江銅貴冶5#制氧機工藝特點及“氮塞”故障處理

吳小印

(江西銅業集團公司貴溪冶煉廠，江西貴溪 335424)

1 引言

江銅集團貴溪冶煉廠動力車間制氧區域所運行的5#制氧機，于2007年7月建成投產，為四川空分設備集團公司設計成套，空壓機、冷端膨脹機等主機部分采用德國阿特拉斯公司產品，工藝流程組織考慮到了銅冶煉生產過程的特殊要求，產品設計類型及能力分別為:低壓氧氣18000m3/h;中壓氧氣7000m3/h，液氧 5000m3/h(氣態)，液氬 1120m3/h(氣態)，其中，低壓氧氣用于閃速爐富氧吹煉，中壓氧氣供應閃速爐放銅口及轉爐、卡爾多爐吹煉，液體產品(液氧、液氮、液氬)用于外銷。

2 5#制氧機工藝過程介紹

原料空氣(150000m3/h)經過濾器去除其中的機械雜質及塵埃，由空壓機壓縮至1.2MPa(A)左右進入空氣預冷系統中的空氣冷卻塔，被水冷卻和洗滌?？諝饫鋮s塔采用循環冷卻水和經水冷塔及冷凍機冷卻的低溫水冷卻。從空氣冷卻塔出來的13℃左右的工藝空氣，進入分子篩純化系統。分子篩純化系統的吸附器吸附空氣中的水分、二氧化碳、碳氫化合物等雜質。兩只吸附器為臥式雙層床結構，下層為活性氧化鋁，上層為分子篩，兩只吸附器切換工作，一只吸附，另外一只再生，再生氣來自冷箱中的污氮氣，并經過電加熱器加熱。吸附器的切換周期為4h，可定時自動切換。經由吸附器純化后的空氣水含量在-65℃露點以下，CO2≤1ppm。

經過純化的空氣，分兩部分。一部分大約120000m3/h進入增壓膨脹機，制取空分過程所需的冷量后，進入下塔進行精餾。另一股(約20000 m3/h)則全部通過主換熱器換熱(換熱后溫度約為-155℃，已達到液化溫度)，液化為液空后節流進入下塔進行精餾。

在精餾塔中，上升氣體與下流液體充分接觸、傳熱傳質后，上升氣體中的氮濃度逐漸增加。純氮進入下塔頂部的主冷凝蒸發器被冷凝，同時主冷凝蒸發器中的液氧蒸發汽化;一部分液氮作為下塔的回流液，其余液氮經過冷、節流后送入上塔。在下塔底部產生的液空經過冷、節流后進入上塔，經再次精餾，得到產品氧氣、產品氮氣和污氮，以及液氧和液氮。

氬提取采用全精餾無氫制氬的最新技術［2］。從上塔中部的適當位置引出氬餾份，并送入粗氬塔Ⅰ進行精餾，降低氧含量;粗氬塔Ⅰ的回流液是由粗氬塔Ⅱ底部引出的并經液氬泵加壓的液態粗氬。從粗氬塔Ⅰ頂部引出的氣體進入粗氬塔Ⅱ并在其中進行深度氬氧分離，經過粗氬塔Ⅱ的精餾，在粗氬塔Ⅱ的頂部產生含氧量≤2ppm的粗氬氣。粗氬塔Ⅱ的頂部裝有冷凝蒸發器，從過冷器后引出的液空經節流后送入其中作為冷源，絕大部分的粗氬氣經冷凝蒸發器后作為粗氬塔Ⅱ的回流液;其余部分由粗氬塔Ⅱ頂部引出并送入精氬塔［5］。精氬塔的底部裝有1臺蒸發器，從下塔頂部引出的中壓氮氣做熱源使液氬蒸發，同時氮氣被液化。在精氬塔的頂部裝有冷凝器，從過冷器后引出的部分液空作為冷源，使絕大部分上升氣體被冷凝成液體，作為精氬塔的回流液，經過精氬塔的精餾，在精氬塔的底部得到純度為99.999%Ar的精液氬，即產品液氬。

從冷箱出來的液氧、液氮、液氬經真空絕熱管道分別輸入低溫儲槽。其中液氮和液氬采用自增壓技術對外來槽車進行充灌。而液氧則是通過液氧泵向槽車充灌。

圖1 5#制氧機工藝過程

2.1 部分內壓縮流程的應用

氧氣的部分內壓縮流程是本套裝置的工藝特色，從液氧蒸發器中引出部分液氧，經液氧泵增壓至1.0MPa.G后，進入板式主換熱器與正流空氣換熱汽化，得到流量為7000m3/h、壓力為1.0MPa.G的氧氣從冷箱送出，作為中壓氧供用戶。液氧泵為一用一備，泵后設計有自動調壓裝置，可根據中壓氧的需求變化來調節液氧的流量，并實現中壓氧產量與液氧產量的相互轉變。相對于同樣壓力等級的外壓縮流程，電能消耗僅為約十分之一，并減少大量的備件消耗及日常檢修費用。此外，由于折合成氣態有7000m3/h的液氧從主冷取出汽化，遠遠大于1%的主冷液氧安全排放要求，使得主冷的運行更加安全可靠。

2.2 冷、熱端增壓透平膨脹機的巧妙設計和運行特點

5#制氧機的設計產液能力較大，分別為:液氧4500m3/h(氣態)，液氬 1120m3/h(氣態)，液氮500m3/h。需要制取和提供大量的冷量，冷量制取系統主要由熱端增壓透平膨脹機、冷端增壓透平膨脹機，1臺增壓機后冷卻器，2臺供油裝置組成。其中熱端增壓透平膨脹機為川空生產，冷端膨脹機為進口ATLAS，2臺膨脹機同時運行，當1臺膨脹機聯鎖停機后，空分裝置可以減少液體產量的情況下維持氧氣的生產，同時巧妙考慮了熱端膨脹機進氣溫度較高，利用了空氣高溫高焓降的原理，使膨脹機的制冷效率得到充分發揮。

