空分装置系统节能优化

1、空分装置系统节能优化 过程装备与控制工程08-1班 吴冰 200804030144空分装置系统节能优化1.前言空气分离装置为几乎所有化工行业提供者原材料-氧气,氢气,二氧化碳,氩气等一些必不可少的原材料。中国的工业气体市场，2009年达到17104美元，比2008年增长20%1。空气分离的一个重要的产品氧气是世界上生产体积第二大的化工气体，约占全球气体市场的30%。其主要用于冶金工业、化学合成、玻璃制造、造纸、石油炼制以及医疗卫生等行业。在另外一些行业也有增长的趋势，如发电系统的整体煤气化联合循环过程以及固体氧化物燃料电池堆2。在我国使用中的中小型空分设备数量大，分布面广。中小型空分设备属高耗

2、能设备，空分厂(站)均属耗能大户。随着市场经济的不断完善，空分设备的节能增效已越来越被重视。我国已颁布了节能法，且国家经贸委等部门联合每年开展一 次全国节能宣传周活动。因此，空分设备的运行不仅要考虑安全问题，还要考虑其经济眭。2.空分装置流程1.空气分离技术的方法主要有：吸附分离法、膜分离法和低温分离法。现在的各个公司所应用的设备以低温分离法为主3。2.原料空气在过滤器中除去了灰尘和机械杂质后，进入空气透平压缩机压缩到所需压力，然后送入空气冷却塔进行清洗和预冷。空气冷却塔的给水分为两段，冷却塔的下段使用经用户水处理系统冷却过的(常温)循环水，而冷却塔的上段则使用经氮水冷却塔冷却后的低温水，使空

3、气冷却塔出口空气温度降低。空气冷却塔顶部设有丝网除雾器，以除去空气中的机械水滴。空气自下而上穿过空气冷却塔，在冷却的同时，又得到清洗。3.出空气冷却塔的空气进入交替使用的分子筛纯化器，原料空气中的等不纯物质h2 o、c 2h 2、co2 等不纯物质被分子筛吸附。分子筛纯化器为两只切换使用，定时自动切换，其中一只工作4h时，另一只再生。4.净化后的加工空气分三股：一小部分被抽出作为仪表空气；一股相当于膨胀量的空气引入增压风机中增压，然后被冷却水冷却至常温后进入主换热器，再从主换热器中部抽出进入膨胀机，膨胀后绝大部分空气进入上塔参与精馏，小部分通入污氮气管；另一大股空气直接进入主换热器后，被返流气

4、体冷却至饱和温度进入下塔参与精馏，空气经下塔初步精馏后，在下塔底部获得富氧液空，在下塔顶部获得纯液氮。下塔抽取的液空、纯液氮进入液空液氮过冷器过冷后送入上塔相应部位，经上塔进一步精馏后，在上塔底部获得氧气，并进入主换热器复热后出冷箱，经氧气透平压缩机加压后进入氧气管网。另抽取一部分液氧直接进入液氧贮槽。5.从上塔顶部得到液氮，送入液氮贮槽。从上塔中部抽取一定量的氩馏送入粗氩塔，粗氩塔在结构上分为两段，第二段氩塔底部抽取的液体经液体泵送入第一段顶部作为回流液，经粗氩塔精馏得到粗氩气送入纯氩塔中部，经纯氩塔精馏在纯氩塔底部得到纯液氩。6.从辅塔顶部得到氮气，经过冷器、主换热器复热后出冷箱，作为产品

5、输出，压缩后提供给用户。7.从上塔顶部引出污氮气，经过冷器、主换热器复热后出冷箱，一部分进入电加热器作为分子筛再生气体，其余气体送入水冷塔4。流程图如下：图2-1空分过程过程流程图空分系统的节能增效基本上可以分为两个部分制度上的管理、对生产工艺和设备的改良节能操作。3.空分工艺和装置的改良3.1在纯化系统中的改良赵小莹5，在中国空分有限公司的20000m/h空分设备的净化流程中，采用立式径向流分子筛吸附器，其作用是吸附空气中的水分、二氧化碳、乙炔、丙炔、重烷。立式径向流吸附器采用圆柱体床层结构，充分利用了空间位置，占地面积小，立式径向流吸附器占地面积仅为卧式吸附器的1/4。分子吸附器采用同心圆

6、双层床结构，外层活性氧化铝床层可有效地保护分子筛，延长分子筛使用寿命，同心圆双层床也可以使得吸附器再生阻力下降，且在加热再生时，加热气流从中心筒由内向外流动，当热气体与外筒壁接触时，已完成加热再生任务。改进后，保证了系统的先进性，可靠性。分子筛纯化系统为长周期的设计，从而使分子筛及阀门使用寿命延长，切换损失减小。与卧室吸附器相比，可节能10%20%。3.2在循环冷却水系统中的改良龚世峰6，根据河南神马工艺冷冻水装置（使用具有节能、环保特点的蒸汽双效型溴化锂吸收式制冷机），在低温水泵后增加一个冷却水换热器将原来的冷冻机作为备用机使用，这样不仅可以避免空分设备生产手冷冻机故障影响，还可以实现公司资

