀、放空阀”是为了当充装钢瓶发生超压甚至着火事故时，可以立即切断充灌气源，以防事故扩大。
4.0.22 据了解，目前实际运行的一些中小型氧气站中为满足用户对空气分离产品气体各种压力的需要或空气分离设备检修时的不间断供气，在有的站房中将气体充装台或充装钢瓶集装格既作为充灌台，也作为气体汇流排输送气体使用，但为了满足用户对气体流量和供气压力的要求，应增设压力调节装置等。
4.0.23 本条第1款和第2款为强制性条款，规定了为确保气体充装台安全稳定运行和避免气体灌装间内排放气体的积聚引发着火和人员窒息事故应配置的设施、附件和管道，其中第1款的超压泄放用安全阀是确保避免充装过压的安全措施；第2款规定气体充装台应设有吹扫放空阀，通常是利用装置上某个充灌阀门配置放空连接管道将吹扫气体排至室外，防止充装过程排放时室内积聚氧气或其他窒息性气体，引起事故的发生。
4.0.24 规定本条的目的是防止氧气、氮气随冷凝水的排放在室内积聚或经排水沟窜入其他房间引发着火或人员窒息事故。
4.0.25 据调查，目前我国的各类医院集中供氧时，大多采用三种方式，一是氧气由钢瓶经汇流排，减压后供应；二是外购液氧，从液氧贮罐经汽化器汽化、稳压后供应；三是设置常温变压吸附制氧装置，生产医用氧气供应。医用氧气品质在现行国家标准《医用及航空呼吸用氧》GB 8982中作了规定。目前我国一些医疗单位已应用常温变压吸附制氧设备多年，积累了使用经验，并在一些制造工厂有定型产品出售，所以本规范规定了采用常温法变压吸附制氧装置制取医用氧气时，应该符合现行行业标准《医用分子筛制氧设备通用技术规范》YY/T 0298的有关规定。
    由于氧气是典型的氧化性气体，具有激烈的氧化助燃作用，为防止使用氧气的建筑(房间)一旦出现火情时，可能扩大人身、财产损失，所以本条第3款规定在氧气供应总管上应设可遥控的紧急切断阀，以便在使用氧气的建筑内一旦出现火情后，可根据要求即时切断建筑物内的氧气输入。