3 氬系統“氮塞”分析及處理

氬在上塔的分布并不是固定不變的。它隨著氬餾份抽出量的多少、上塔各進出料口位置的高低和進出料量的大小，以及產品氧、氮的產量和純度等因素而變化。當主塔的排氮純度下降，含氧量增多時，或主塔的排氧產量減少，氧純度升高時，氬的集聚區上移，結果將導致抽出的氬餾份中的含氧量升高，含氬量降低。氬餾份組份的變化造成粗氬塔內阻力增加。

當氬的集聚區域向下移動時，則會使氬餾分中的含氮量增加，造成粗氬塔冷凝蒸發器溫差減少，塔內上升蒸汽量減少，粗氬塔壓力下降，導致粗氬塔出現氮塞，使氬系統無法工作。因此，氬餾分組份的穩定，是粗氬塔工況穩定的先決條件。要保證氬餾分的穩定，首先要求主塔工況穩定，在帶氬空分設備的操作中，氧、氮產品閥的開、關是控制氬餾分的主要手段。

圖2 氣相組份體積百分數

3.1 “氮塞”發生時的一般性特征

產生“氮塞”時的一般特征如下:

(1)主塔氬餾分抽口溫度下降，氬餾分中氮的含量急劇上升，導致粗氬Ⅱ塔冷凝蒸發器換熱溫差減小，不凝性氣體在冷凝側積聚，管路堵塞流通能力下降。

(2)粗氬塔填料層回流液體大幅減少，精餾回流比降低，不能形成均勻的換熱膜層，塔板阻力明顯下降，粗氬塔脫氧過程無法進行。

(3)粗氬Ⅰ塔進粗氬Ⅱ塔流量下降，粗氬Ⅱ塔進精氬塔流量同步下降，進精氬塔中的餾分比例發生改變，以氮為主的不凝性氣體增多，精氬塔中部壓力上升。

3.2 造成“氮塞”的原因分析

造成“氮塞”的原因［6］可以分為如下幾種:

(1)產品氧氣用量或者波動較大。由于用戶用氣量較大，造成上塔氬的富集區下移，使得抽出的氬餾分較高，從而引起氮塞。

(2)分子篩的切換。5#制氧機的2臺分子篩每4h左右會切換1次，這時會導致進下塔空氣量的波動，從而造成下塔壓力的波動，最終會影響氬餾分的穩定而引起“氮塞”。

(3)粗氬Ⅱ塔底部液位波動過大。如果粗氬Ⅱ塔底部液位波動過大就會使得粗氬Ⅱ塔通過氬泵打回上塔的回流液波動較大，使得上塔回流比失衡，最終引起“氮塞”。

3.3 處理“氮塞”的方法

處理“氮塞”分為兩種，一種是輕微“氮塞”，一種是嚴重“氮塞”。

輕微“氮塞”的現象:輕微“氮塞”時氬餾分急劇上升、上塔抽口溫度下降、粗氬Ⅰ塔進粗氬Ⅱ塔流量有所下降，輕微“氮塞”不及時調整就會造成嚴重“氮塞”。

輕微“氮塞”的處理:適當提高下塔壓力，并減小上塔氧氣取出量，同時開大上塔液氮去儲槽閥，打開粗氬塔冷凝器底部不凝性氣體排放閥(HC751)，及時采取以上幾個措施，輕微氮塞一般會在1h左右得到解決。

圖3 氬系統工藝流程簡圖

嚴重“氮塞”的現象:氬餾分急劇上升甚至超出儀表量程、上塔抽口溫度急劇下降、粗氬Ⅰ塔去粗氬Ⅱ塔流量大幅下降、粗氬Ⅰ塔和粗氬Ⅱ塔阻力明顯下降、粗氬Ⅱ塔去精氬塔流量明顯下降。

嚴重“氮塞”的處理:關閉精氬塔底部計量罐進液氬儲槽閥門，同時也關閉液氬儲槽進口閥，打開粗氬Ⅱ塔冷凝器底部不凝性氣體排放閥，適當提高下塔壓力，減小上塔氧氣取出量，開大液氮去儲槽閥，關液氮小去上塔閥，待工況穩定后，確認化驗數據合格，開始往儲槽進液。及時采取以上幾個措施，嚴重“氮塞”一般會在3h左右得到解決。

如果“氮塞”到粗氬Ⅱ塔冷凝器已經基本不換熱工作的情況下，則直接斷精氬塔，待粗氬塔工況恢復了之后再投精氬塔，精氬塔出液后必須經過化驗合格才能進儲槽，以免污染儲槽。

4 結論

通過對5#制氧機工藝介紹，以及出現“氮塞”后故障處理方法的歸納總結，為日后5#制氧機的正常運行及異常情況的處理提供了參考。

［1］蔡學文，夏小將，白林林，等.制氧車間培訓教材［Z］.貴溪:貴冶教培科，2008.

［2］毛紹融，朱朔元，周智勇.現代空分設備技術與操作原理［M］.杭州:杭州出版社，2005:255-257.

［3］李化冶.制氧技術［M］.北京:冶金工業出版社，1997.

［4］湯學忠，顧福民.新編制氧工問答［M］.北京:冶金工業出版社，2006:160-161.

［5］高顯杰，陳智浩.空分設備制氬系統優化操作的理論依據和經驗［J］.深冷技術，2005(4):22-24.

［6］何玉君.35000m3/h空分設備粗氬塔氮塞的原因及處理［J］.深冷技術，2006(2):52-54.