制氧生产工艺中污氮气的回收和利用

1、制氧生产工艺中污氮气的回收和利用王学德 李佩和 朱圣华 孔凡魁 秦庆莲莱钢集团天元气体公司摘要:针对氮气供应不足的问题,提出并实施了对制氧机生产中污氮气利 用的改造,以提高氮气供应量,降低氧气放散率,满足用户需求,同时将各制 氧机配套氮压机进口管道联网,使氮压机运行方式调节上有了很大的灵活性。 污氮取出一定量后,对水冷塔冷量的影响,将新安装冷冻机进行冷量补偿。这 一改造,实现了很好的经济效益,是污氮气在钢铁企业生产中利用的一种尝试。 关键词:污氮气 回收 冷量 冷冻机 管道改造1 前言1.1企业概况天元气体公司 是莱芜钢铁集团有限公司钢铁冶炼生产所需的氧气、 氮气、 氩气的生产供应单位, 氧氮

2、等气体在供应上能否满足其冶炼生 产需求将直接影响钢铁产量。 公司现使用的 8套制氧机组, 总装机能 力 127000m 3/h(氧氮产量 , 分别是 6000 m 3/h一台, 12000m 3/h两台, 9000 m3/h一台, 22000m 3/h四台(内部工艺编号分别为 3#、 4#、 6#、 5#、 7#、 8#、 9#、 10# ,能够满足莱钢 1300万吨钢生产的氧气供应能 力。 基于钢铁冶炼的一般规律, 我们的制氧机都是氧、 氮产量相同的 机组。1.2 不平衡的氧氮需求随着莱钢生产设备的扩容改造和新区的逐步投产,氧氮气的耗用量大大增 加,耗用比例也发生了新的变化,产品氮气的耗用量

3、远远超过了产品氧气的耗 用量。2006年初,公司运行了 4台制氧机组(7#、 8#、 9#、 10# ,并尽 量提高氮气产量,每天氧气产量在 210万 m 3左右,氮气产量在 230万 m 3左右, 外部需求量氧气 170万 m 3左右, 氮气 210 240万 m 3左右,其中低压氮气(表压低于 1MPa 约 140万 m 3。基本平衡的氧气、氮 气生产, 不平衡的需求, 造成若要保证氮气供应, 则氧气生产大量过 剩的局面。 2006年 1-2月份氧气放散率平均达 30%,有时甚至高达 35%, 使公司每天损失高达 30多万元。 如此组织生产, 也只能基本满 足外部对氮气的需求, 一旦外部用

4、氮量稍有增加, 氮气管网压力下降, 还是会影响莱钢的冶炼生产。这种氮气、氧气在耗用量上极不平衡的现象 , 在制氧机氧氮气产 量单位时间内基本相同、 液氧产品储存能力一定的条件下, 若确保冶 炼生产所需的大量氮气, 就造成大量氧气不得不放散这一令人心疼的 浪费现象。2 改造方案的提出及内容2.1 方案的提出针对上述存在的严重问题, 我公司本着 “时时为用户着想, 事事 为冶炼服务”和千方百计从内部挖潜的工作理念,为满足冶炼生产, 降低氧气放散率, 提高经济效益, 只有增加氮气生产和外供量。 但我 们的空分装置原设计是气体氧、 氮产量相等的。 于是, 我们便将目光 集中到 “制氧工艺产生的污氮气回

5、收利用” 的改造上, 这一改造的实 施迫在眉睫。制氧生产工艺过程中的污氮气是用来作为分子筛再生气源和水 冷塔冷源,其中水冷塔冷源可以用外部冷源替代, 以减少污氮气的 使用量。如将四台 22000m 3/h大机组 7#、 8#、 9#、 10#的部分污氮气压 缩后送入氮气管网, 每台能增加氮气供应量 15000 18000m 3/h。 从氮 气用户分析, 冶炼生产所需要的大量低压氮气是密封、 除尘反吹、 干 熄焦、仪表用气等,对氮气纯度要求不高。空分排放的污氮气,纯度在 99%N2左右,如与纯度为 99.9%的产品氮气混合,其纯度将达到 99.5%以上,完全能够满足冶炼生产对氮气的要求。2.2

