萬立制氧機組增加氮氣產(chǎn)量實踐

于久明，楊宗翰，馮志超

（鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司,遼寧 朝陽 122000）

鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司能源動力廠制氧作業(yè)區(qū)配置3臺萬立制氧機，于2008年由鞍鋼集團氧氣分廠移地改造，2010年10月投產(chǎn)，滿足200萬t鋼產(chǎn)能的需要（含富氧3%）。隨著企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的發(fā)展，生產(chǎn)運行對產(chǎn)品氮氣的需求逐漸趨于穩(wěn)定，從試生產(chǎn)發(fā)展到達產(chǎn)、達效，至2012年鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司2臺制氧機生產(chǎn)氧氣用量基本維持在運行狀態(tài)，而氮氣用量增大至正常生產(chǎn)水平時，需3臺制氧機組全部運轉(zhuǎn)。因此，挖掘工藝環(huán)節(jié)潛力，減少氮氣消耗，增加制氧機組氮氣產(chǎn)量，才能實現(xiàn)節(jié)能降耗、滿足公司生產(chǎn)的需要。

1 10000m3/h制氧機組的現(xiàn)狀

鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司能源動力廠制氧作業(yè)區(qū)現(xiàn)有3套制氧機組，設(shè)備型號分別為KDONAr-11000/11000/320、KDONAr-11000/11000/320、KDON-10000/10000，其中1#和2#制氧機組為分子篩流程，由四川空分設(shè)備有限公司制造；3#制氧機組為板式切換流程，由杭州杭氧股份有限公司制造，具體設(shè)備產(chǎn)能及平衡表見表1。

表1 設(shè)備產(chǎn)能及平衡表（m3·h-1）

從表1可以看出，在鋼產(chǎn)量200萬t情況下，需要3套制氧機組運行滿足公司生產(chǎn)用氧、氮、氬的需要,其中1#制氧機組配備的原料空壓機型號為DH80-21型、功率為54 00 kW，沈陽鼓風(fēng)機廠制造；2#制氧機組配備的原料空壓機型號為VC11-04型、功率為5900kW，日本神戶制造；3#制氧機組配備的原料空壓機型號為DH80型、功率為54 00 kW，沈陽鼓風(fēng)機廠制造；而如果僅啟動1#、2#兩套制氧機組運行，則氧氣、氬氣均可滿足需求，而氮氣量存在缺口，實際按照分子篩流程進行計算，氧、氮產(chǎn)量比可達1∶2.5，造成實際送出產(chǎn)量不足的原因是1#和2#制氧機組產(chǎn)品氮氣一路送入氮壓機提壓，輸送給用戶，而另一路產(chǎn)品氮氣需與污氮共同進入水冷塔，降低冷卻水溫度，以使空氣進入分子篩的空氣溫度≤15.5℃，利于分子篩吸附空氣中的二氧化碳、乙炔、碳氫化合物，水份等，確保空分塔精餾的安全性。

2 制氧機組增加氮氣產(chǎn)量可行性分析

雖然在全國其他鋼鐵企業(yè)中，提高氮氣產(chǎn)量的方法已有先例，但是，鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司能源動力廠要進行改造仍需結(jié)合自身生產(chǎn)實際情況。

依據(jù)公司生產(chǎn)用能的需要，考慮到降低成本、達到節(jié)能、降耗的目的，啟動二套制氧機組氮氣不夠，就要通過對空氣預(yù)冷系統(tǒng)改造，將此環(huán)節(jié)中的氮氣替換出來，用于外送。而冷卻常溫水的原料氣來自空分的部分污氮氣體，其流量為12 000 m3/h、壓力為16.5 kPa（其余污氮應(yīng)用于分子篩再生和冷箱充氣)和部分產(chǎn)品氮氣，其流量為11 000 m3/h、壓力為16.8 kPa。空氣預(yù)冷系統(tǒng)簡易流程圖見圖1所示。

圖1中空分產(chǎn)品氮氣與污氮主要作為冷卻常溫水的原料氣，使來水溫度降低到≤15.5℃。如果把這部分氮氣替換出來，就會影響水溫的變化，導(dǎo)致空氣進入分子篩溫度升高，尤其在夏季環(huán)境溫度偏高時，這種現(xiàn)象更為嚴(yán)重，使分子篩吸附效果降低，不利于空分塔精餾的安全性。

