淺談40 000 Nm3/h 空分裝置的優化設計

張文惠

（天津天鋼聯合特鋼有限公司，天津301500）

0 引言

為全面貫徹落實國家工信委關于控制總量，優化產業結構，淘汰落后工藝技術裝備，提高冶金工業發展質量和效益的精神。同時改善現有5 座高爐的能源消耗結構，提高高爐富氧量、減少高爐焦炭用量，達到節能減排的目的。天津天鋼聯合特鋼有限公司（以下簡稱：聯合特鋼公司）決定對企業現有空分廠房和設備進行升級改造，逐步淘汰現有的3 套高能耗老空分裝置，擬投資建設一套裝機容量為40 000 Nm3/h 的空分裝置。

1 空分裝置設備及工藝概述

1.1 空分裝置工藝流程

1.1.1 空氣系統

空氣經空氣過濾器被去除灰塵和其它雜質后[1]，進入空壓機進行三級壓縮兩級冷卻，得到0.6 MPa的壓縮空氣之后送入空冷塔對壓縮空氣進行洗滌、除去有害物質和降溫。壓縮空氣自預冷系統空冷塔的下部進入，從空冷塔頂部輸出?？绽渌糜诮禍氐睦鋮s給水分兩段，一段為經循環水池處理過的冷卻水供空冷塔下部使用，另一段為經水冷塔與冷水機組相結合冷卻后的冷凍水供空冷塔上部使用，滿足空氣進入純化系統的所需溫度。

空氣從空冷塔頂部出來后進入徑向式分子篩純化系統。在純化系統中壓縮空氣中的水、二氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物等不純物質被分子篩吸附。

經純化系統凈化后的空氣分兩股：一股去增壓機；另一股直接進入冷箱，從主換熱器底部抽出后送入下塔。

進入增壓機的空氣經增壓后分為三股：一股直接自增壓機末端抽出進入冷箱，經主換熱器得到冷量后直接送入空分塔下部；一股自增壓機末端排出，經過冷凝器冷卻后進入膨脹機的增壓端進一步增壓，增壓后送入主換熱器，在主換熱器中得到冷量后并在主換熱器中下部抽出送入膨脹機的膨脹端，經膨脹機的膨脹端膨脹制冷后送入空分塔下部，為空分塔提供冷量；一股在經增壓機一級壓縮后被提取出為整套空分機組提供所需儀表氣源。

1.1.2 氧氣系統

經空分塔內壓縮產出的低壓氧氣0.8 MPa（G），可供用戶直接使用；或經活塞氧氣壓縮機壓縮后得到3.0 MPa（G）的高壓氧氣，送往用戶的高壓氧氣管網。

1.1.3 氮氣系統

產品氮氣分兩股進入用戶管網。一股來自純氮塔的氮氣，進入氮壓機一級壓縮送往高壓氮氣管網；另一股來自下塔頂部的高純壓力氮氣，經主換熱器復熱后送往常壓氮氣產品管道。

1.1.4 氬氣系統

空分裝置設置液氬系統，來自上塔中部的氬餾分氣經粗氬塔、精氬塔精餾后產出液氬進入液氬儲槽，空浴式汽化器汽化后得到氬氣進入氬氣球罐，供用戶使用。

1.1.5 稀有氣體

預留了稀有氣體抽口，為后續增加稀有氣體裝置做準備。

1.2 新建40 000 Nm3/h 空分裝置性能

新建40 000 Nm3/h 空分裝置選用空氣加壓，徑向式分子篩凈化，增壓透平膨脹機，空分塔上塔、下塔采用規整填料，膨脹空氣進下塔全精餾無氫制氬的先進流程[2]；并結合新建項目的用氣特點采用氧氣內壓縮流程（內壓縮流程取消氧壓機，液氧在冷箱內經液氧泵加壓達到所需壓力提供給用戶[3]），氧氣提取率高達99%以上，負荷范圍在75%～105%之間可任意調節。聯合特鋼40 000 Nm3/h 空分設備產品性能指標見表1。40 000 Nm3/h 空分裝置簡易流程圖如圖1 所示。

2 新建40 000 Nm3/h 空分機組流程形式及設備選型

2.1 空分裝置流程形式的選擇

聯合特鋼公司高爐富氧現采用1.5 Mpa 系統，需減壓至0.8 Mpa 才能滿足煉鐵富氧站需求，減壓過程中能源浪費很大。為了降低能源消耗，新建40 000 Nm3/h 空分機組采用氧氣內壓縮的流程，摒棄外置氧氣壓縮機，有著投資小、占地面積小、運行能耗低、安全性能高等優點。

