空气分离是碳质固体原料连续气化或重质烃类部分氧化制合成气必要的生产工段。例如，在粉煤气化制气工艺中，煤粉输送需要氮气，粉煤气化制取原料气需要氧气等。此外，氮气在生产过程中还用于工艺管道及设备的吹扫与置换以及其他安全措施。因此，空气分离技术在合成氨工业中占有重要的位置。
空分系统单元的运行对IGCC电站的稳定运行、输出功率、热效率等均有重要影响。空气分离技术从制氧原理分类，主要分为传统的低温深冷分离技术，变压吸附（分子筛）技术和膜分离技术。后两者工艺简单、成本低等，但受工艺的限制，单套产量低。
7.3.4.1 空分系统工作原理
常见的空分系统有液化精馏法、分子筛吸附法以及膜法等几种。目前工业上成熟使用的空气分离方法为前两种类型。
液化精馏法采用深度冷冻的方法使空气液化，根据空气各组分沸点的不同，在精馏塔内精馏得到氧气、氮气等产品。早在1895年，德国人林德（Linde）就建成了利用焦耳-汤姆孙效应制冷的空气液化装置。不久，法国人克劳德（Claude）按另一种原理（等熵膨胀）建成了使用膨胀机的液化装置。
世界上第一套将空气中氧、氮分离的空气分离装置是由林德根据精馏理论于1902年建成的。此后经历了100多年的不断发展与改进，空气的液化技术与精馏技术得到了极大的提高，现在不但可以获得高纯度的氧气、氮气，而且对空气中所含的氩、氙、氪、氖、氦等稀有气体也均可分离，单套空气分离装置的产氧能力已达每小时100 t以上，特纯气体（例如电子工业用气）的纯度都在99.999 9%以上。液化精馏法分离空气较经济，而且又可以获得高纯度的产品，适用于大规模的空气分离。
分子筛吸附法是让空气通过分子筛（多孔性物质），利用其选择性吸附的特性，允许氧分子或氮分子通过，从而获得氧或氮浓度增高的产品。根据再生工艺的不同，分子筛吸附法又分为变压吸附（PSA）和变温吸附（TSA）。分子筛吸附法工艺流程短，使用的设备较为简单，对操作水平及设备制造与用材都无特殊要求，但这种方法的能耗较高，使用的分子筛价格昂贵，仅适用于小气量的独立用户。相关内容可参阅第4章——空气分离与富氧燃烧技术。
IGCC所用氧气、氮气量较大，纯度要求高，且空分系统单元的运行对IGCC电站的稳定运行、输出功率、热效率等均有重要影响，故大多数用户采用液化精馏法分离空气。
7.3.4.2 低温深冷分离设备
低温深冷分离设备的国内制造企业主要有杭州制氧机集团有限公司、开封空分集团有限公司、四川空分设备集团有限公司以及外资的合作、合资企业。杭氧80 000 m3/h等级空分设备出口的低温高压多级液体泵（适合液氮、液氧介质）各项指标都符合API（美国石油学会）标准。该液体泵设计流量为65 m3/h，扬程为552 m（对应液氧出口压力可达5.5 MPa）。
7.3.4.3 空分流程参数与系统设计性能的配合
IGCC整体化系统对高压空分工艺流程的选择需要综合考虑空分内部流程和IGCC系统中物质和能量的集成。
在IGCC中采用水煤浆进料的喷流床气化炉时，要求氧气的纯度为95%；采用干煤粉进料的喷流床气化炉时，氧气纯度可为85%。空分工艺流程的选择以及空分系统与燃气轮机系统的配合方式对燃气轮机的结构、性能及改造的内容均有直接的影响。显然，空分系统对供电效率、比投资费用乃至整个电站系统的运行灵活性和可靠性都有很大的影响。
IGCC中可采用的空分系统大致可分为以下几类。
（1）整体空气气化。
（2）整体空分、氮气回注系统。
以上两种系统方案是从燃气轮机压气机后抽出空气，进入气化炉或空分装置，再返回燃气轮机燃烧室。与常规燃气轮机相比，通过燃气透平的燃气量仅增加2%～4%，燃气透平通流部分基本上可不做特殊改造。
（3）整体空分、氮气不回注系统。
从压气机后抽出的空气经过空分后分离去除大量的氮，使透平燃气流量大为减少（12%～15%）。这时普通型燃气轮机可以运行，但机组效率有所降低。
（4）独立式空吹气化系统。
（5）独立式空分、氮气回注系统。
以上两种方案是直接由大气吸取空气作为气化剂或空分原料，气化或燃烧过程将大量环境中的空气经过气化装置或经过空分装置引入燃气轮机，使透平燃气流量大量增加（17%～18%），大多数常规燃气轮机均需要进行通流部分改造，增大透平通流面积或减小压气机通流面积。
