影響空分裝置105%負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行的原因

康靠宗(云天化呼倫貝爾金新化工有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021506)

1 空分裝置現(xiàn)狀

某公司36000m3/h空分裝置河南開(kāi)封空分集團(tuán)設(shè)計(jì)制造，采用臥式分子篩吸附凈化、增壓透平膨脹機(jī)、精餾塔上塔采用低溫規(guī)整填料、下塔采用篩板塔、粗氬填料塔、內(nèi)壓縮流程工藝。自2016年6月份以來(lái)，由于后系統(tǒng)氣化島裝置填平補(bǔ)齊項(xiàng)目的開(kāi)車成功，要求空分裝置需在超負(fù)荷105%下運(yùn)行才能滿足全廠裝置對(duì)氧氣的需求量，由于各種因素影響了空分裝置105%負(fù)荷的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。本文將針對(duì)各個(gè)因素進(jìn)行分析并提出相應(yīng)的解決措施和調(diào)整控制方法。

2 進(jìn)塔空氣量

當(dāng)進(jìn)出精餾塔各股物料的量及狀態(tài)完全符合整個(gè)精餾塔的物料平衡、組分平衡及熱量平衡，精餾工況才能穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)這也決定了參與精餾即進(jìn)塔空氣量的確定。本套裝置設(shè)計(jì)36000m3/h負(fù)荷下空壓機(jī)組打氣量為192500m3/h，其中包括不參與精餾塔精餾的空氣約9400m3/h。但要滿足目前105%負(fù)荷即37800m3/h的氧氣需求，根據(jù)目前全廠裝置空氣量需求，通過(guò)對(duì)目前裝置物料平衡、組分平衡進(jìn)行計(jì)算得出，在空分裝置一臺(tái)事故儀表空壓機(jī)運(yùn)行的情況下，空壓機(jī)實(shí)際排氣量約需207000m3/h見(jiàn)表1(分子篩充壓時(shí)約需1500m3/h)才能滿足空分裝置105%負(fù)荷下的空氣需求量。此因素為空分裝置在37800m3/h負(fù)荷下運(yùn)行的前提條件。

表1 空分裝置氧氣產(chǎn)量/空氣量

但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于受到當(dāng)?shù)叵亩瑑杉練鉁夭町愝^大影響，夏季氣溫較高，空氣密度變小，氣體體積增大，同時(shí)夏季機(jī)組換熱器冷卻水溫度升高，換熱器出口空氣溫度升高等因素影響，實(shí)際空壓機(jī)組打氣量并無(wú)法滿足當(dāng)前負(fù)荷需求。例如在今年7月空壓機(jī)機(jī)組在同等工況下打氣量?jī)H為197000m3/h，而在11月份打氣量可達(dá)210000m3/h，此因素為制約空分裝置105%負(fù)荷運(yùn)行的關(guān)鍵因素。 該因素由于受到機(jī)組本身設(shè)計(jì)原因，目前還無(wú)法得到根本解決，僅能采取的唯一措施是盡可能降低全廠循環(huán)冷卻水溫度、大修期間清洗各冷卻器以此來(lái)增加空壓機(jī)組打氣量，滿足裝置負(fù)荷需求。

3 吸附器吸附性能

自2016年2月份以來(lái)，純化系統(tǒng)吸附器MS01202再生氣排放口開(kāi)始出現(xiàn)再生氣體攜帶少量分子篩和活性氧化鋁等現(xiàn)象出現(xiàn)，同時(shí)吸附器出口CO2含量AI01201也開(kāi)始升高(表2)，控制指標(biāo)為1×10-6m3/m3。后期經(jīng)過(guò)先后三次對(duì)吸附器內(nèi)部人孔打開(kāi)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，分子篩底層的固定篩網(wǎng)邊緣處多處出現(xiàn)破損，因此在分子篩再生期間，漏入下層的分子篩會(huì)同再生氣一起帶出，從而影響了分子篩的吸附效果。

針對(duì)上述現(xiàn)象，在今年5月份裝置大修期間對(duì)吸附器MS01202內(nèi)的分子篩進(jìn)行全部卸出篩分，對(duì)吸附器底部的篩網(wǎng)進(jìn)行重新安裝更換和加固，并填補(bǔ)部分新的分子篩和氧化鋁。大修結(jié)束后開(kāi)車吸附器出口CO2含量明顯降低(表2)，同時(shí)要求操作人員在吸附器充泄壓時(shí)通過(guò)程控暫停等方式盡可能降低氣體對(duì)分子篩沖擊，防止造成床層不平整或分子篩粉化粉塵進(jìn)入后系統(tǒng)管道設(shè)備中堵塞管道，目前吸附器已工作正常，該問(wèn)題得到解決。