分子篩流程中，空氣自空壓機Φ630 mm×6 mm管道進入空冷塔AT1101，先同常溫水進行換熱冷卻，由外部供水，經(jīng)常溫泵1#環(huán)水泵（2#環(huán)水泵）提壓，流量為125 m3/h，經(jīng)過塔內(nèi)的氣液逆流接觸換熱，空氣為減濕降溫過程，傳熱方向均由空氣傳給水；冷卻后再經(jīng)過低溫泵1#冷水泵（2#冷水泵），流量為30 m3/h，進行二次冷卻，而水的出塔溫度將可能高于進塔空氣露點，塔底的傳質(zhì)是由水傳給空氣，而塔頂?shù)膫髻|(zhì)是由空氣傳給水，故在全塔內(nèi)傳質(zhì)方向是不同的。在改變傳質(zhì)方向的塔截面處，水溫將等于空氣露點,空氣溫度降低≤15.5℃，送入分子篩純化系統(tǒng)進行凈化，而僅通過常溫水無法冷卻至此溫度。空氣進入空冷塔要增加水冷塔，使用氮氣及污氮將常溫水冷卻為低溫水，對水冷塔而言，當(dāng)未飽和的冷污氮從塔底進入，與塔頂加入的熱水逆流接觸時，污氮在塔內(nèi)被加熱增濕，水在塔內(nèi)被冷卻。在塔頂，污氮被加熱的極限是進塔水表面的飽和濕污氮狀態(tài)。實際上，由于存在傳遞阻力，污氮出塔溫度將低于進塔水溫，故進塔水的溫度與其表面上的飽和濕度必然大于出塔污氮的溫度和濕度。于是塔頂?shù)膫鳠岷蛡髻|(zhì)都是從水傳給污氮。在塔底，水被冷卻的極限是污氮進塔狀態(tài)下的濕球溫度，而實際出塔水溫要高于濕球溫度。但因進塔污氮是未飽和的，濕球溫度低于污氮溫度，故出塔水溫將有可能低于進塔污氮溫度。在此情況下，塔底的傳熱由污氮傳給水，而傳質(zhì)仍然是水傳給污氮。從而可知在全塔內(nèi)，傳質(zhì)方向都是由水傳給污氮，故污氮在塔內(nèi)是增濕過程；而傳熱方向是不同的，在塔內(nèi)某一截面處改變傳熱方向，此處的污氮溫度等于水溫，但在全塔內(nèi)仍是冷卻過程。這樣產(chǎn)生低溫水，再使用低溫水冷卻空冷塔空氣，使之達到工藝要求。

綜合分析論證，如果分離出這部分氮氣，最有效的方法就是考慮增設(shè)水冷機組冷卻經(jīng)污氮冷卻的低溫水，使之達到設(shè)計要求。經(jīng)論證分析，該方案具備實施可行性，因此還需結(jié)合鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司實際生產(chǎn)參數(shù)，經(jīng)計算進行進一步論證。

3 方案計算

3.1 空氣預(yù)冷系統(tǒng)參數(shù)

空氣預(yù)冷系統(tǒng)參數(shù)見表2所示。

表2 空氣預(yù)冷系統(tǒng)參數(shù)

3.2 熱力計算

（1）冷凝熱計算

干空氣質(zhì)量流量為：

式中，G1為加工空氣量，G1=59 000 m3/h。

冷凝水量為：

式中，△H為出水冷塔下段空氣與出空冷塔空氣含濕量差值，△H=0.011 kgH2O/kg

冷凝熱為：

式中，γ0為水汽化潛熱，γ0=2 498.3 kJ/kgH2O。

上段空氣顯熱計算如下：

顯熱即空冷塔中水直接換熱帶走的熱量。

上段濕空氣的平均溫度為：

式中，t2a為空氣出空冷塔下段的溫度，℃，t2a=t7+1.5=30.5℃，t7為冷卻水上水溫度，為29℃；t3為空冷塔出口溫度，t3=15.5℃。

濕空氣比熱為：

式中，H為tas溫度下空氣含濕量，H=0.015 kgH2O/kg

空氣出空冷塔下段的溫度為：

顯熱為：

熱負荷（空冷塔上段總熱量）為：

（2）水冷機組測算

上段水溫升為：

即冷凍水進空冷塔水溫為:

式中，t15為空冷塔中段冷凝水回水溫度，為23℃；c為水的比熱容，c=4.2 kJ/（kg·℃）；m為冷凍水進空冷塔水量的質(zhì)量，m=30 000 kg。

