降低空分制氧系統水單耗的探索

潘振 董葉強

摘? 要：介紹了空分氧制造系統中存在的水消費高問題，對根本原因進行了研究分析，提出了改善方法和措施。通過改進設計實施，降低了氧氣制造系統的水消耗，提高了系統的運行能源效率。

關鍵詞：空分系統;深冷;水單耗;能效

一、概論

空氣分離簡稱空分，是利用空氣中各成分的物理性質不同，通過深度冷凍、吸附、膜分離等方法從空氣中分離氧氣、氮氣、同時提取氦氣、仰光等稀有氣體的過程。空氣分離的最常見的方法是深度冷凍法，整個過程包括多個氣體壓縮過程。由于壓縮后的氣體溫度遠遠超過工藝要求，因此在工藝中必須設置介質熱交換降溫工序。水是氧氣制造系統參與熱交換的主要介質。根據統計計算，氧氣消耗平均約為19t/萬米。3。

2019年4月15日，為貫徹第19屆黨大會精神，國家發改委、水利部印制實施《國家節水行動方案》，大力推進社會整體節水，全面提高水資源利用效率，形成節水型生產生活方式，保障國家水安全促進了高品質的發展。如何依靠管理革新和技術革新來降低單位氧消耗水量，實現節水增效，是企業的首要大事。

二、潛力分析

在空分氧系統中，水主要用作熱交換冷卻介質，因此將重點放在系統中的泵、降溫凈化和水處理系統上。

1.降溫凈化

空氣壓縮機在壓縮過程中產生大量的壓縮熱，使空氣溫度上升，出口產生約100°C的高溫空氣，后續過程所需的空氣溫度為8～15°C。目前的處理方式是高溫空氣進入冷塔與冷卻水混合換熱，凈化加工空氣降溫。降溫凈化是氧氣制造過程中消耗水量多、回收能力低的過程，無疑會對氧氣制造水的單消耗產生顯著影響。

在水冷塔內，污水氮氣從底部進入，與從水冷卻塔頂部進入的常溫水充分接觸，經過熱交換，污水氮氣在飽和狀態下增濕排出到大氣。從水冷塔頂部進入的常溫水，被逆流的污水氮氣冷卻，部分蒸發后大量的氣化潛熱被帶走并降溫，從水冷塔底部排出后用低溫水泵升壓，成為空氣冷卻塔上部的冷卻水。冷水和熱氣進入冷塔進行熱交換時，水從上面開始，空氣從下到上直接接觸水換熱。同時，冷水帶走空氣中的一部分水分和水溶性雜質，實現降溫凈化過程。

當水量大時，為了避免水流沿著管網流入其他設備影響整個過程，水冷塔在設計時具備溢出管，高于塔內水位數值，塔內壓力高于外部大氣壓時水流沿著溢出管流出，產生虹膜現象。一旦發生虹膜排水，可以在內外部壓力一致時停止，此時水量已所剩無幾，排水量遠遠超過需求值，造成嚴重水能損失。

2.蒸發器

液體蒸發器是利用熱水和氣體產品的熱交換實現氣體外供給的設備，其效率越高，單位產品的蒸發消耗水量越少，同時也能有效控制水的消耗。液體泵是影響蒸發系統效率的直接原因，天元公司的液體泵大量采用進口泵，更換大功率泵的成本高，工時長。因此，為了提高蒸發系統的效率，應該使用其他方法。

3.泵

氧氣制造系統現有設計泵有三個問題：一是部分泵的額定流量大于實際需求流量，需要節流控制流量，增加泵水消耗，相關管路、閥門容易發生泄漏故障。其次，泵啟動時應達到頻率運轉，經常發生泄漏故障，初始流量大時應排至槽的一部分，頻率啟動泵在各部件受到沖擊、易磨損、易泄漏、影響設備可靠性的同時造成不必要的浪費。

三、技術改造

1.水冷塔的改造

虹膜現象的出現同時應具備三個條件：來水端水位高于受水端水位;耳機不能漏氣。不能在吸管內裝滿液體，儲存氣體。從破壞這三個條件著手，改變排水方式，杜絕有害的虹膜現象的發生。在原來的溢出管上開個小孔，把溢出管放進煤氣里。另外，為了防止灰塵通過這個洞進入塔內，增加了一個管徑小的U型管。

2.蒸發器改造

同時運行兩臺泵可以大大提高產品的外供給量，提高蒸發系統的效率，因此需要對蒸發器及外部各相關管道進行改造，滿足兩臺泵同時運行的條件。將盤管分成兩個部分，兩臺泵分別使用一側，利用重力來緩解液體流速，從下到上進行充分的水熱交換。兩條管道最終并聯連接，同時供應。

3.泵系統的改造

（1）頻率轉換改造

往泵里添加頻率轉換器。逆變器在不改變馬達內部結構的情況下，可以通過均勻調整馬達供電電源的頻率，使電動機的旋轉數順暢地變化，隨著電源頻率的調整而增大或減少，從而達到調整水流的目的。

（2）葉輪改造

單級離心泵由底座、泵體、葉片車、機械密封、熱泵外殼（蝸桿外殼）、防水環、泵蓋、馬達等組成。

目前，單極離心泵泵的額定出水量高，實際用水量少，泵水消耗增大，相關管路、閥門容易發生泄漏故障。在根據已知的所希望流量計算出符合要求的葉輪直徑后，對水泵原有葉輪進行車削加工，減少葉輪的直徑實質上變化，減少液體從葉輪中心向外緣排出的離心力其特征是降低了加入所得到的能量后液體離開邊緣的速度，降低水泵額定出水量。

四、結語

水冷塔改造后，溢水管未出現虹吸現象，實現正常排水，排水量明顯減少。蒸發器方式在理論上可以提高效率2倍，在實際試驗中雖然沒有達到理論數值，但是效率的提高非常明顯，從以往的120m3/升級到h230米3/h。在對泵風車進行改造后，泵恢復了頻率運轉，徹底取消了節流控制，降低了水的消耗，降低了泄漏故障率。泵頻率改造后，泵靈活啟動，盤根等設備壽命確實延長，泄漏故障少，初期啟動時不會出現排到槽內的問題。改造實施后，統計計算一年氧氣生產水的單消耗量，比以前減少2%，基本達到預期，減少氧氣生產水的消耗量，實現能源節約，有助于實現節能減排、降低成本和清潔生產，并補充短板有必要持續改善。

參考文獻：

[1] 吉新杰. 空分增壓機降低主推力瓦溫度提升機組負荷進行的技術改造[J]. 中國設備工程， 2020（19）：2.

[2] 孫素霞， 王麗花. 空分設備運行節能降耗的優化措施及操作實踐[J]. 世界有色金屬， 2021（14）：3.

[3] 韓濤， 江蓉， 賈振宇，等. 350MWe富氧燃燒空分系統變負荷特性分析及優化[J]. 低溫與特氣， 2021， 39（6）：5.

[4] 曹倩. 空分裝置主冷凝蒸發器爆炸的原因及防范措施[J]. 化工管理， 2021（24）：2.

[5] 周程， 蘇禮勇. 40000m3/h空分裝置設備選型及優化的可行性分析[J]. 中氮肥， 2020（3）：6.

[6] 石偉. 關于優化20000m3/h空分設備操作提高氬純度的研究[J]. 科學與信息化， 2020（26）：1.

[7] 洪夢麗， 周寬章. 空分裝置空壓機振動監測及故障診斷策略研究[J]. 名城繪， 2020.

[8] 王勇. 空分裝置新增氧氣放空副線閥技術改造[J]. 大氮肥， 2020， 43（1）：2.