表2 檢修前后吸附器出口CO2含量

4 冷量損失過(guò)大

冷量損失對(duì)于每套空分裝置來(lái)說(shuō)是不可避免的事實(shí)，其中主要冷損包括以下幾種形式，主換熱器熱交換不完全造成的冷損Q1，空分設(shè)備因外部傳入熱量造成低溫氣體溫度升高所造成的跑冷損失Q2，因各類低溫液體或氣體排放或泄漏所造成的其他冷損Q3，低溫液體產(chǎn)品產(chǎn)出所帶出的冷量為Q0空分設(shè)備所生產(chǎn)的制冷量Q只有與各項(xiàng)冷損保持平衡，才能維持空分工況的穩(wěn)定，這叫“冷量平衡”，即

衡量空分裝置冷量是否充分的標(biāo)志是主冷液氧液位的上漲或降低，冷量損失過(guò)大是目前空分裝置無(wú)法長(zhǎng)期穩(wěn)定在高負(fù)荷下運(yùn)行的主要原因。

4.1 主換熱器熱端溫差造成的冷損

熱量只能從高溫物體傳給低溫物體的規(guī)律注定了換熱器換熱器內(nèi)部必定存在溫差，這個(gè)溫差的大小反應(yīng)了換熱器冷量損失的大小，它與溫差ΔT成正比，其計(jì)算公式為：

式中：V為氣體流量(m3)；Cp為氣體比熱容(kJ/(m3·℃))；ΔT為換熱器熱端溫差。

根據(jù)以上公式可看出，在換熱器換熱面積一定的情況下，體積體積流量越大，溫差ΔT越大，換熱器熱交換的冷損就越大。

表3 低壓主換熱器熱端溫度

表4 高壓主換熱器熱端溫度

通過(guò)表3和表4可看出，在負(fù)荷37400m3/h情況下，低壓主換熱器熱端溫差6月和11月沒(méi)有太大明顯的變化，溫差均在5℃以內(nèi)；但高壓主換熱器熱端溫差有了明顯的上漲，最高溫差可達(dá)近30℃，這對(duì)于大型空分裝置來(lái)說(shuō)，這樣的冷損是不可接受的。分析原因?yàn)橛捎谘b置長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)行，裝置在9月份兩次停車由于受到增壓機(jī)三段出口換熱器泄漏及開(kāi)車空氣等因素影響，高壓主換熱器存在一定程度的堵塞，影響了換熱器的換熱效率，進(jìn)而增大了高壓主換熱器的熱端溫差。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，高壓主換熱器熱端溫差是當(dāng)前空分裝置冷量不足的主要原因。但由于裝置目前不能進(jìn)行大規(guī)模停車復(fù)熱，因此在現(xiàn)有工況下對(duì)裝置冷量不足的問(wèn)題進(jìn)行以下的調(diào)整。

減小高壓主換熱器低壓氮?dú)馔ǖ罋饬俊８鶕?jù)上述公式可看出，在換熱器效率一定的情況下，即溫差ΔT一定，氣體體積流量越大，返流氣體冷量無(wú)法得到有效回收，冷損越大。由于壓力氮?dú)狻⒀鯕馐芡饨缬脩粲绊懀邏褐鲹Q熱器其余通道氣量無(wú)法減小。因此減小高壓主換熱器反流氣體低壓氮?dú)馔ǖ罋饬浚瑢⒌蛪旱獨(dú)夥趴盏怪恋蛪褐鲹Q熱器通道放空，可有效降低高壓主換熱器熱端溫差，進(jìn)而減小整個(gè)系統(tǒng)冷損。

4.2 跑冷、液體產(chǎn)品等其他冷損

外部環(huán)境溫度要遠(yuǎn)高于空分冷箱內(nèi)部溫度，雖冷箱內(nèi)裝填有珠光砂但不并能使冷箱內(nèi)外不發(fā)生熱交換，外部傳入冷箱內(nèi)部的熱量即為消耗的冷量，這部分亦為冷損，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)日常主冷不凝氣排放、各閥門密封填料等發(fā)生泄漏、液氮的采出均為系統(tǒng)冷量損失。裝置檢修時(shí)對(duì)液氧泵冷箱內(nèi)珠光砂進(jìn)行裝填，精餾塔下塔排液閥內(nèi)漏等進(jìn)行處理，但該部分冷量損失只占冷損的一小部分。

