淺談節能型液體空分設備的配置及投運

林定標

(浙江海天氣體有限公司，浙江 臨海 東方大道391號　317000)

1　問題的提出

浙江海天氣體有限公司的前身是臨海市空氣分離氣體有限公司，建于1988年，經過19年的發展，從一套50 m3/h空分設備發展到2006年已具有5套350 m3/h和1套550 m3/h空分設備、3套外液化設備、31輛液體槽車、21只低溫液體貯罐的專業氣體公司。我公司的設備都是國內著名空分設備制造廠的名牌產品，根據多年實踐經驗，通過對這些先進設備作不斷的挖潛改造，我們將350 m3/h空分設備的產氧量提高到了600 m3/h，將550 m3/h空分設備的產氧量提高到了750 m3/h，單位氧能耗不斷降低。

隨著國民經濟的不斷發展，液氧、液氮市場需求量日益增長，2006年公司決定再新建一套相當于3 000 m3/h氧、氮同時液化的液體空分設備，我們走訪了全國各家空分設備制造廠，但現有產品中都沒有我們認為理想的節能型流程。通過與各家空分制造廠洽談，最終選定一家空分設備廠愿意接受我們設想的節能型液體空分設備的設計、制造。要想液體空分能耗降下來的關鍵是要有足夠的制冷量，能把放空的氣氮轉為液體，同時利用充足的液氮冷能，改善精餾塔的氣液比，增加上塔的回流液，降低上塔污氮氣的含氧量，來提高氧的提取率，從而達到節能的目的。

2　新型KDON-3380Y/4180Y型液體空分設備流程

本裝置為分子篩凈化空氣、帶高低溫增壓膨脹機及低溫預冷器、污氮中壓循環流程。工藝流程圖見圖1。簡述如下：

1.原料空氣在空氣過濾器中去除灰塵和機械雜質后，進入空氣透平壓縮機，壓縮到～1.1 MPa后，進入空冷塔預冷，再進入兩只相互切換使用的分子篩吸附筒，吸附掉空氣中的H2O、CO2、C2H2等雜質。

2.凈化后的加工空氣進入中壓主換熱器，冷卻到一定溫度時，進入低溫冷凍機溫度降至-38℃后又返回中壓主換熱器，在其中被冷卻至飽和后進入下塔參與精餾。另外，根據工況需要，可抽取一部分凈化空氣進入氧換熱器與出塔的產品氧氣進行換熱，被冷卻至飽和后匯入空氣進下塔總流路。

3.空氣經下塔初步精餾后，在下塔獲得液空和純氮氣。從下塔底部抽取液空經液空過冷器過冷后，節流進入上塔上部作為回流液。從下塔上部抽取污液氮經液氧液氮污液氮過冷器過冷后節流進入上塔上部作為回流液。從下塔頂部抽出的純氮氣，進入冷凝蒸發器，與上塔的液氧換熱，液氧氣化，同時氮氣被冷凝。冷凝后的液氮大部分回到下塔頂部作為回流液；小部分依次經液氧液氮污液氮過冷器進行過冷，作為產品去液氮貯槽。另外，出液氮過冷器后的液氮，抽取兩路，一路作為冷流回到液氮過冷器，過冷液氮；另一路作為冷流進入液氧過冷器，過冷液氧。兩路氮氣出過冷器后匯入來自C膨脹機的污氮流路。

1.A循環機；2.B循環機；3.A透平膨脹機；4.D透平膨脹機；5.B透平膨脹機；6.C透平膨脹機；7.主換熱器；8.A低溫預冷器；9.下塔；10.上塔；11、12、13、14、15.過冷器；16.氧換熱器；17.廢氣換熱器；18.B低溫預冷器；19.預冷器；20.液化換熱器

1)經上塔進一步精餾后，在上塔底部獲得產品液氧，依次經液氧液氮污液氮過冷器、液氧過冷器過冷后，作為產品去液氧貯槽。另外，根據工況需要，可從上塔底部上升的氧氣流中抽取部分純氧氣，經氧氣換熱器復熱，得到產品氧氣。

