20112.10.30技術創新在空分設備中的應用王兆宇【內容提要】在空分設備實際生產中，結合空分設備的實際狀況，通過氮氣加溫技術、制氧機組快速開車啟動技術、氬工況優化操作等技術創新，優化工藝操作過程及步驟，提高空分設備的工作效益，解決目前空分設備存在的故障及隱患，確保空分設備的穩定運行，實現挖潛增效。隨著空分制氧新技術、新工藝的發展與應用，空分設備的工藝流程也隨之發生變化，由鋁帶蓄冷器凍結高低壓第一代空分流程發展到目前常溫分子篩凈化填料型上塔全精餾制氬第六代空分流程，空分設備向著大型化、自動化、節能化方向快速發展，空分制氧技術日新月異。為確保空分設備的穩定、連續、長期運行，作為專業技術人員必須對空分設備工藝流程技術及特點進行深入透徹的學習與鉆研，掌握各項性能并不斷優化改造。隨著行業形勢陷入低迷，集團公司提出以降本增效為戰略核心的管理模式，對專業技術人員提出了更高的要求，發揮技術優勢，實現挖潛降本增效成為企業發展的主旋律。目前公司共有三套制氧機組，分別為KDON10000型、KDON15000型和KDON28000型。在實際生產中，充分發揮專業技術優勢，通過不斷探索與研究，對以前的操作模式和方法進行技術創新，氮氣加溫技術、制氧機組優化開車啟動技術、氬工況優化操作技術等新技術應用到實際生產中，取得了良好的經濟效益，達到了節能降本增效的目的。【前言】1氮氣加溫技術的應用1.1現狀分析根據空分設備行業規范，為保證空分設備的安全，設備停產24小時以上就要進行排液加溫至0℃以上，將空分設備內部的水分、二氧化碳及碳氫化合物等有害成分排除掉，以防在設備內部積聚造成危害。根據鋼鐵生產所需氧、氮、氬的用量，需對三套制氧機組進行優化組合，保證氣體產品的有效利用。根據空分設備操作工藝步驟，需要啟動大功率壓縮設備空壓機提供加溫氣，將設備內部從低溫-190℃左右加溫至0℃以上，塔體溫度升速不得超過10℃/h，以防箱內設備、管道、支架因溫度變化過大而受損。因此，空壓機所提供氣源大部分放空，僅利用少量一部分來對塔內系統進行加溫，設備空運轉能耗非常大。以KDON28000制氧機組為例，在加溫過程中每天耗電量約36萬kwh，整個加溫過程約需3天，共耗電約108萬kwh，電費近77萬元（平均電價0.71元/度）。1.2氮氣加溫技術的研究與應用1.2.1加溫氣源的選取對空分設備的加溫氣源必須是干燥氣體，露點在-45℃以下，如果僅有一套空分設備，只能采用的分子篩純化的干燥空氣進行加溫，如果有兩套及以上空分設備，壓縮后的高壓氮氣、出空分裝置后的低壓氮氣及管道高壓氬氣均符合加溫氣要求。我廠現有三套空分設備，經綜合分析，采用干燥空氣，如由其它空分裝置提供則影響正常生產，由本套空分裝置提供則需啟動空壓機，空運轉能耗高，不可取；管道高壓氬氣為稀有氣體，成本昂貴；管道高壓氮氣和出空分裝置低壓氮氣可行。對比分析后，決定采用出空分裝置的低壓氮氣作為加溫氣源更有優勢：高壓氮氣具有壓縮能耗（經氮壓機壓縮至約1.4Mpa），且為用戶所需產品，如作為空分設備加溫氣源還需對工藝管道進行技術改造；出空分裝置低壓氮氣作為加溫氣源沒有壓縮能耗（僅17-25Kpa），量大且大部分經水冷塔后放空，加溫氣量的使用對其沒有任何影響，基本屬于廢氣再利用，而且不需要對工藝管網進行技術改造。最終決定采用低壓氮氣作為加溫氣源。1.2.2氮氣加溫技術方案的確定

