廣西柳州鋼鐵集團有限公司5號制氧機組（2#40000Nm3/h）的技術特點

曾春 韋正科 張龍

【摘 ?要】簡介40000Nm3/h內壓縮流程空分設備的產品規格及工藝流程，詳細闡述了在空分設備試運行過程中空氣凈化系統、壓縮系統、精餾系統方面所采取的改進措施和解決的問題，以達到空分裝置低耗、高產、穩定運行;分析了2#40000Nm3/h機組的技術水平和經濟性能。

【關鍵詞】空分設備;內壓縮;試運行;創新;技術水平

Abstract：Here，the specification and flow process 0f Liusteel 2#40000Nm3/h large-sized air separation plant inner compression are briefed. The improving measures to keep low energy consumption，high output and prolonged stable run of purification system，gas compression system and rectification tower system during its trial run and thus solved problems are detailed. Finally the technical level and economic performances of 2#40000Nm3/h large-sized air separation plant are analyzed .

Keywords：Air separation plant，Inner compression process，Trial run Innovation，Technical level

一、項目簡介

1、2#40000Nm3/h制氧項目技術改造項目系廣西柳州鋼鐵集團有限公司響應國家節能減排號召，在拆除原有四套高能耗、低產出的小型制氧機組的基礎上改建而成。2011年1月起由四川空分集團公司設計制造、中冶南方工程技術有限公司完成項目設計，從2011年7月吊裝第一塊冷箱板開始，至此2012年6月安裝完畢，施工、安裝、調試共計11個月，2012年7月13日正式聯動試車，15日全面達產。

2、工藝流程簡述及特點：

原料空氣自吸入塔吸入，經空氣過濾器除去灰塵及其它機械雜質。空氣經過濾后在離心式空壓機中經壓縮至0.48MPa左右，進入空氣水浴式冷卻塔預冷，冷卻水分二段進入冷卻塔內，下段為循環冷卻水，上段為低溫冷凍水，空氣自下而上穿過空氣冷卻塔，在冷卻的同時，又得到清洗。空氣經空氣冷卻塔冷卻后，溫度降至～10℃，然后進入切換使用的徑向立式分子篩吸附器，空氣中的二氧化碳、碳氫化合物及水份被吸附。

空氣經凈化后，分為兩路：一路空氣直接進入分餾塔，該部分空氣在主換熱器中與返流氣體（純氧、純氮、污氮等）換熱達到接近空氣液化溫度約-171℃進入下塔。另一路經空氣增壓機增壓后分成兩股。一股從增壓機中部抽出進入透平膨脹機組的增壓端，經增壓冷卻后的空氣進入主換熱器內被返流冷氣體冷卻至-116℃，而后進入膨脹端膨脹以制取空分裝置所需的大部分冷量，膨脹后的空氣進入下塔參與精餾;另一股空氣從增壓機末端引出，進入主換熱器液化并節流進入下塔。

在下塔中，空氣被初步分離成氮和富氧液空，頂部氮氣除一部分作為熱源到精氬塔蒸發器外，其余在冷凝蒸發器中被冷凝為液體，同時主冷凝蒸發器的低壓側液氧被汽化。部分液氮作為下塔回流液，另—部分液氮，經過冷器被氮氣和污氮過冷，少量液氮進精氬塔冷凝器作冷源，大部分液氮節流送入上塔頂部參加精餾。經在過冷器過冷后，除一部分作為粗氬冷凝器冷源外，其余全部節流至上塔中部參與精餾。

壓力氮從下塔頂部引出，在主換熱器中復熱至常溫送往用戶。

液氧從主冷凝蒸發器底部引出進入液氧泵加壓至～2.0MPa后進入主換熱器中，被正流空氣加熱汽化并復熱至常溫送往用戶。

產品液氧、液氮、液氬分別送入各自的貯存系統貯存備用。

3、技術參數

二、項目主要關鍵技術特點

本裝置采用全低壓分子篩吸附、氧氣內壓縮、氬氣部分內壓縮、空氣中壓膨脹、膨脹空

氣進下塔、規整填料下塔、全精餾無氫制氬的工藝流程。各系統配置及特點如下：

1、空氣純化系統

空氣純化器采用徑向立式雙層結構，空氣純化時首先通過氧化鋁層、再通過去13X分子篩層，優點主要體現在：

（1）占地面積少，作業人員操作空間大、檢修方便;（2）空氣經過純化器阻力減少，相比橫向臥式結構可減少約5Kpa～10Kpa;

（2）凈化效果好，純化后空氣二氧化碳含量維持在0.10 ×10-6 ～0.02×10-6，非常有利于制氧機組長期穩定運行;

（3）減少吸附過程空氣流的偏流、減少切換時空氣流對吸附床層的沖擊。

2、全填料精餾下塔

全填料精餾下塔具有顯著的優點：壓降小、分離效率高、塔徑小、操作彈性大、產品提取率高，但由于在一定的工作壓力環境下塔液體重量減輕，在填料表面的液膜易隨氣流沿軸向返回、使液膜更新變慢或增厚，不利于傳質效率最大化，因此采用全填料下塔有一定的設計風險。國內目前精餾下塔約90%采用篩板下塔，采用全填料下塔設計的基本上是國外進口的整套設備。