5 提高制冷量

空分系統(tǒng)制冷量主要靠膨脹機(jī)和高壓空氣節(jié)流膨脹制冷來(lái)提供，膨脹機(jī)總制冷量Qp(kJ/h)與膨脹量V(m3/h)、單位制冷量Δh有關(guān)：

式中：ηp為膨脹機(jī)效率；Δht為膨脹機(jī)理論制冷量。

膨脹機(jī)效率在制造出廠時(shí)效率就為一定值，因此主要取決于膨脹機(jī)理論單位制冷量，單位制冷量與機(jī)前后壓力、溫度有關(guān)，精餾塔下塔壓力一定，機(jī)前壓力壓力一定，理論上來(lái)說(shuō)提高機(jī)前溫度能夠增大膨脹機(jī)單位制冷量，從而提高系統(tǒng)總制冷量。

空分設(shè)備中進(jìn)入低壓主換熱器中的空氣為過(guò)熱空氣(-169.8℃)，返流的各產(chǎn)品氣同時(shí)也為干的飽和氣，由于受到冷損的影響，因此進(jìn)入下塔的膨脹空氣必須為飽和并帶有少量液體的空氣才能滿足系統(tǒng)冷損的要求。空氣在機(jī)后壓力0.485MPa下露點(diǎn)溫度為-172.7℃，提高機(jī)前溫度的同時(shí)，機(jī)后溫度也會(huì)隨著上漲(見(jiàn)圖1)。因此在提高膨脹機(jī)進(jìn)氣量的同時(shí)，降低機(jī)前溫度允許機(jī)后帶有少量的液體能夠最終提高系統(tǒng)總的制冷量(膨脹機(jī)允許最大帶液量為10%)。表5可看出，在系統(tǒng)冷損增加的情況下，要滿足空分氧負(fù)荷需求，提高膨脹氣量、增加高壓空氣節(jié)流膨脹量是解決目前空分裝置冷損增大的有效途徑。

表5 膨脹空氣量與節(jié)流空氣量

雖然增加膨脹氣量和節(jié)流膨脹空氣量可以提高系統(tǒng)總制冷量，但提高膨脹氣量和節(jié)流膨脹空氣的同時(shí)，機(jī)組本身就在超負(fù)荷下運(yùn)行，空氣壓縮機(jī)組自身能耗增加；同時(shí)在氧氣負(fù)荷一定的條件下，增加高壓空氣，機(jī)前溫度也會(huì)升高；增加下塔膨脹氣量和節(jié)流膨脹空氣，進(jìn)下塔溫度過(guò)低會(huì)影響上塔物料的精餾效果，例如進(jìn)氬塔的液空溫度過(guò)低，造成粗氬塔冷凝器過(guò)冷，粗氬氣中氧含量過(guò)高，影響氧氣提取率。

圖1 機(jī)后溫度隨機(jī)前溫度變化

6 結(jié)語(yǔ)

空分裝置要實(shí)現(xiàn)105%負(fù)荷下運(yùn)行，滿足空壓機(jī)打氣量是前提條件，系統(tǒng)冷量損失過(guò)大是裝置無(wú)法長(zhǎng)周期穩(wěn)定105%運(yùn)行的主要原因。雖然目前通過(guò)提高膨脹量/高壓空氣、降低機(jī)前溫度等調(diào)節(jié)手段已經(jīng)能滿足當(dāng)前系統(tǒng)冷量需求。但隨著裝置運(yùn)行時(shí)間的逐漸增加，高壓主換熱器熱端溫差也會(huì)逐漸增大，系統(tǒng)冷損逐步增大是裝置不能滿足長(zhǎng)周期高負(fù)荷下運(yùn)行的主要原因。因此，提高增壓段后冷卻器的換熱面積，裝置停車期間對(duì)高壓主換熱器進(jìn)行徹底反吹復(fù)熱，減少空氣中的水、CO2等通過(guò)增壓機(jī)側(cè)進(jìn)入高壓主換熱器堵塞通道(已提技術(shù)改造建議，高壓空氣管道增加閥門，大修施工)，以上才是解決問(wèn)題的根本途徑，才能保證空分裝置105%負(fù)荷下長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)一步的確保主體合成氨尿素裝置的長(zhǎng)周期滿負(fù)荷運(yùn)行。