邯鋼16300Nm³/h空分設備氮氣增產改造

劉明明 陳利斌 賀鵬

摘 要：本文介紹了邯鋼16300Nm3/h空分設備為實現氮氣產量增加進行改造的改造方案、改造設計、具體實施過程以及質量驗證，為今后16000Nm3/h等級空分同類型技術改造提供一定的借鑒和指導作用。

關鍵詞：空分設備；改造；氮氣增產；高純氧

1 增產改造背景

邯鋼氣體廠16300 Nm3/h空分設備是杭氧設計、制造的第一套國產16300 Nm3/h等級空分設備，于2000年元月份建成并成功投產，由于當時鋼鐵企業氮氣用量較小，因此在設計時采用氮氣和氧氣比為1：1的設計思路。隨著鋼鐵企業的發展升級，鋼鐵企業對氮氣需求量不斷增加。氮氣使用量逐漸加大，已經超過了原有空分設備的氮氣生產能力，氮氣和氧氣產品比由原來的不到1：1增加到接近2：1的比例，在生產組織上為保證氮氣需求，需要再運行一套空分設備，這樣雖然滿足了氮氣需求，但氧氣會大量放散，顯然不是一個最好的生產組織方案。因此，邯鋼氣體廠提出16300 Nm3/h空分設備氮氣增產改造的技術創新項目，目標的是既保證氮氣供應，又避免氧氣放散，要滿足氧氣供應的情況下可以更好地進行生匹配，從而建立一種保障性更強、組織性更加靈活的生產組織模式。

2 改造方案

2.1 項目實施前后的主要技術性能與數據

邯鋼氣體廠原有16300 Nm3/h空分設備性能參數見表一，氮氣增產技術改進后的空分設備性能參數見表二。

2.2 技術改造設計

2.2.1改造設計思路

1）要求增加低壓氮氣的產量并利用原有的空壓機、氧壓機、分子篩純化系統、空冷塔、主換熱器、下塔以及主冷等設備；

2）為達到氮氣產量增加的目的，需對上塔進行改造，并增加冷水機組一套；

3）冷箱利用原有主冷箱板，但需針對改造后的上塔進行相應的改造；

4）新增加設備配套提供一次儀表、變送器、閥門等儀表設備，其余設備利用原有的一次儀表、變送器、閥門；

5）針對高純氧塔進行改造，由原來的篩板塔改為填料塔，并優化管路，提高高純氧產量。

2.3 技術改造說明

2.3.1空冷系統

因為工藝上需增加冷水機組，需對冷凍水泵后管道去空冷塔水管進行改造，以便冷水機組的安裝和運行。原污氮氣進水冷塔閥V1209改為氮氣進水冷塔調節閥，作為啟車時氮氣防空消聲器用，同時在正常氮氣調峰時回收冷量。

原有的3臺冷凍水泵采取開2備1方式運行。原水冷塔底部供水管路由DN100改為DN200。

2.3.2純化系統

因為純氮氣和污氮氣的流路發生變化，改造后的污氮氣全部進入分子篩再生用。相應的管道需進行改造，以便裝置的正常使用。出冷箱產品氮氣總管和氮氣產品閥（V104）、氮氣產品放空閥（V105）斷開，進分子篩污氮管從污氮總管斷開，接至原產品氮氣總管上。氮氣產品閥門（V104）、氮氣產品放空閥（V105）、進水冷塔污氮閥（V1209）接至原污氮總管上。并調整相應測點。V1209在閥后斷開，作為產品閥使用。

改造后，原產品氮氣總管走污氮氣，作為污氮氣進分子篩總管；原污氮總管走氮氣，作為產品氮氣總管。原再生氣流量計由孔板更改為威力巴流量計。

2.3.3分餾塔

將最上段部分的輔塔替換掉，直徑從原來的1，503 mm改為2，653mm，高度增加6，000 mm左右；在標高45，000 mm處開始替換。替換后主塔部分的冷箱需增加一層的高度，并增加相應的鋼結構，冷箱內粗氬液化器氮氣出口管和精氬冷凝器氮氣出口管的匯集管從污氮氣出口管斷開，上塔氮氣出口管、上塔污氮氣出口管在標高約44，000 mm處從上塔斷開，然后接至替換后的上塔的污氮氣、氮氣出口位置，再將接至。