柳鋼氣體公司對此項技術十分關注，因為直接關系到整套機組的運行效率和節能水平，公司技術人員深度介入四川空分集團有限公司（以下簡稱川空公司）的設計過程，為川空公司在流體力學模型的計算機模擬計算提供建議和實際操作參數，特別是提供了抽取餾份（即液空餾份抽口）的理論塔板層的建議，對川空公司設計好全填料下塔起到關鍵的作用。

從已運行了近十年的實際效果看，此項設計十分成功：操作穩定、操作彈性大、阻力減少約15Kpa～25Kpa，此項技術的采用，可降低下塔操作壓力，空壓機運行節能約3%，對整套機組低耗運行起到十分關鍵的作用。

3、外置中冷空壓機的采用

目前國內有一種設計傾向，都主張采用中冷器內置式空壓機，主要是占地面銷少些，機組布置緊湊、美觀。氣體公司也有幾套機組的空壓機采用此類機型，但缺陷也十分明顯，主要是周邊環境空氣不是太好時中冷器的冷卻翅片極易堵塞、斷裂，影響正常運行（主要表現為機組振動值增加、進氣量減少、冷卻效率下降、能耗增加）。

公司從實際出了，決定采用中冷器外置式空壓機，既可確保機組長期穩定高效運行，又節省較大一筆采購費用。目前運行近十年來未出現不佳運行參數。

4、粗氬塔設計的改進

粗氬塔設計的好壞直接關系到氬產品的純度和氬精餾工況的操作。公司技術人員在參與川空集團的設計中，經過計算確認，川空公司的設計指標實際上處于一個臨界狀態，操作稍有不慎或工況稍有變化，氬產品的純度就沒有保障、調整的時間就會大大延長，因此公司要求川空公司在設計中必需再增加二層填料（瑞士蘇爾壽公司的原廠填料，增加一層填料川空公司成本上升約30萬元），川空公司極不情愿地增加了二層填料。事實證明，氣體公司的要求是正確的，目前氬精餾系統的操作既穩定，又十分容易調節，從主塔工況穩定開始，調氬操作約6個小時即可完成，其它機組需要16個小時左右，且純度極好，達99.9995%，O2?2×10-6，N2?1×10-6，完全達到高純氬氣的產品標準。

5、H型氮壓機的特點

此類氮壓機的特點主要是檢修、維護方便，尤其是對中冷器的檢修十分方便，在循環冷卻水質不太好的情況下仍有十分優良的換熱效率。

6、空冷塔、水卻冷塔填料的選擇

空冷塔、水冷塔的填料，公司沒有采納設計單位推薦的型號，公司技術人員經過資料查詢、數據對比與分析，決定采用改進型的鮑爾環和拉西環。從運行的效果分析，冷卻效果好于目前運行的其它機組，能完全滿足生產需要，既節省了采購費用又降低了運行費用。

三、工藝系統的改進與完善

1、在主冷凝蒸發器的布置上，公司采用了單層布置，外掛二臺輔助冷凝器，減少了主冷凝蒸發器的高度，有利于液氧蒸發，有利于下塔半成品輸入上塔參與精餾，也節省了制造費用。

2、在冷箱內工藝配管過程，公司檢查并確認不合理的設計共計30處（包括液氮管、液氧管、部分排液管的走向、對接等）、修改單體設備配管共計7處（包括上塔、氬塔的固定支架、閥門固定支架、閥門安裝方向等），發現設計漏洞并提出修改方案共計10處（包括中壓氮氣管的參數取樣與停機聯鎖;中壓氧氣管的參數取樣;空冷塔排液管的走向;低壓氮氣管、低壓污氮管、中壓空氣管進出冷箱的布置等）。

四、試車前期工作及技術方案

1、所有管道、閥門均檢查并分析確認，脫脂合格;

2、所有管道、單體設備均吹掃或爆破吹掃完畢，并經檢查確認干凈、無雜物;

3、編制完善的操作方案、操作規程。

五、機組的經濟性能與技術水平

1、2012年7月13日12點正式啟動，15日20點出氧、氮產品，16日7點出氬氣，經過五天低負荷生產后（主要是考慮材料應力突變的問題），22日16日全面達產，純度合格。相關參數見下表：

2、機組單耗穩定在0.680Kw.h/m3O2，而國內目前平均水平在0.831Kw.h/m3O2（對比數據取自全國冶金動力信息網發行的《動力信息》，以下同），以全年運行330天計，全年可節省電力：4783萬Kw.h，節能十分顯著。

3、由于在空壓機的選型與采購、主冷凝蒸發器的設計改進、相關填料選擇的改進及施工方案的部分改進，項目完成后節省費用約3000萬元（項目預算28000萬元，實際費用25000萬元）。

4、新技術、新工藝的采用、成熟優異設備的選擇，目前2#40000Nm3/h制氧機所有參比對標的技術參數均處于國內前列：單機能耗第一、產品純度第一、氬提取率第一、出氬產品時間最短。

（作者單位：廣西柳州鋼鐵集團有限公司氣體公司空分二車間）