空分裝置預冷系統改進及分析

曹寶喜

（中冶南方工程技術有限公司上海分公司，上海 201900）

引言

由于空分設備的進氣溫度過高，會導致能耗增大，空氣中含水量增大，進而導致主熱交換器的熱負荷增高，整個系統設備工作條件惡化[1]。為了降低分子篩吸附器的進氣溫度與含水量，在現代空分設備空壓機的出口端設置空氣預冷系統。從減少投資和運行費用角度考慮，在工藝流程中，常使用富余的氮氣（污氮和部分純氮）進入水冷塔，與水直接接觸，制取冷凍水[2]。在冶金企業中，制氧機的氧氮產量按照用戶的使用量來確定，通常為 1∶1～1.2。隨著市場行情的變化，對工業氣體的需求正不斷發生變化，主要體現在氮氣需求量不斷上升，而氧氣實際使用較計劃減少，氧氮的使用比例已逐步超過 1∶1.2，常導致用戶氮氣平衡緊張。為了保證氮氣的供需平衡，維持整個工廠的氧氮供應，根據目前制氧工藝，可以通過增設冷凍機組置換去水冷塔的純氮氣，增加氮氣產量的同時保證進入空冷塔上部的冷凍水溫度。

筆者對某工廠原有預冷系統的改進，在原有生產工況不變及氧氣產量不變的前提下，大幅度提高產品氮氣的產量，同時滿足標準型冷凍機運行需求。通過分析冷凍水溫度、氮氣流量等參數對工藝流程的影響，為空分設備預冷系統的優化設計、設備選型及運行提供理論基礎。

1 工藝流程改造方案

圖1為改造前的空氣預冷系統流程，來自空壓機的高溫空氣進入空冷塔的下部，首先與常溫冷卻水在空冷塔下段直接接觸，進行初步冷卻；再上升到上段與冷凍水進一步熱交換，最后出空冷塔去分子篩系統[3]。從冷箱出來的氮氣，由下向上穿過水冷卻塔的塔板或填料層。由于氮氣為干燥氣體，相對于當地溫度是不飽和的，在水冷塔中與向下噴淋的水進行熱質交換過程中，有一部分水吸收大量潛熱，蒸發成水蒸汽進入氮氣中，同時使水得到冷卻。由于進入水冷塔的氮氣量已經確定，如果進入水冷塔的冷卻水溫度較高，尤其在夏季時，經過水冷塔預冷后的冷凍水溫度還較高，不能直接進入空分塔，還需進冷凍機進行進一步的冷卻方能滿足后續工況對空氣溫度的需求[4]。

圖1 改造前空氣預冷系統

由于氮氣需求量不斷上升，原進入水冷塔的氮氣將作為產品氮氣輸出。此時由于沒有氮氣作為冷源或氮氣量減少，原進冷凍機的冷凍水從16℃～18℃上升到 33℃，與標準型冷凍機的常規制冷工況（蒸發側進口溫度為12℃，出口為7℃）嚴重偏離，冷凍機已經無法運行，因此原有的預冷系統需進行一定的改進。

圖2為改進預冷系統流程，在預冷系統中需增加效率較高的板式換熱器作為外部換熱器進行輔助換熱，同時設置相關的輔助制冷水循環泵，高位膨脹水箱等。

圖2 改進空氣預冷系統

板式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種高效換熱器。各種板片之間形成薄矩形通道，通過板片進行熱量交換，具有換熱效率高、熱損失小、結構緊湊輕巧、占地面積小、應用廣泛、使用壽命長等特點。在本項目中板式換熱器將來自氮水塔的高溫冷凍水與來自冷凍機的低溫制冷水進行熱交換。

膨脹水箱是收容和補償系統中水的脹縮量，亦用作系統供水。由膨脹水箱容納系統的水膨脹量，可減小系統因水的熱脹冷縮而造成的水壓波動，提高了系統運行的安全、可靠性，當系統由于某種原因漏水或系統降溫時，膨脹水箱水位下降，還為系統補水。膨脹水箱還可以起到穩定系統的壓力和排除水在溫度變化過程中所釋放出來的空氣。一般都將膨脹水箱設在系統的最高點，接在循環水泵吸水口附近的回水干管上，保證水泵有足夠的吸入壓頭，避免汽蝕。