改造后，原上塔污氮氣出口管走產品氮氣，作為產品氮氣出口管；原上塔氮氣出口管走污氮氣，作為污氮氣出口管。

原膨脹空氣旁通污氮管線，由連接到原污氮氣管線更改為連接到原氮氣管線。

上塔安全閥由原污氮氣管更改為連接到原氮氣管線上，其位置下移至標高5300mm平臺。

更換高純氧塔，并改造相應管路及支架。取消高純氧塔到主冷的回流管線。保留高純氧塔的下部抽口，碳氫化合物含量升高時有高純氧蒸發器底部抽口直接排放掉。原V602、V603閥改為波紋管調節閥。高純氧蒸發器底部管路出冷箱增加排放管路，增加波紋管手動截止閥。

高純氧蒸發器熱源由壓力氮氣改為進下塔壓力空氣，冷凝后液空回出下塔液空管道。

粗氬冷凝器出口處增加一氣液分離裝置。

粗氬液化器氮氣管線增設一調節閥（DN80）及一壓力控制測點，以利調節。

原上塔，粗氬I、II塔上分析點，已無存在必要，且留在冷箱內存在安全隱患，現場割除，塔上接口用板封堵。

為滿足氮氣用量負荷的變化，新增氮氣產品閥V107（DN600）與原氮氣產品閥V104并聯控制。

原氮氣總管上孔板流量計更改為威力巴流量計。

原氮氣放空閥V105和氮氣放空消聲器利舊。

因冷箱加高，原粗氬液化氣吊架需更改，并同時更改相應管道。

因冷箱加高，頂層密封氣管道需相應上移。

預留原15000空分粗液氬進粗氬II塔入口的管路及冷箱接口。

更換冷箱內鋁質儀表管。

2.3.4膨脹機系統

為降低增壓空氣進冷箱的溫度，從而降低通過板式附加段的污氮氣溫度，以免影響分子篩系統正常運行，原膨脹機增壓端后冷卻器改用從冷凍機過來的冷凍水，水量為33t/h。

2.3.5其他

所有改動后的管道、閥門重新編號，標定。檢查相關的測點、連鎖控制點。

除新增的測點外，改造涉及到的測點變動，根據清單，在DCS卡件上進行接線調換。

3 改造方案實施

3.1 冷箱內施工

3.3.1低溫環境引壓管路更換安裝

1）為防止引壓管路內氣相介質的冷凝，引壓管路敷設時必須至少離開低溫設備或管道500mm以上，若實施有困難，可以在引壓管路外局部扎絕熱材料。

2）為補償引壓管路在低溫下冷縮變形，與設備或管道、閥門剛性連接的引壓管路應具備足夠的伸縮補償能力。

3）對低溫的液位測量，要特別注意液相引壓管的敷設。從取壓點到冷箱壁一次閥門采取整根銅管敷設，中間不留接頭。

4）引壓管路必須用托架或角鋼保護，使其不受外力的影響，并采取綁扎或其他有效的緊固辦法，防止管路不穩定。

5）角鋼或托架不僅在其跨距內應有足夠的強度和剛性，以承受絕熱材料的重量負荷，其結構還必須適應溫度變化所產生的熱脹冷縮影響。

6）全部配管結束后，儀表管應隨工藝管一起進行試壓試驗，仔細檢查引壓管路各個連接處和管路的暢通性，保證管路不漏不堵。

3.3.2變形管道的改造及管架整改

邯鋼氣體廠16300 Nm3/h制氧建造于1998年，距今已有14年歷史，雖有過幾次大加溫但整體運行狀態良好。近年由于鋼廠安排，該套空分僅用作備機，停車、開車較為頻繁，這對空分整體性能影響較大。且14年前的設計理念，無法滿足先進設備的生產運行需要，現借該項目氮氣改造的機會，對冷箱內情況進行了詳細檢查，發現較多問題，為了使本套空分改造后，能保證正常生產運行達到提高氮氣產量等目的，需對變形管道及不合格管架進行整改。

對于嚴重變形管道及彎頭進行更換，不合理的管線進行重新設計。

增加、修改多處支架、托架，以確保冷箱內容器、閥門、管道的支撐合理。

3.3.3堵塞設備膨脹空氣氧氣換熱器、液氮液空過冷器的吹除

空分改造中，我廠技術人員發現上塔污氮管道破裂（破口直接約8公分），又由于本套空分在過去運行時氧氣產量不達標；故對膨脹空氣氧氣換熱器及液空液氮過冷器進行管道開口檢查。