2)從上塔頂部抽取的低壓污氮氣經液空過冷器分別進入B、C低溫膨脹機，膨脹制冷。B膨脹機膨脹后的污氮氣經液氧液氮污液氮過冷器，由中壓主換熱器復熱出冷箱后分成兩路：一路經A循環壓縮機壓縮至1.15 MPa，冷卻后進入A高溫膨脹機增壓機，壓縮至～1.73 MPa并冷卻后進入中壓主換熱器，冷卻到一定溫度時，進入低溫冷凍機冷卻到-38℃后又返回中壓主換熱器，被冷卻到-108.5℃后，大部分進入A高溫膨脹機膨脹，經液氮污液氮過冷器，與來自B膨脹機的污氮氣匯集，構成一循環流路，為液體空分設備提供冷量，而另一部分污氮在出中壓主換熱器后繼續進入液氮污液氮過冷器液化，至過冷狀態經節流后進入上塔塔頂作為回流液；另一路污氮氣進入廢氣增壓冷卻器及B低溫膨脹機增壓機增壓并冷卻，由三通閥控制經廢氣增壓冷卻器降溫后直接進入分子篩吸附筒，或經回熱器、電加熱器作為分子篩的再生氣體。C膨脹機膨脹后的污氮氣經液氧液氮污液氮過冷器，由中壓主換熱器復熱后出冷箱，經C低溫膨脹機增壓機增壓，進入水冷塔作為冷氣源。

3)從A循環壓縮機前導出和補充部分污氮氣進入B循環壓縮機，B循環縮壓機將污氮壓縮到1.2 MPa冷卻后進入D高溫膨脹機增壓機，壓縮至～1.7 MPa并冷卻后進入預冷機，冷卻后進入液化冷箱中的液化換熱器，其中大部分進入D高溫膨脹機膨脹，在液化換熱器復熱后回到循環壓縮機進口，為液體空分設備提供冷量。而另一部分污氮在出液化換熱器后，經節流后進入上塔塔頂，作為回流液。

從圖1可以看出，該套空分設備采用的是返流膨脹流程，并將傳統的空分流程與液化流程有機地結合在一起，舍棄了傳統液化設備液化氧氣時需配備的氧壓機，減少了投資、降低了能耗。

3　裝置優點

該套空分設備流程，是筆者結合自身在空分行業多年的運行經驗，經過多次的交流和溝通，最終與空分設備制造廠合作完成流程的組織。相比同等規模的其他設備，該套設備具有如下優點。

3.1　能耗低

流程中設置一回熱器，讓來自空分塔的再生污氮回收空壓機壓縮后空氣的熱量，將污氮加熱至將近100℃，再配以二級電加熱器，調整好加熱時間，即可節約近2/3的電耗，在切換時間內達到最優的節能效果。

實際運行中，整套裝置的裝機容量為6 100 kW，實際氧氮液體平均能耗僅為1.15 kW/Nm3，比1.20 kW/Nm3的設計能耗要低。

3.2　工期短

該設備分餾塔采用工廠分段組裝、分體運輸，并在出廠前完成試壓、焊縫檢驗等工作。整個分餾塔分為三塊：主冷箱、副冷箱和液化冷箱，各冷箱內塔器、換熱器等均已安裝就位，管道連接完畢，到達施工現場后，由大型吊車完成冷箱的拼裝。冷箱就位、連接完畢后即進行各冷箱之間的管道連接、精餾塔垂直度校正等工作。此過程保證了分餾塔的安裝質量，同時也大大縮短了施工周期。

3.3　工況多

為隨時適應市場變化，該流程靈活地設置了多種工況。設備主配一套循環氮氣壓縮機，外配一套外液化裝置，便于變工況運行。裝置主要性能指標見表1。

表1　裝置的主要性能指標Table 1　Main performance indicators of liquid ASU

注：設計工況為補充一臺ZH15000-6型循環氮氣離心機與一臺預冷器的性能指標。

4　試運轉發現的問題及改進

盡管我們采用了先進的設備和控制系統，但調試階段還是發現了很多問題，經過不斷的摸索和實踐，問題一個個地得到了解決。到目前為止，該套設備已正常運行了三個月。試運轉發現的主要問題及改進列述如下：

