河鋼唐鋼新區(qū)超大型空分裝置及多空分裝置設(shè)計(jì)

張 春

（唐鋼國(guó)際工程技術(shù)有限公司，河北 唐山 063000）

隨著國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)規(guī)模化、集中化發(fā)展，空分裝置大型化和多空分配置成為生產(chǎn)中的主流，60 000 Nm3/h超大型空分裝置，具有生產(chǎn)能耗低，產(chǎn)品純度高等優(yōu)勢(shì)，但設(shè)備占地面積較大，輔助生產(chǎn)氣體品種較多，尤其在多空分裝置聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行中，需要對(duì)各種介質(zhì)管道進(jìn)行變工況應(yīng)力計(jì)算，對(duì)工程設(shè)計(jì)提出了較高要求。根據(jù)此次超大型空分裝置及多空分裝置的設(shè)計(jì)需要，設(shè)計(jì)人員開(kāi)展了大量的工作，包括考察交流，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念革新等，摸索出了一條適用于唐鋼新區(qū)等大型鋼鐵企業(yè)空分設(shè)計(jì)技術(shù)路線，擁有了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)先進(jìn)技術(shù)，通過(guò)此項(xiàng)目的實(shí)施，填補(bǔ)了唐鋼國(guó)際在超大型空分裝置及多空分裝置設(shè)計(jì)領(lǐng)域的空白。

1 空分裝置設(shè)計(jì)

1.1 總平面布置

本項(xiàng)目布置在空氣潔凈地區(qū)，遠(yuǎn)離易產(chǎn)生空氣污染的生產(chǎn)車(chē)間，并在有害氣體和固體塵粒散發(fā)源的下風(fēng)側(cè)。制氧車(chē)間、液體儲(chǔ)槽、球罐、變電站和民用建筑之間安全距離均符合國(guó)家相關(guān)規(guī)范要求。

生產(chǎn)區(qū)和生活區(qū)分開(kāi)布置，生活區(qū)遠(yuǎn)離制氧車(chē)間、變電站等生產(chǎn)區(qū)建筑物，保證了工作人員的職業(yè)衛(wèi)生健康。同時(shí)生產(chǎn)區(qū)分為制氧車(chē)間、空氣分離、液體儲(chǔ)存、公輔設(shè)施和氣體緩沖5 大區(qū)域，保證了工藝流程順暢，設(shè)備操作維護(hù)方便，總體布置整潔美觀，如圖1所示。

圖1 空分裝置鳥(niǎo)瞰圖

1.2 工藝流程設(shè)計(jì)

空分裝置采用分子篩凈化空氣，帶增壓透平膨脹機(jī)的氧氣外壓縮流程，采用規(guī)整填料型上塔及全精餾無(wú)氫制氬新工藝。

原料空氣在空氣過(guò)濾器中去除了灰塵和機(jī)械雜質(zhì)后，進(jìn)入空氣透平壓縮機(jī)中，由中間冷卻器進(jìn)行中間冷卻，將空氣壓縮至約0.60 MPa（A），然后進(jìn)入空氣冷卻塔中冷卻。

空氣經(jīng)空氣冷塔卻與水換熱后降溫至-10 ℃，進(jìn)入交替使用的分子篩吸附器，在分子篩吸附器中清除空氣中水分、二氧化碳和一些碳?xì)浠衔铮瑥亩@得純凈空氣。

凈化后的空氣分成2 路：一路空氣首先進(jìn)入增壓機(jī)增壓，增壓后的空氣被冷卻至-15 ℃時(shí)進(jìn)入空分塔主換熱器，經(jīng)返流氣冷卻后從主換熱器的中部抽出進(jìn)入透平膨脹機(jī)中，膨脹后的空氣進(jìn)入上塔中部參加精餾。另一路空氣直接進(jìn)入主換熱器被冷卻至露點(diǎn)溫度進(jìn)入下塔參加精餾。

經(jīng)過(guò)上塔、下塔的精餾，利用氧、氮沸點(diǎn)的不同，最后在上塔底部獲得純度為99.6%的氧氣，在上塔的頂部獲得純度小于10×10-6O2的氮?dú)猓?jīng)主換熱器復(fù)熱后送出冷箱。