將氧換熱器入口管道割開，發現換熱器內部溝槽有珠光砂，證明換熱器通道內確實有珠光砂存在。對比之前過冷器管道開孔時拍攝的照片，確定過冷器內同樣存在珠光砂。堵塞的設備嚴重影響了氧氮氣產品產量。由于堵塞設備在塔內，更換設備難度大、費用高；且設備制作周期長，嚴重影響改造進度，故為保證空分的正常穩定運行，產品氣體產量達標，我廠決定對兩臺設備經行吹掃。

吹掃氣源為空壓機壓縮后空氣，流量為30000 Nm3/h，吹掃方法為關閉與吹掃設備相通的其他流路的閥門，以分子篩V1250閥門為空氣進口，以換熱器氧通道出口及過冷器V203閥門為兩臺設備的吹除出口。每次吹除為五分鐘，中斷一分鐘，以此持續10次脈沖式吹除。

空分改造完投入運行后，氧氮產品產量均達到設計要求，設備吹除達到預期目的。本次吹除共消耗費用為：臨時管道及材料消耗費用3萬元，空壓機電耗6000元，人工費用2000元，共計3.8萬元。如對設備進行更換需設備及安裝費80萬。以此節省設備更換費用76.2萬元。

4 改造質量驗證和綜合效益

2012年10月12日冷水機調試完畢，達到設計溫度。2012年10月15日0：30分啟動膨脹機進行裸冷，16日8點裸冷結束停空壓機和膨脹機，空氣進下塔溫度TI1：-106℃，主冷溫度-99℃，粗氬塔和高純氧無結霜。2012年10月22日上午開始裝砂，采用氣體送方式進行裝填，11月7日裝砂結束。2012年10月31日0：30分啟動膨脹機； 2012年11月9日16：00分精氬合格。調試結束，氧氣、氮氣、氬氣、高純氧產品合格，達到設計指標。

改造后空分設備調試的性能與數據如下：

4.1 改造后氮氣產量增加對生產的影響

隨著鋼鐵企業的發展升級，鋼鐵企業對氮氣需求量不斷增加。氮氣使用量的加大，已經超過了原有空分設備的氮氣生產能力，氮氣和氧氣產品比由原來的不到1：1增加到接近2：1的比例，在生產組織上為保證氮氣需求，需要再運行一套空分設備，這樣雖然滿足了氮氣需求，但氧氣會大量放散，顯然這種組織方案是不可取的。因此，本次改造后，氮氣產品增加了30000m3/h，單套空分氧氮產品比例達到了3：1，實現了既保證氮氣供應，又避免氧氣放散，要滿足氧氣供應的情況下可以更好地進行生匹配，從而建立一種保障性更強、組織性更加靈活的生產組織模式的目標。

4.2 操作中空分調整彈性變強

本次改造對上塔、粗氬液化器氮氣出口管、精氬冷凝器氮氣出口管等的更改及新增氮氣產品閥V107（DN600）與原氮氣產品閥V104并聯控制，以及對部分設計部合理管路的改造更換，使得空分運行正常操作中的操作彈性大幅度加強，大大降低空分運行中“氮塞”事故的發生，使生產的穩定性得到更好的保證。

4.3 氮氣純度的改變及氧氣提取率的提高

本次改造后，純氮產量大幅度提高，污氮產量降低。純氮氣在純度方面，含氧設計數值由過去的10PPM降低到5PPM，而實際運行中，含氧實際數值在0.1-0.3PPM以內。污氮氣含氧由過去的1%-3%降低為5PPM。氮氣純度的提高，提升了空分氧提取率兩個百分點。

4.4 高純液氧純度及產量的提高

改造前，本套空分設計有高純氧塔，但由于原設計存在一定缺陷，且塔器本體設計偏小，故過去高純氧并為真正提取出來。經過對本次對高純氧系統進行技術改造后，經近期運行狀況看，高純氧純度達到甚至超過了99.9995%，且純度無波動。高純氧產量達到30 Nm3/h，換算了液體約為0.9 Nm3/d，且高純液氧還有很高的繼續提取的空間。從產量和純度方面達到并超越了改造設備初衷。按現今高純液氧每立方3200元的價錢算，年創效100萬元。

參考文獻：

[1] 李化治.制氧技術[M].北京：冶金工業出版社，2007.

[2] 毛紹融，朱朔元等.現代空分設備與操作原理[M].杭州：杭州出版社，2005.

作者簡介：

劉明明（1985-），男，漢族，河北邯鄲人，本科，助理工程師，研究方向：制氧。