表1 40 000 Nm3/h 空分裝置設備產品性能指標

圖1 40 000 Nm3/h 空分裝置簡易流程圖

與聯合特鋼公司現有空分機組外壓縮流程相比，內壓縮流程取消了氧壓機，直接從空分裝置冷箱內生產出中高壓氧氣供給用戶，即經內壓縮產出的低壓氧氣0.8 Mpa，可供煉鐵富氧站直接使用。內壓縮流程不僅節約了設備投資、運維及能耗等費用，制冷能力也高于外壓縮流程，所以內壓縮流程制氧設備液體生產能力較大。

聯合特鋼公司現有空分裝置氧電單耗為0.84 kWh/m3，而新建40 000 Nm3/h 空分裝置氧電單耗為0.76 kWh/m3，按照平均電價 0.685 元/kW·h 計算，新建40 000 Nm3/h 空分裝置年可節約電費2505.4 萬元，經濟效益非?？捎^。

2.2 充分利用聯合特鋼公司現有資源，達到節能減排的效果

（1）依托聯合特鋼現有“1×65 MW 發電機組能源環保改造項目”多余蒸汽，將新建空分裝置純化系統的加熱器確定為電加熱、蒸汽加熱串并聯形式，既充分回收利用了廠區的富余蒸汽，又降低了空分裝置的整體能耗，為企業節約了成本，減少了對環境的排放量。

電加熱器單臺額定功率為2 500 kW，分子篩吸附器的使用周期為4 小時（每天6 個周期），每個周期電加熱器工作2 小時，每日耗電共計約2 500×2×6×2=60 000 kWh，工業用電價格按照0.65 元/（kW·h）計算，年節約電費約為1 404 萬元。

（2）40 000 Nm3/h 機組循環水池補水選用廠區污水處理站處理過的來自天津市寧河區污水處理站的工業新水?？绽渌仍O備產生的生產廢水排入廠區生產廢水處理站，經處理后再回用于現有場區的各生產工序，循環利用，達到生產水不外排的效果。

（3）新建40 000 Nm3/h 空分項目擬采用新型消霧型冷卻塔以替代傳統機械通風冷卻塔，達到節能環保、降低成本的效果。根據地區特征，按照全年平均蒸發量為1.5%、收水率20%，平均工業用水價6.5元/m3計算，年運行小時按照8 600 小時計算，年節水收益約62 萬元。

2.3 40 000 Nm3/h 空分裝置配套機組及性能介紹

新建機組所配備的設備均采用國內外先進的設備生產廠家，具有整體配置經濟合理、能耗低、運行安全等特點。下面從安全運行、節能降耗、可靠穩定等幾方面對40 000 Nm3/h 機組設備進行介紹及分析。

2.3.1 空壓機系統

功能：空壓機作為空分裝置的心臟，主要為本套機組提供低壓原料空氣；增壓機為本套機組提供膨脹及內壓縮汽化的氣源。

技術特點：空壓機和增壓機均采用離心式壓縮機，電機拖動；空壓機自帶葉輪清洗系統，實現葉輪除垢便捷化。

2.3.2 預冷、純化系統

功能：冷卻和洗滌原料空氣及吸附空氣中水份、二氧化碳、碳氫化合物及氮氧化合物等雜質。

技術特點：為保證裝置預冷系統內部的最優匹配，提高整體運行效率，采用立式、徑向流吸附器，使氣流分布更均勻、吸附效率更高。

2.3.3 制冷系統

功能：為本裝置提供所需的冷量。

技術特點：具有完善的儀表連鎖保護功能；雙膨脹流程可以有效的增加產冷量，且調節范圍大。

2.3.4 精餾系統

功能：作為空分裝置的核心部位，其作用是利用氧、氮、氬的特性進行精餾。

技術特點：采用成熟先進的工藝技術、運用國際一流的設計軟件進行模擬計算，并結合聯合特鋼公司實際的運行管理和反饋數據。

3 結語

新建空分裝置充分結合目前空分行業的優點，在保證了整套機組的安全可靠性的同時，也充分利用了聯合特鋼公司現有的資源，完成了對聯合特鋼公司原有的3 套老機組的升級換代。項目于2018年3 月底開工建設，并于2019 年7 月18 日一次性聯動開車成功，產出用戶所需合格的氧、氮、氬等氣體產品。項目的投運，滿足了高爐強化冶煉對富氧的需求，降低了鋼鐵冶煉過程中的能耗，節約了企業的運營成本。綜上所述，40 000 Nm3/h 空分機組的投運，不僅對聯合特鋼的節能減排有著重大的意義，也對天津地區的環保效益有著深遠的意義。