技术创新在空分设备中的应用

20112.10.30技术创新在空分设备中的应用王兆宇【内容提要】在空分设备实际生产中，结合空分设备的实际状况，通过氮气加温技术、制氧机组快速开车启动技术、氩工况优化操作等技术创新，优化工艺操作过程及步骤，提高空分设备的工作效益，解决目前空分设备存在的故障及隐患，确保空分设备的稳定运行，实现挖潜增效。随着空分制氧新技术、新工艺的发展与应用，空分设备的工艺流程也随之发生变化，由铝带蓄冷器冻结高低压第一代空分流程发展到目前常温分子筛净化填料型上塔全精馏制氩第六代空分流程，空分设备向着大型化、自动化、节能化方向快速发展，空分制氧技术日新月异。为确保空分设备的稳定、连续、长期运行，作为专业技术人员必须对空分设备工艺流程技术及特点进行深入透彻的学习与钻研，掌握各项性能并不断优化改造。随着行业形势陷入低迷，集团公司提出以降本增效为战略核心的管理模式，对专业技术人员提出了更高的要求，发挥技术优势，实现挖潜降本增效成为企业发展的主旋律。目前公司共有三套制氧机组，分别为KDON10000型、KDON15000型和KDON28000型。在实际生产中，充分发挥专业技术优势，通过不断探索与研究，对以前的操作模式和方法进行技术创新，氮气加温技术、制氧机组优化开车启动技术、氩工况优化操作技术等新技术应用到实际生产中，取得了良好的经济效益，达到了节能降本增效的目的。【前言】1氮气加温技术的应用1.1现状分析根据空分设备行业规范，为保证空分设备的安全，设备停产24小时以上就要进行排液加温至0℃以上，将空分设备内部的水分、二氧化碳及碳氢化合物等有害成分排除掉，以防在设备内部积聚造成危害。根据钢铁生产所需氧、氮、氩的用量，需对三套制氧机组进行优化组合，保证气体产品的有效利用。根据空分设备操作工艺步骤，需要启动大功率压缩设备空压机提供加温气，将设备内部从低温-190℃左右加温至0℃以上，塔体温度升速不得超过10℃/h，以防箱内设备、管道、支架因温度变化过大而受损。因此，空压机所提供气源大部分放空，仅利用少量一部分来对塔内系统进行加温，设备空运转能耗非常大。以KDON28000制氧机组为例，在加温过程中每天耗电量约36万kwh，整个加温过程约需3天，共耗电约108万kwh，电费近77万元（平均电价0.71元/度）。1.2氮气加温技术的研究与应用1.2.1加温气源的选取对空分设备的加温气源必须是干燥气体，露点在-45℃以下，如果仅有一套空分设备，只能采用的分子筛纯化的干燥空气进行加温，如果有两套及以上空分设备，压缩后的高压氮气、出空分装置后的低压氮气及管道高压氩气均符合加温气要求。我厂现有三套空分设备，经综合分析，采用干燥空气，如由其它空分装置提供则影响正常生产，由本套空分装置提供则需启动空压机，空运转能耗高，不可取；管道高压氩气为稀有气体，成本昂贵；管道高压氮气和出空分装置低压氮气可行。对比分析后，决定采用出空分装置的低压氮气作为加温气源更有优势：高压氮气具有压缩能耗（经氮压机压缩至约1.4Mpa），且为用户所需产品，如作为空分设备加温气源还需对工艺管道进行技术改造；出空分装置低压氮气作为加温气源没有压缩能耗（仅17-25Kpa），量大且大部分经水冷塔后放空，加温气量的使用对其没有任何影响，基本属于废气再利用，而且不需要对工艺管网进行技术改造。最终决定采用低压氮气作为加温气源。1.2.2氮气加温技术方案的确定

经可行性分析研究后，利用三套制氧机组管道联网的优势，加温方案采用空分设备低压氮气出装置倒流方案，由空气管路进气加温方式转变为低压氮气倒流进空分装置加温方式，对塔内加温气体流路进行重新规划，特别是空气流路加温进行特别规定，温升控制及最终加温标准严格按照行业标准执行。对正常运行的空分设备，在提供低压氮气加温气源时，压力控制及温度控制作了规定，在确保空分设备正常运行的前提下，压力控制在22-25Kpa，温度控制在20-25℃，以强化加温效果。最终形成了一套完整的氮气加温技术操作规程。1.2.3氮气加温技术的应用氮气加温技术首次在KDON10000型空分装置进行试点应用。由KDON15000型空分设备和KDON28000型空分设备联合提供出装置低压氮气对停车后KDON10000型空分装置进行加温，加温气露点检测-75℃，温度23℃。在加温过程中严格执行操作规程，最终塔内各点温度均达到0℃以上后，完成空分设备的加温操作，保压备用，运行中的空分设备未受到任何影响。本次加温时间约150h，比原空气加温模式时间70h多80h，但节省空运转耗电约42万kwh，电费近30万元。该加温技术推广继尔应用在其它空分装置中，并不断优化操作步骤，加温时间也将会有所缩短。1.3氮气加温技术应用的优势

利用氮气加温技术对空分设备进行加温，一方面实现了降本增效，如果我厂三套空分设备每年检修一次，利用氮气加温技术可节约电费近150万元；二是氮气加温安全性好，因为氮气是从空分设备内部出来的气体，不含有害杂质，露点达到-70℃以下，不会对空分设备造成污染；三是操作简单方便易行，温升速率容易控制，有效避免了原先高压空气流速过快导致温升大于10℃/h对塔内金属设备造成变形泄漏损害；四是加温气体温度高，比空压机提供的空气高7-10℃。2开车启动优化技术的应用第六代工艺流程空分设备在开车过程中大致分为两个阶段，一阶段利用膨胀机制取的冷量全面冷却设备，二阶段是尽快积累液面调整工况达到正常生产条件。根据空分装置制造厂家提供资料，空分设备开车启动时间一般在36-40小时。公司目前三套空分设备的开车启动时间都大大延长，在60-70小时。空分设备长时间开车启动一方面造成空运转耗电，另一方面对集团公司的正常生产不利。2.1开车启动过程原因分析