6、方案内容该项目改造方案是将四台 22000m 3/h大机组(7#、 8#、 9#、 10# 空分生产工艺过程中用来作为水冷塔冷源的污氮气, 通过另敷设管道 将其部分分流引出, 经低压氮压机压缩到一定压力后, 送入低压氮气 管网。 引出部分污氮气后, 冷水塔的冷水效果将受到影响, 将各机组 中分别加装一台冷冻机组(安装在厂房辅跨内来补偿其冷量损失, 实现水冷塔在污氮量减少的情况下冷量保持在设计值。 同时, 将各制 氧机组的氮气系统联网, 实现氮气在各制氧机系统之间根据需要相互 调配, 保证低压氮气供应。 公司目前的低压氮压机压缩能力, 能够满 足莱钢冶炼生产的要求,不需要另外增加氮压机。3 可行

7、性分析3.1 7#10#制氧机相关参数:空冷塔所需冷冻水水流量: 65 m3/h进水冷塔污 氮 气 气 量 :45000m 3/h水 冷 塔 进 水 温 度 :32水 冷 塔 出 水 温 度 :12水 冷 塔 冷 水 效 果 :203.2 取出部分污氮气后对水 冷 塔 冷 水 效 果 的 影 响 :水冷塔减少污氮气量(按最大量计算 :18000m 3/h减 少 的 冷 水 效 果 :20×(18000÷45000 =8.03.3 冷 冻 机 组 的 选 定冷 冻 机 制 冷 量 是 选 择 冷 冻 机 组 重 要 参 数 。 我 们 要 选 择 的 冷 冻 机 制 冷 量

8、应 大 于 取出部分污氮气后对水 冷 塔 的 冷 量 损 失 。 其计 算 如 下 :水的比热:1.0kcal/(kg. 冷 量 损 失 =冷冻水水流量×减 少 的 冷 水 效 果 ×水的比热 =65000×8.0×1.0=520000kcal上式计算结果 52万千卡,即为所需补充的制冷量。冷冻机实际 运行时,一般在额定能力的 75%左右,因此,选用制冷量为 70万千 卡的制冷机组。3.4 供应能力论证分析现有氮压机压缩能力 外 部 氮 气 需 求 不 足 110000 Nm 3/h, 现 有 压 缩 机 能 力 大 于 外 部 需 求 , 因 此 不

9、用 新 上 氮气压缩机,仅需对局部管 网 进 行 改 造 并 网 即可。4 经济效益分析4.1 改造投入冷冻机 (70万千卡 单价:30万元台数:4台共计:120万元附图:新加装冷冻机及污氮气取出工艺流程图 共计投资:220万元4.2 增加的电费100×0.55×24×365=48(万元按运行 2台冷冻机计算,其年耗电费用:48×2=96(万元DN1000空分装置来污氮气2 × 1860×0.85×0.55×24×365=1523（万元） 年运行费用合计 96+1523=1619 万元 4.3 增加外供低

10、压氮气年收入（低压氮气价格为 0.12 元/m3） 2×15000×0.12×24×365=3153.6（万元） 4.4 经济效益 如一次性投资按 5 年折旧， 每年分摊投资 44 万元， 年净收益为： 3153.6-1619-44=1490.60（万元） 根据上述分析计算，我们认为该方案是可行的，经济效益是可观 的。 5 实施 冷冻机的选定、安装与调试是这次改造项目中重要的环节。 我们本着经济可靠，高效节能，结构紧凑，体积小，操作方便， 交货周期短等原则，经过规范的程序招标评定，我们选用了制冷量 70 万千卡 ZSL 型螺杆式双压缩冷冻机组四套。 我们

11、将选定的四台制冷量为 70 万 kcal ZSL 型螺杆式双压缩冷冻 机组分别安装在上述 7#10#制氧机厂房辅跨内。外部管道按照设计 进行配置安装， 台制氧机出空分装置低压氮气管道和从污氮主管导 8 引出的分支管道用 600 母管联接成一个管网， 实现了低压氮气和定 量取出的污氮气在各台空分配置的氮压机之间灵活配送。 电气和仪表控制系统进行了合理设计及安装， 装设了自动控制调 节阀门、手动阀门、流量孔板和机旁控制屏等，把监控程序集中编写 到原制氧机的 DCS 系统的程序中， 节省了改造费用和运行成本， 而且 便于操作人员的监控调节操作， 不用增加操作人员的人数， 就能较好 保证确保制氧机运行工况的稳定，不会因为污氮气取出而受到影响， 保持制氧机的主运行工况的稳定和高效。 6 效果 经过一段时间的试运行， 污氮取出量达到设计要求， 四台冷冻机 组制冷量都达到了预期的效果； 同时， 实现了在各空分系统之间根据 需要相互调配氮