（6）部分整体空分系统。
空分系统产生中热值合成气，部分稀释（部分氮气回注、加湿）后供燃气轮机燃烧室。它介于上述五类之间，即透平燃气流量可能有不同程度的增加或减少，对常规燃气轮机通流部分可能不需要进行改造或进行不同程度的改造。
IGCC系统中燃气轮机的空气、燃料、燃气流量关系如表7-16所示。
表7-16 IGCC用燃气轮机的空气、燃料、燃气流量关系
7.3.4.4 系统配置与研究
1）系统配置(www.xing528.com)
根据空分装置所需压缩空气的来源，IGCC电站的空分系统配置可分为三类。
（1）独立的空分系统，即空分所需的压缩空气全部由空分离心式压缩机提供，通过入口可调导叶的角度来调节进气流量。压缩机工作特性曲线如图7-15所示。
图7-15 空气压缩机工作特性曲线
（2）部分整体化的空分系统，即空分所需的压缩空气一部分（30%～50%）由空分压缩机供给，另一部分从燃气轮机（简称燃机）压气机出口抽取。
（3）完全整体的空分系统，即空分系统所需的全部压缩空气由燃机的压气机供给。空分所产生的部分氮气回注到燃烧室。该方式适用于中压空分装置。
美国的Tampa电站空分系统氮气回注方式有利于控制燃机NOx的排放，还可以增加燃机的输出功率。其有利之处在于压气机的效率比离心机高，省去独立的空压机；不足之处在于运行调控性能较差，启动时间长，使一些电厂不得不增加50%容量的辅助独立压缩机（见表7-17）。
表7-17 空分流程设备配置比较［4］
2）厂用电
目前IGCC的空分设备主要采用低温深冷制氧法。不同的空分系统配置对IGCC电站厂用电率的差别很大。
3）降低空分电耗的氧离子传输膜研究
研究者［24］就降低IGCC系统中捕集CO2的能耗问题，利用Aspen Plus软件模拟了一个集成氧离子传输膜（oxygenion transport membrane，OTM）的富氧燃烧法捕集CO2的IGCC系统。研究结果表明，与IGCC深冷空分系统相比，集成OTM的新系统效率高出1.88%，比传统不回收CO2的IGCC系统效率下降了6.67%。
OTM膜两侧压力的变化对整个系统性能的影响呈现不同的变化规律。在渗透侧氧气压力不变的情况下，通过原料侧空气压力改变氧气分离率时，IGCC系统供电效率随氧气分离率的上升而下降；在原料侧空气压力不变的情况下，改变渗透侧氧气压力可改变氧气分离率，IGCC系统供电效率随氧气分离率的上升，先上升而后下降，效率存在最大点，即最佳的渗透侧压力。
在操作温度不变的情况下，可以改变OTM原料侧空气的压力或者改变渗透侧氧气的压力来改变氧气分离率（见图7-16）。OTM工作在适当的温度范围内，其温度上升有利于机组的供电效率提高（见图7-17）。
4）经济性
目前大型IGCC机组中普遍采用富氧气化的气流床气化工艺，空分系统的投资费用约占IGCC电站总投资费用的10%，所耗能量达电站毛出力的10%～15%。
图7-16 渗透侧压力变化对系统功率的影响
图7-17 OTM工作温度变化对系统功率的影响
低温空分装置由空气净化、空气液化循环和精馏三个环节组成。富氧低温分离技术占主导地位。先进的膜分离技术有望将IGCC全厂投资成本减少75～100$/kW，机组效率比常规的IGCC电厂提高1%～2%。
5）一些常见问题及处理措施
（1）空压机喘振现象，导致机组剧烈振动，甚至损坏设备。应检查空气过滤器，根据压缩机特性曲线，把最小流量控制在工作区内。
（2）主空压机和氮气循环压缩机漏油。应控制油压，及时排除油箱内的蒸汽或其他气体，使之呈微负压状态。
（3）液氧泵跳车时，备用液氧泵惰转下无法自启动。开大排气阀，液氧温度小于-80℃。
（4）2台纯化器在切换过程中，空冷却塔的进气量减少，压力波动较大。可全开导叶，补充进气量。
（5）分子筛吸附后期，CO2含量超标。应保证分子筛质量和活化。
（6）液氧泵损坏，液氧泵内部件发生擦碰或有裂纹。启动前液氧泵预冷，防止摩擦、汽蚀。
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