經可行性分析研究后，利用三套制氧機組管道聯網的優勢，加溫方案采用空分設備低壓氮氣出裝置倒流方案，由空氣管路進氣加溫方式轉變為低壓氮氣倒流進空分裝置加溫方式，對塔內加溫氣體流路進行重新規劃，特別是空氣流路加溫進行特別規定，溫升控制及最終加溫標準嚴格按照行業標準執行。對正常運行的空分設備，在提供低壓氮氣加溫氣源時，壓力控制及溫度控制作了規定，在確保空分設備正常運行的前提下，壓力控制在22-25Kpa，溫度控制在20-25℃，以強化加溫效果。最終形成了一套完整的氮氣加溫技術操作規程。1.2.3氮氣加溫技術的應用氮氣加溫技術首次在KDON10000型空分裝置進行試點應用。由KDON15000型空分設備和KDON28000型空分設備聯合提供出裝置低壓氮氣對停車后KDON10000型空分裝置進行加溫，加溫氣露點檢測-75℃，溫度23℃。在加溫過程中嚴格執行操作規程，最終塔內各點溫度均達到0℃以上后，完成空分設備的加溫操作，保壓備用，運行中的空分設備未受到任何影響。本次加溫時間約150h，比原空氣加溫模式時間70h多80h，但節省空運轉耗電約42萬kwh，電費近30萬元。該加溫技術推廣繼爾應用在其它空分裝置中，并不斷優化操作步驟，加溫時間也將會有所縮短。1.3氮氣加溫技術應用的優勢

利用氮氣加溫技術對空分設備進行加溫，一方面實現了降本增效，如果我廠三套空分設備每年檢修一次，利用氮氣加溫技術可節約電費近150萬元；二是氮氣加溫安全性好，因為氮氣是從空分設備內部出來的氣體，不含有害雜質，露點達到-70℃以下，不會對空分設備造成污染；三是操作簡單方便易行，溫升速率容易控制，有效避免了原先高壓空氣流速過快導致溫升大于10℃/h對塔內金屬設備造成變形泄漏損害；四是加溫氣體溫度高，比空壓機提供的空氣高7-10℃。2開車啟動優化技術的應用第六代工藝流程空分設備在開車過程中大致分為兩個階段，一階段利用膨脹機制取的冷量全面冷卻設備，二階段是盡快積累液面調整工況達到正常生產條件。根據空分裝置制造廠家提供資料，空分設備開車啟動時間一般在36-40小時。公司目前三套空分設備的開車啟動時間都大大延長，在60-70小時。空分設備長時間開車啟動一方面造成空運轉耗電，另一方面對集團公司的正常生產不利。2.1開車啟動過程原因分析

通過對空分設備的開車整個過程進行詳細分析與研究，結合專業技術知識，開車啟動時間長主要有兩方面：一是操作原因，表現在一階段沒有充分發揮透平膨脹機組的制冷能力，認為透平膨脹機組機后溫度越低制取冷量越大；二是積液階段冷損大，冷損嚴重，積液速度慢，表現在二階段主換熱器熱端溫差過大，不完全冷損占總冷損比例高。在溫差為3℃的情況下，不同產量空分設備熱交換不完全冷損占總冷損的比例裝置產量（m3/h）1000320060001000020000熱交換不完全冷損比例%34.239.346.047.052.4新編制氧工問答機前溫度℃機前壓力MPa機后溫度℃機后壓力MPa單位焓降（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化工部第四設計院深冷手冊2.2制定快速開車啟動措施