出冷箱的產(chǎn)品氧氣分別送至高壓氧壓機(jī)和低壓氧壓機(jī)加壓，經(jīng)高壓氧壓機(jī)加壓的氧氣送氧氣調(diào)壓站，調(diào)壓后送煉鋼，經(jīng)低壓氧壓機(jī)加壓的氧氣送高爐及其他用戶(hù)。

出冷箱的產(chǎn)品氮?dú)夥謩e送至高壓氮壓機(jī)和低壓氮壓機(jī)加壓，加壓后的高壓氮?dú)狻⒌蛪旱獨(dú)馑透髯缘挠脩?hù)。

產(chǎn)品液氧、液氮和液氬出冷箱后進(jìn)入各自的貯存、加壓和汽化系統(tǒng)。經(jīng)汽化后的氧氣、氮?dú)夂蜌鍤夥謩e與廠區(qū)各自的管道并網(wǎng)連接。

本項(xiàng)目空分裝置采用分子篩凈化空氣，帶增壓透平膨脹機(jī)的氧氣外壓縮流程，規(guī)整填料型上塔及全精餾無(wú)氫制氬工藝，出冷箱的工業(yè)氣體送至制氧車(chē)間內(nèi)加壓，經(jīng)氣體緩沖區(qū)域后，送至唐鋼新區(qū)各用戶(hù)。

（1）空氣過(guò)濾器布置在空分裝置全年最小頻率風(fēng)向的下風(fēng)側(cè)[1]；有效減少了因空氣中碳?xì)浠衔锖扛撸兓到y(tǒng)負(fù)荷增大，電耗增加的現(xiàn)象。

（2）空壓機(jī)入口管道采用不銹鋼管，防止管道出現(xiàn)銹蝕。對(duì)溫度較高的管道進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，避免補(bǔ)償裝置出現(xiàn)問(wèn)題[2]。

（3）純化系統(tǒng)中各管道內(nèi)介質(zhì)和流動(dòng)方向交替切換工作，管路及閥門(mén)復(fù)雜。設(shè)計(jì)人員通過(guò)三維建模，清晰體現(xiàn)了管線布置，導(dǎo)入應(yīng)力計(jì)算軟件進(jìn)行分析計(jì)算，管系布置更為合理。純化系統(tǒng)管道柔性分析圖如圖2 所示。

圖2 純化系統(tǒng)管道柔性分析圖

1.3 安全設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目在生產(chǎn)過(guò)程中存在部分設(shè)備發(fā)生爆炸、火災(zāi)、中毒和灼燙事故的危險(xiǎn)，在設(shè)計(jì)中須嚴(yán)格遵守國(guó)家、行業(yè)內(nèi)法律法規(guī)及規(guī)范要求。

（1）氧氣調(diào)節(jié)閥組設(shè)置在防爆墻內(nèi)，手動(dòng)閥門(mén)的閥桿伸出防爆墻外進(jìn)行操作[3]。

（2）液體儲(chǔ)存區(qū)設(shè)置圍堰，當(dāng)發(fā)生液體泄漏時(shí)，將泄漏的液體控制在圍堰內(nèi)逐漸蒸發(fā)，避免引發(fā)事故，且液氧貯槽有充足的消防水源，滿足安全生產(chǎn)需要[4]。

（3）制氧車(chē)間及氮水預(yù)冷間內(nèi)設(shè)置氧含量檢測(cè)及相應(yīng)的聯(lián)鎖設(shè)施，確保氧含量不低于19.5%，不高于23%。

1.4 設(shè)計(jì)亮點(diǎn)

（1）對(duì)空氣、氧氣、氮?dú)狻⑽鄣獨(dú)獾裙芟挡贾眠M(jìn)行優(yōu)化，對(duì)比常規(guī)設(shè)計(jì)降低管道阻損約10 kPa，各壓縮機(jī)、電加熱器等用電設(shè)備年均可節(jié)省用電550 萬(wàn)kWh，為企業(yè)節(jié)省電費(fèi)約300 萬(wàn)元。

（2）在空壓機(jī)壓縮側(cè)專(zhuān)門(mén)設(shè)置檢修鋼平臺(tái)及檢修電源，為空壓機(jī)的巡檢工作創(chuàng)造了便利的條件。