因此，為滿足空冷塔內(nèi)空氣溫降，水冷塔中水將由29℃降至13.7℃釋放熱量。

在不使用水冷機組情況下，

式中，Qw與空冷塔上段空氣顯熱在將去水冷塔氮氣分離出之后，水冷塔再生氣量降至12 000 m3/h，則：

式中，G4為水冷塔氮氣、污氮總量，為23 000 m3/h。

水出水冷塔溫度為：

因此，需要水冷機組將溫度降至13.7℃，水冷機組制冷量至少為921 991 kJ，即需要256.1 kW的水冷機組。

鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司通過實施改造，經(jīng)污氮冷卻的低溫水在經(jīng)過水冷機組冷卻后能夠達到工藝需求；低溫水在空冷塔充分熱交換，最終使空氣進入分子篩溫度≤15.5℃，確保了生產(chǎn)工藝的需要。

4 制氧機組增加氮氣產(chǎn)量的措施及效益

4.1 增氮措施

通過對空氣預(yù)冷系統(tǒng)替換氮氣分析確定，該方案滿足公司生產(chǎn)氮氣供給。結(jié)合水冷塔本身的流程，綜合考慮決定，在1#和2#制氧機組空氣預(yù)冷系統(tǒng)的1#冷水泵、2#冷水泵出口管道增設(shè)水冷機組，確保水冷塔水溫進入空冷塔達到≤15.5℃，改造后空氣預(yù)冷系統(tǒng)流程示意圖見圖2。圖2中虛線框為新增水冷機組。經(jīng)過夏季實際檢驗，完全滿足工藝環(huán)節(jié)的需要，從而使氮氣全部替換出來，因此啟動二套制氧機組可滿足公司生產(chǎn)用能的需要。

每臺制氧機組氮氣設(shè)計壓力為16.8 kPa，流量為11 000 m3/h，將去水冷塔的氮氣分離出來，氮氣產(chǎn)量達到22 000 m3/h。由于氮氣產(chǎn)量增加，產(chǎn)品氮氣并網(wǎng)管道閥門由原來的DN250閥門改為DN400閥門,使增加的氮氣產(chǎn)量全部送入管網(wǎng)，并利用產(chǎn)品壓縮機提壓將氮氣輸送給用戶。

空氣預(yù)冷系統(tǒng)替換氮氣改造前與改造后產(chǎn)能對比見表3所示。

表3 改造前與改造后產(chǎn)能對比表（m3·h-1）

由表3可知，改造后制氧機組氮氣產(chǎn)能增加，不僅達到了節(jié)能的目的，又滿足了公司生產(chǎn)氮氣用能的需要，空分工況精餾穩(wěn)定、參數(shù)正常。

由于氮氣從空氣預(yù)冷系統(tǒng)中分離出，可以靈活調(diào)整制氧機的運行，在高爐生產(chǎn)不富氧的情況下，可以開1臺制氧機組；高爐富氧時啟動2臺制氧機，均少開1套制氧機組。

4.2 效益計算

（1）投資

以30日內(nèi)死亡率為評價終點，參考趙偉英所著研究報告，以NEWS評分結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)，對比兩種評分法在危重癥預(yù)測上的一致性[3]。

水冷機組需80萬元，氮氣送出旁通閥需5萬元，合計費用為85萬元。

（2）效益

為了滿足鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司生產(chǎn)要求，單臺制氧機組運轉(zhuǎn)時，日耗電量為30萬kWh；2臺制氧機組運轉(zhuǎn)時，日耗電量為50萬kWh；3臺制氧機組運轉(zhuǎn)時，日耗電量為65萬kWh。

高爐未富氧時需要單臺制氧機組運轉(zhuǎn)，日節(jié)電量為50-30=20萬kWh，電價為0.653元/kWh，日節(jié)約13萬元。

高爐富氧時，2臺制氧機組運轉(zhuǎn)可滿足鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司生產(chǎn)要求，日節(jié)約電量為65-50=15萬kWh，日節(jié)約 10萬元。

按2012年公司實際生產(chǎn)情況，第一季度高爐未采用富氧，合計90天，二季度開始采用高爐富氧，合計270天。

年效益為：

年純利潤為：

5 結(jié)語

鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司能源動力廠依靠技術(shù)進步，挖掘設(shè)備的自身潛力，發(fā)揮設(shè)備整體優(yōu)勢，通過新增水冷機組技術(shù)改造，提高制氧機氮氣產(chǎn)量技術(shù)上可行，通過水冷機組將水冷塔用氮氣替換出來并外送，能夠大幅提高設(shè)備效率、提高產(chǎn)品產(chǎn)能；在經(jīng)濟性上投資小、收益大，年純利潤達3 785萬元，為同類制氧機提供借鑒。