通过对空分设备的开车整个过程进行详细分析与研究，结合专业技术知识，开车启动时间长主要有两方面：一是操作原因，表现在一阶段没有充分发挥透平膨胀机组的制冷能力，认为透平膨胀机组机后温度越低制取冷量越大；二是积液阶段冷损大，冷损严重，积液速度慢，表现在二阶段主换热器热端温差过大，不完全冷损占总冷损比例高。在温差为3℃的情况下，不同产量空分设备热交换不完全冷损占总冷损的比例装置产量（m3/h）1000320060001000020000热交换不完全冷损比例%34.239.346.047.052.4新编制氧工问答机前温度℃机前压力MPa机后温度℃机后压力MPa单位焓降（kJ/g.mol）-1100.83-1690.1491.608-1170.82-1730.1491.515-1250.81-1780.1491.429-1310.8-1810.1491.336-1380.79-1850.1491.229-1440.78-1870.1491.114化工部第四设计院深冷手册2.2制定快速开车启动措施

针对以上开车启动过程中导致时间长的因素，制定了相应的操作措施：在开车一阶段充分发挥透平膨胀机组的制氧能力，在条件允许前提下，尽可能通过调整主换热器各物料流量，提高膨胀机机前温度，利用高温高焓降原理，强化透平膨胀机组制取冷量来全面冷却塔内设备，走出原有机后温度越低制冷量越多的误区。根据制冷手册可知，高温高焓降的正效应大于膨胀空气温度升高引起的膨胀量减少的负效应，即机前温度越高，制取的冷量越大。在开车启动二阶段转变为以调整主换热器热端温差控制为主，使主热器各物料（低压空气、高压空气、膨胀空气、低压氮气，高压氧气）热端温度差一致或基本一致，尽可能减小主换热器热端温差，降低冷量损失，保证液体在塔内的积聚。改变原有规程中液氧泵在空分设备投入生产时才进行启动操作模式，在液面允许前提下，及时启动液氧泵，打通主换热器中高压氧气通道，迅速提高与之换热的高压空气流量，实现高压气体节流制冷效应，制取冷量，同时也有利于主热器热端温差更好地控制，改变主热器热端温差过大而又无法调整到位的情况。在精馏塔建立精馏工况过程中，适当提高上塔压力，提高塔内蒸气液体温度点，增加液体液化量。2.3快速开车启动的实际应用

在空分设备开车过程中，有效地改变了以前空分设备开车启动过程中操作，在开车一阶段，合理提高透平膨胀机组温降，在二阶段热端很好的控制温差，塔内设备冷却及积液速度将均得到了提高，整个开车启动时间可缩短至40h以内，达到节能降耗挖潜增效的目的。3氩工况优化操作技术的应用3.1氩工况优化操作的目的对于新一代制氧工艺流程，转换制氧操作理念，实现创新操作思想，解决氩系统周期性波动现象，规避因周期性波动引起的全系统工况恶化现象。3.2氩工况周期性波动的原因分析

氩系统周期性波动的起因：在开车积液阶段，氮气取出量过大、作为冷源送到粗氩塔的液空量过大、粗氩取出量过大等均可引氩系统的周期性波动。在氩系统正常工作时，氧气纯度过低，液空或液氧液位波动过大、上塔工况波动过大、氧氮取量不均衡等均可引起氩系统周期性波动,特别是工艺氩取出量与氩馏份含量的不匹配,使工况单边性波动而引起工况波动现象明显。3.3氩工况优化操作技术氩系统投入时的操作：（1）保持空分系统中氧、氮取出量的尽可能恒定，保持主塔工况的稳定。（2）保持氩馏份中低氩含量，保证粗氩塔中精馏工况的尽快形建立。氩系统正常工作时的操作：（1）保持主塔中液氧液位和液空液位的相对稳定。（2）氩系统工艺参数最佳回流比R的取值与确定。

R值最佳点应在回流比与理论理塔板数曲线中转折点附近。当氩馏份中氩含量为8%时，R值应取为37.5～38.5。当氩馏份中氩含量为10%时，R值应取为30.5～32。当氩馏份中氩含量为12%时，R值应取为26～28。（3）工艺氩取出量的调整，保持工况的相对稳定。假设精馏塔内为恒摩尔流量，进塔氩馏份量为F（实际运行中约为10400m3/h），根据氩馏份中氩含量的多少可算出工艺氩的取出量D：根据粗氩塔物料平衡：F=（R+1）DD=F/（R+1）当氩馏份中氩含量为8%时，工艺氩取出量为263m3/h～270m3/h；当氩馏份中氩含量为10%时,工艺氩取出量为315m3/h～330m3/h；当氩馏份中氩含量为12%时,工艺氩取出量为358m3/h～385m3/h。从以上氩馏份的变化可以看出，当氩馏份中氩含量发生变化时，相应的氩取出量也应该作相应的变化。当氩馏份中的氩含量有1%的波动时，理论上讲工艺氩的取出量有10%左右的波动，所以氩系统在正常工作过程中，应根据氩馏份中氩含量的多少来确定最佳回流比值，然后确定工艺氩的取出量的大小，也就是说工艺氩取出量应与此时工况的最佳