7、源的综合利用。改造后，当两台低温水泵发生故障时，操作人员只需将其中一台常温水泵切入低温水系统即可保障正常生产。改造后的淡水预冷工艺如图3-1：图3-1 改造后的淡水预冷工艺图王同7，对无锡高新气体有限公司空分设备的循环水冷却系统进行了改造，其原来所使用的水泵扬程和流量都偏大，在实际运行时只能通过关小泵出口阀来进行调节。目前，在所运转的3台循环水泵出口阀的开度都控制在60%左右，出口压力位0.5mpa，由于这种运行方式浪费大量的电能必须对循环水泵进行改造。其选用切割叶轮的方法，对其3台循环水泵进行了叶轮切割并进投入运行，经测试，单台水泵每年可节省电量254040kwh，达到了预期的效果。3.3

8、在制冷过程中的改良龚晓奎8，在天津石化公司空分厂的kdon-1500/3000型空分装置中提出，在制冷系统中采用增压空气透平膨胀机的低压循环，用增压机制动，将气体所作的膨胀工回收给膨胀工质本身，由于膨胀前压力的提高，因而单位制冷量应增加，膨胀量减少，入上塔膨胀空气量减少，达到提高氧的提取率效果。葛文博9提出减少空分设备冷量损失，可以有效地节约能源提高效率。空分设备的冷损主要表现在四个方面：复热不足(即热交换不完全)损失(q2)，跑冷损失(q3)，液态产品取出冷量损失(q0)，塔内泄漏损失(q1)。因此，空分设备的总冷损失为q总= q0十q1+ q2+ q3根据能量守恒原理，在稳定工况下，空分设

9、备的产冷量应该与装置总冷损平衡。而空分设备的产冷量在没有外加冷源的条件下，是由压缩空气等温节流效应ht与膨胀机的产冷量qe两部分组成。因此，ht + qe = q0十q1+ q2+ q3。由上式可知，减少冷量损失，可以减少制冷量，从而提高空分系统运转的经济性。由于各种客观条件的限制，冷损是不可能完全消除的，但可以采取一定的措施来减少。3.4 在精馏过程中的改良郑华东10提出，根据空分精馏原理，上塔压力的变化引起主冷凝蒸发器内液氧与下塔侧氯气之间的温差变化；上塔压力高，则液氧的汽化温度亦高，这样在下塔压力不变的情况下，主冷内氧氯之间的温差必然缩小，换热量减少，使下塔的回流液减少，必然引起下塔压力

10、增高，使氮气的温度亦提高，从而满足主冷换热对温差的要求。随着下塔的压力提高，空压机的机后压力必然增大，这使空压机轴功率增大，耗电增加。困此，在调节精馏工况时，一定要尽量降低上塔压力。压力降低后，不但可以降低空压机出口压力(即系统压力)，而且使上塔的精馏工况趋于优化，有利于氧与氩、氩与氮之间的分离。从而达到了节能增效的目的。田现德10，对莱钢集团天元气体有限公司的空分设备提出了改良方案：(1)在确保液氮和产品氮气纯度的条件下，调整下塔的回流比，尽可能开大液氮节流阀。(2)在液体产量和主冷液氧液位稳定的基础上，尽量减少膨胀空气量。(3)在确保氧、氮纯度合格以及产品氧、氮产量稳定的前提下，适当减少空

11、压机的加工空气量，以减少污氮取出量，降低其流通阻力。(4)在满足分子筛吸附器再生效果的条件下，将污氮气进入分子筛吸附器的压力降低，尽可能地开大污氮气去水冷塔的阀门。(5)严格控制主冷液氧中碳氢化合物 (特别是乙炔)含量，在确保不影响主冷工况及安全的前提下，适当降低主冷液氧液位。(6）合理调配多套空分设备组合运行方式，使氧气供应处于稍有不足的状态，不足部分则用液氧汽化补充，尽可能减少反复调整空分设备氧气产量的情况发生。经过上述调整在氧气产量保持相对稳定的前提下，液氩产量达到750m/h，平均增加液氩产量约150m/h，上塔工作压力下降了46kpa，空压机排气压力降低了约15kpa，污氮氧含量 由

12、0.872%降低至0.22%。完善变负荷调整措施后，空分设备变负荷范围由95%100%增大至90%105%。运行稳定性明显提高，单位氧气综合电耗下降约0.01kwh，取得了显著的经济效益。4.设备的节能改良措施4.1 增设后备系统空分装置作为气体提供者,对整个生产过程能否平稳运行起着关键作用,一旦一套空分装置故障停车,将导致一套装置连锁停车,装置也将无法运行,而每次装置故障停车都将造成数百万元的直接损失。因此,生产过程对空分装置供气连续性和压力波动范围有很高的要求。因此空分装置设置了液体储存后备系统。后备系统包括常压低温液体储槽,水浴式汽化器,低温液体泵12。后备系统可以在其他装置生产工况波动