針對以上開車啟動過程中導致時間長的因素，制定了相應的操作措施：在開車一階段充分發揮透平膨脹機組的制氧能力，在條件允許前提下，盡可能通過調整主換熱器各物料流量，提高膨脹機機前溫度，利用高溫高焓降原理，強化透平膨脹機組制取冷量來全面冷卻塔內設備，走出原有機后溫度越低制冷量越多的誤區。根據制冷手冊可知，高溫高焓降的正效應大于膨脹空氣溫度升高引起的膨脹量減少的負效應，即機前溫度越高，制取的冷量越大。在開車啟動二階段轉變為以調整主換熱器熱端溫差控制為主，使主熱器各物料（低壓空氣、高壓空氣、膨脹空氣、低壓氮氣，高壓氧氣）熱端溫度差一致或基本一致，盡可能減小主換熱器熱端溫差，降低冷量損失，保證液體在塔內的積聚。改變原有規程中液氧泵在空分設備投入生產時才進行啟動操作模式，在液面允許前提下，及時啟動液氧泵，打通主換熱器中高壓氧氣通道，迅速提高與之換熱的高壓空氣流量，實現高壓氣體節流制冷效應，制取冷量，同時也有利于主熱器熱端溫差更好地控制，改變主熱器熱端溫差過大而又無法調整到位的情況。在精餾塔建立精餾工況過程中，適當提高上塔壓力，提高塔內蒸氣液體溫度點，增加液體液化量。2.3快速開車啟動的實際應用

在空分設備開車過程中，有效地改變了以前空分設備開車啟動過程中操作，在開車一階段，合理提高透平膨脹機組溫降，在二階段熱端很好的控制溫差，塔內設備冷卻及積液速度將均得到了提高，整個開車啟動時間可縮短至40h以內，達到節能降耗挖潛增效的目的。3氬工況優化操作技術的應用3.1氬工況優化操作的目的對于新一代制氧工藝流程，轉換制氧操作理念，實現創新操作思想，解決氬系統周期性波動現象，規避因周期性波動引起的全系統工況惡化現象。3.2氬工況周期性波動的原因分析

氬系統周期性波動的起因：在開車積液階段，氮氣取出量過大、作為冷源送到粗氬塔的液空量過大、粗氬取出量過大等均可引氬系統的周期性波動。在氬系統正常工作時，氧氣純度過低，液空或液氧液位波動過大、上塔工況波動過大、氧氮取量不均衡等均可引起氬系統周期性波動,特別是工藝氬取出量與氬餾份含量的不匹配,使工況單邊性波動而引起工況波動現象明顯。3.3氬工況優化操作技術氬系統投入時的操作：（1）保持空分系統中氧、氮取出量的盡可能恒定，保持主塔工況的穩定。（2）保持氬餾份中低氬含量，保證粗氬塔中精餾工況的盡快形建立。氬系統正常工作時的操作：（1）保持主塔中液氧液位和液空液位的相對穩定。（2）氬系統工藝參數最佳回流比R的取值與確定。

R值最佳點應在回流比與理論理塔板數曲線中轉折點附近。當氬餾份中氬含量為8%時，R值應取為37.5～38.5。當氬餾份中氬含量為10%時，R值應取為30.5～32。當氬餾份中氬含量為12%時，R值應取為26～28。（3）工藝氬取出量的調整，保持工況的相對穩定。假設精餾塔內為恒摩爾流量，進塔氬餾份量為F（實際運行中約為10400m3/h），根據氬餾份中氬含量的多少可算出工藝氬的取出量D：根據粗氬塔物料平衡：F=（R+1）DD=F/（R+1）當氬餾份中氬含量為8%時，工藝氬取出量為263m3/h～270m3/h；當氬餾份中氬含量為10%時,工藝氬取出量為315m3/h～330m3/h；當氬餾份中氬含量為12%時,工藝氬取出量為358m3/h～385m3/h。從以上氬餾份的變化可以看出，當氬餾份中氬含量發生變化時，相應的氬取出量也應該作相應的變化。當氬餾份中的氬含量有1%的波動時，理論上講工藝氬的取出量有10%左右的波動，所以氬系統在正常工作過程中，應根據氬餾份中氬含量的多少來確定最佳回流比值，然后確定工藝氬的取出量的大小，也就是說工藝氬取出量應與此時工況的最佳