2 物理和數學模型分析

對冷凍機蒸發側分析，冷凍機制冷量：式中，E2——冷凍機制冷量，kW；

QE——蒸發側循環水流量，kg/s；

CPW——水的定壓比熱，kJ/kg·℃；

TE1——制冷水進冷凍機溫度，℃；

TE2——制冷水出冷凍機溫度，℃。

對板式換熱器進行能量守恒分析，忽略板式換熱器與環境之間的換熱，有：

式中，QW——冷凍水流量，kg/s；

TW，2——冷凍水出水冷塔的溫度，即冷凍水進板式換熱器的溫度，℃；

TW，3——冷凍水出板式換熱器溫度，即冷凍水進水冷塔的溫度，℃。

在水冷塔中有：

式中，QN——氮氣流量，m3/s；

ρN——氮氣密度，kg/m3；

TN，1——進水冷塔的溫度，℃；

TN，2——出水冷塔的溫度，℃；

ρv——水蒸汽密度，kg/m3；

γ——水蒸汽汽化潛熱，J/kg。

由于氮氣的顯熱遠小于水蒸汽的蒸發潛熱，因此可以忽略氮氣的顯熱。

根據理想氣體狀態方程可得，在濕飽和氮氣的絕對濕度為：

式中，Ps——蒸汽的飽和壓力，Pa；

Rg，v——蒸汽的氣體常數，J/kg·K。

同時有：

式中，QN0——標準狀態下氮氣流量，m3/s。

聯系（3）、（4）、（5）可得：

（2）+（6）有：

冷凍機能效比：

式中，W——冷凍機的額定輸入功率，kW。

所以可得：

蒸發側循環水量：

循環水泵的總軸功率：

式中，N——軸功率，kW；

H——水泵的揚程，m；

k——富余系數，通常為10%～15%；

η——效率，通常為0.65～0.75。

從以上幾式可以看出所需冷凍機制冷量、電機功率、制冷水流量及循環水泵功率等參數與氮氣量、進水冷塔的冷凍水的溫度成線性關系，隨提氮量增大（進塔氮氣量減少）和進水冷塔的冷凍水的溫度升高而增大。

設計中如果把氮氣全部作為產品輸出，因此上面幾式可簡化為：

3 設備選型

考慮制氧機組的實際運行情況，在空分裝置流程參數確定后，有如下幾個參數為定值，很少發生變化：以某企業 3萬m3/h空分為例，氮氣進水冷塔的溫度TN，1=25℃；冷凍水流量為QW=29.17 kg/s（105 t/h），進空冷塔的溫度為TW，3=10℃；冷凍機蒸發側進水溫度與出水溫度標準工況ΔTE=TE1-TE2=5℃。

其他幾個參數則會隨著氣象條件、季節以及用戶需求等發生變化，如氮氣的流量QN，冷凍水進水冷塔的溫度 TW，1，出水冷塔的溫度 TW，2；冷凍機蒸發側的制冷水流量為QE。

常規3萬m3/h空分機組，除作為產品氮氣、分子篩再生用氣，尚有約4萬m3/h的氮氣進入水冷塔，可通過一定技術手段全部變為純氮，本例中原進入水冷塔的全部為純氮，氮氣的最大可用流量為QN0=11.11 m3/s（4萬 m3/h）；在夏季氮氣出水冷塔的溫度為TN，2=33℃；冷凍水進水冷塔的溫度為TW，1=33 ℃。

在設備選型時，考慮氮氣全部作為產品輸出，沒有氮氣進入水冷塔，可得：所需冷凍機制冷量E2≈2800 kW，板式換熱器的換熱量與之相同。制冷水流量QE=483 t/h；選擇循環水泵時，還需考慮～10%的富余系數，總計約530 t/h。循環泵的揚程與管網和設備運行狀況相關，此處冷凍機10 m，板式換熱器6 m，管網損失6 m，另外考慮10%～15%的富余系數，總計H=24 m 。

根據以上參數，可選出合適的冷凍機組、板式換熱器以及循環水泵。

在本項目中根據制氧機組的空氣預冷系統運行的經濟性、可靠性以及現場的位置，選擇了2臺額定制冷量為1400 kW的冷凍機，COP為5.1，每臺制冷機的額定輸入功率為275 kW。板式換熱器額定換熱量為2800 kW，2臺（一用一備）。制冷水泵選擇了3臺離心循環水泵（兩用一備），單臺額定流量265 t/h，揚程24 m，所配電機功率37 kW。膨脹水箱采用不銹鋼沖壓焊接水箱，有效容積為1 m3。

改造后2臺冷凍機可同時使用，也可單臺使用。在正常氣體工況下（或冬季運行）只開1臺冷凍機，滿足制氧機組正常氣體工況下的要求；需要提取大量氮氣（特別是在夏季）時，2臺冷凍機同時開啟。在夏季時，提取全部4萬m3/h的氮氣后，進空冷塔的水溫可維持在10℃左右，達到了改造目標。

4 結論

通過在空分裝置預冷系統中增設冷凍機組，及輔助換熱設施，可在氧氣產量不變的條件下，將至水冷塔的氮氣置換出來，大幅度增加氮氣產量，降低分子篩的進氣溫度，保證空分設備安全穩定運行。隨著冶金行業的高附加值產品的不斷開發和產能提高，所帶來的產能提高和節能效益，具有較高的推廣價值和應用前景。

膨脹水箱可以提高系統的穩定性，安全性，是不可缺少的重要組成部分。 所需冷凍機制冷量、電機功率、制冷水流量、冷凍機冷卻水流量等參數均隨提氮量增大而增大，隨進水冷塔的冷凍水的溫度升高而升高。

收稿日期：2018－06－12