13、时及时增加供气量,保证全厂氮气管网的压力稳定。满足全厂停车时对氮气产品的需求。在全厂停车检修期间仍需氮气供应保障安全。后备系统在氮槽装满液体的情况下完全可以满足停车期间20天的氮气需求。即使停车时间大于20天,可采取外购液氮产品补充至液氮储槽的措施以满足对于氮气的需求。相对于运行一套空分装置也可节约大量资金13。同时为了节省资源，可以使用旧的空分设备作为备用，由于旧空分停车备用，与之配套的氮气灌充系统因无氮气无法充装，可以通过工艺改进，从新空分氮压机出口管线引根跨线到旧空分氮气气囊入口处，氮气灌充系统就可以投用，确保了消防车及氮气瓶顺利充装，瓶装氮气还可以对外销售，虽然量小，单也能为车间创效。

14、 叶文福14，对福建炼化公司供气车间两套设备进行了改造，其车间新空分开车不久，新空分氮气产量有600800nm/h的富余量，故其在新旧空分氮气管线之间增加了一条跨线和一道阀门，使得新空分富余氮气量直接供给公用系统使用，让就空分停下来作为备用。从两年多的运行情况来看，1998年就空分停开257天，全年节电205.4万kwh，折合人民币92.4万元；1999年旧空分停开343天，全年节电274.1万kwh。折人民币123.3万元；2000年旧空分至今还处于停运备用估计全年停用，全年可节电291.7万kwh，折人民币131.3万元。4.2 加强设备维护有害余隙要适当，在工作状态不使用活塞发生碰撞的前

15、提下，有害余隙越小越好，可按设备说明中的规定予以调整。进排气阀门要密封。进气阀门不密封时，压缩气体返回吸入管，压缩后压力降低，进气温度升高。排气阀门不密封时，压缩的气体返回气缸，吸入气量减少，排出压力降低而排气温度升高。这样，进排气阀门泄漏都会引起空气量的减少单位能耗增加：为此，每运行一个周期应拆开阀门进行密封检查和处理。消除泄漏点。外部泄漏要及时发现及时处理。机器内部的泄漏要靠正确的维护保养来保证 如气缸、活塞的磨损；密封填料函或冷却器的漏点，要定期作检查和修理；减少机器运动机构的摩擦阻力。正确选用润滑油，注意油质、油量，使用中经常检查油温、油压15。5.控制整个项目施工的安全与质量空分装置

16、的机构使其自身的有复杂性和特殊性。此外，其工作介质的特殊性决定了其质量和安全问题。首先，它必须保证安全和质量的安装，和整个空气分离设备的可靠性。该领域权威专家指出，30%空气分离的空分设备的可靠性是基于其安装质量。这表明安装质量重要性的。进口空分项目的历史上看，安装质量是完全被外国监督员控制的。如何保证本单位的施工质量成为了真正的挑战。在考虑施工管理的复杂性之后，一个联合项目建设集团创建使用最好的机电施工队伍在安装焊接铝管道和导管工作。施工安全和质量由公司项目建设、公司管理和控制能力来保证。在对过程的监督，宝钢致力于管理的施工组之间的接口。同时，其中包括监察员，专门负责技术人员和维修人员的综合

17、三层安全与质量控制系统建立。介绍安全质量监督和密切注重质量的关键工作序列，如焊接内管道压缩机安装和中间交接检查。这样，该项目已完成的安全质量好的16。6.总结及建议让节能成为一种美德，一种习惯，一个行为同时建立节能制度。可以让公司成立节能领导小组和能源管理机构；制定节能规划，逐项开展节能项目，从项目立项到项目验收，做到有项目进展表及最终验收报表，做好项目台账的归档工作。通知要激励员工的节能积极性，制定奖励惩罚相关办法。同时设立节能减减排专项资金，用于节能奖励和节能项目的开发应用。鼓励员工进行设备改造、工艺创新、操作改进、通过采用新工艺、新材料达到节能效果。表彰节能先进人物，激励员工把节能降耗工

18、作合力运用到实际工作中，创造经济效益。在企业的发展过程中，要坚持节能减排与加快科学发展，构建和谐企业相结合，使经济增长建立在节约能源和保护环境的基础上；要属地管理，分级负责节能减排工作格局；坚持源头控制与存量挖掘，依据管理与政策激励，生产环节中都体现出公司节能的理念，突出重点与全面推进相结合，以点带面，最终形成全员 自觉节能减排的机制；实行能源规划和能源审计，建立严格的节能管理制度和有效的激励机制，将节能降耗的目标和责任落实个人。新厂区建设方面，开封空分表示会围绕建材项 目、环保项目等方面安排节能计划，采用高效节能的产品17。参考文献1 刘春发，砂岩油田开发成功实践m，北京，石油工业出版社，19962 moghtader behdad. application of chemical looping concept for air separation at highj.energy fuels,2010.24(1).190-1983 赵立党，空分压缩机厂房及管道布置探讨，西北大学学位