1．該設備所配套的循環氮氣離心機的放空回流閥采用的是電動蝶閥，由于該閥動作不靈敏，操作難度大，容易引起離心機喘振而跳機。因此，我們在離心機出口管道上另安裝一條回流管道，設置氣動蝶閥，在啟動時先全開此閥，保證離心機進口壓力穩定，使其自身氣流形成一個循環，不讓原裝的電動蝶閥動作，先讓機器穩定地運行起來，而后緩慢打開出口總閥，配合膨脹機的調節，逐步形成系統的循環，最后緩慢關小氣動蝶閥至全關，完成離心機的啟動。建議今后配套的循環離心機回流閥采用氣動蝶閥，以確保閥門調節的靈活性，進一步提高設備的穩定性。

2．膨脹機緊急切斷閥應采用可調氣動薄膜調節切斷閥，在膨脹機啟動前緩慢開啟，可降低打開緊急切斷閥時氣流對膨脹機的沖擊，減少氣流的波動，同時可在膨脹機可調噴嘴出現故障時作為臨時的調節裝置使用。

3．空分殘液排放管在冷箱內匯合，再引去廢液池。在試運行時發現廢液池有液體漏出，卻無法判斷哪些廢液排放閥漏液，只能扒塔檢漏。因此，筆者建議塔內殘液排放管應單獨引出冷箱，再匯合至總管去廢液池，各殘液排放閥應裝在冷箱外，當其中某個閥門漏液時，可及時發現、及時檢修。

4．空冷塔使用的填料為多面球，在生產、運輸、裝填等過程中，因自身質量問題或擠壓等原因，難免會造成損壞，裝填后導致空冷塔內阻力大，流體情況復雜。當塔內阻力達到一定值時，冷卻水積留在空冷塔上部，不能及時回到塔底。當塔底水位低于報警水位時，控制系統將不斷加大對空冷塔的補水量，最后導致大量的游離水被空氣帶出空冷塔，進入純化系統，若不能及時發現將帶來嚴重后果。根據設備廠建議，在銷售淡季將改裝規整填料，以避免事故的發生。

5　實際運轉數據及操作要點

該套空分設備土建施工于2007年2月開始，基礎施工一個半月即全部完成。分餾塔于2月開始工廠組裝，并于4月中旬完成，4月18日運抵現場，一天時間即完成就位。全套設備于2007年6月中旬完成安裝，歷經2個月。經過半個月的吹掃、試壓、裸冷與調試，于7月2日出氧成功。整套設備啟動，只需4h即可出液氧，6h時即可出液氮，純度達標。

經過不斷的工況調整，我們總結出一套完整的調試方案，目前已連續正常運行3個月，各項指標均已達標，特別是液氧產量超過10%。目前運行得到的實際參數與設計指標比較如表2所列。

調試中，為了充分地提高氧氣提取率，在確保污液氮含氧量控制在1%(設計點)的前提下，盡可能開大污液氮送上塔閥，增加上塔回流液，提高回流比，根據液氧純度(控制在99.6%～99.7%)，盡量關小下塔產品液氮送出閥，確保上塔有足夠的回流液和冷量。通過對污液氮送上塔閥和產品液氮送出閥的調節，將污氮氣含氧量控制在0.1%～0.5%。如此調整控制，大大提高了氧提取率。目前，國內液體空分設備的污氮含氧量一般為1%～3%。

表2　空分設備設計與實際參數比較Table 2　Comparison of design and actual parameters of liquid ASU

正常運行過程中，要讓所有設備盡量運行在最佳狀態。對于低溫預冷器，控制氟利昂的進口壓力在0.1 MPa(A)左右，盡量降低其蒸發溫度，使原料空氣和循環污氮氣出蒸發器后的溫度降至-38～-39℃，提高機器的工作效率。對于返流膨脹機，全關膨脹機進口前的旁通閥，使兩臺返流膨脹機滿負荷運行，充分發揮其作用，為裝置提供盡可能多的冷量。

6　結　論

KDON-3380Y/4180Y型液體空分設備設計先進、設備投資省、建設周期短、操作簡單方便，工況靈活多變、節能效果顯著，對氣體市場有著很強的適應能力。運行的效益，使我們更加認識到，起初我們對新上液體空分設備的配置要求是正確的。作為專業氣體企業，配置新空分設備，必須根據實踐經驗，有創新的思路，同時要按空分原理，用理論指導實踐，不斷探索運行規律，才能實現新上項目又好、又快、又省，有利于提高企業競爭力。該套空分設備非常適合企業對外投資，現場制氣制液，在國內空分行業將有很好的發展前景。