（3）在2 套分子篩吸附器中間設(shè)置聯(lián)合巡檢平臺(tái)，在保證檢修的同時(shí)，兼顧了分子篩、活性氧化鋁的裝填和卸料。

1.5 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1.5.1 總平面布置

要控制好安全距離。尤其是制氧主車(chē)間、液體儲(chǔ)槽、球罐、變電站、重要公用建筑、鐵路和民用建筑。設(shè)備及管線布置以工藝流程順暢、操作維護(hù)方便與站區(qū)整潔美觀和符合安全規(guī)范為原則。

1.5.2 主廠房

主廠房跨度選擇要考慮空壓機(jī)冷卻器的檢修。在廠房跨度不能滿足空壓機(jī)冷卻器檢修，又不宜擴(kuò)大跨度的情況下，可在廠房的墻上開(kāi)門(mén)，但要避開(kāi)廠房柱或局部調(diào)整空壓機(jī)所在位置的廠房柱距。起重機(jī)應(yīng)按照檢修最重件進(jìn)行選擇。軌頂標(biāo)高需要根據(jù)設(shè)備的高度和起吊件的特點(diǎn)計(jì)算確定。

1.5.3 空氣過(guò)濾、壓縮系統(tǒng)

過(guò)濾器的反吹氣源一般用儀表空氣，壓力0.5 MPa，但要需要核實(shí)過(guò)濾器廠家資料。有的過(guò)濾器要求反吹壓力為0.8 MPa，儀表氣壓力不能滿足，需要用滿足壓力要求的空氣或氮?dú)夥创怠＿^(guò)濾器管口標(biāo)高應(yīng)與空壓機(jī)入口標(biāo)高一致，減小阻損。入口管道采用不銹鋼管，防止管道銹蝕。空壓機(jī)排氣管道由于溫度高、應(yīng)力大，需要進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，避免出現(xiàn)排氣管道上補(bǔ)償器出現(xiàn)拉裂的情況。另外不同廠家的設(shè)備，其流程亦有不同，排氣管路上的止回閥、流量計(jì)和空冷塔進(jìn)口等的安裝要求，需要細(xì)心核實(shí)廠家資料。

1.5.4 氧壓機(jī)系統(tǒng)

氧壓機(jī)的保安和試車(chē)用氮?dú)夤艿辣仨毘P脫脂。氧壓機(jī)放空閥與安全閥在配管時(shí)盡可能使排出氣流的方向朝向放空消音器，減少?gòu)濐^，以緩沖高速氣流的沖擊，消除安全隱患。氧壓機(jī)放空消音器放散口的標(biāo)高不宜低于10 m，且需要高于廠房，對(duì)于大型氧壓機(jī)，氧氣放散量大，在不利于氧氣擴(kuò)散的大氣條件下，會(huì)造成放空消音器附近氧氣濃度大幅升高，形成安全隱患，因此放散口標(biāo)高要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)募痈摺?/p>

1.5.5 空氣預(yù)冷系統(tǒng)

對(duì)于室內(nèi)布置氮水預(yù)冷間，一定要核實(shí)空、水冷塔的人孔、爬梯與屋面梁和構(gòu)造梁的關(guān)系。分餾塔至水冷塔的氮?dú)狻⑽鄣獨(dú)夤艿乐睆捷^大，穿屋面或墻面時(shí)需與廠房土建圖紙仔細(xì)核實(shí)，避免碰撞。空冷塔是壓力容器，設(shè)計(jì)往往需要增設(shè)貼板以進(jìn)行管道支架的安裝，這就需要設(shè)計(jì)人員在設(shè)備審查階段告知設(shè)備廠家。冷水機(jī)組冷卻器需要定期抽芯檢修，設(shè)計(jì)時(shí)需留出足夠空間。

1.5.6 分子篩純化系統(tǒng)

分子篩吸附器的進(jìn)出口空氣、污氮管道盡可能對(duì)稱(chēng)布置，以均衡管道阻力。分子篩系統(tǒng)管道直徑大（如1×60 000 Nm3/h 空分裝置為DN1 400）、溫度高（加熱器后可達(dá)250 ℃以上）、應(yīng)力大，因而設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，達(dá)到管系的合理布置。

1.5.7 液體儲(chǔ)存系統(tǒng)

液體儲(chǔ)槽的布置考慮區(qū)域內(nèi)外設(shè)施的安全距離。液體儲(chǔ)槽區(qū)要設(shè)置圍堰，當(dāng)發(fā)生液體泄漏時(shí)，將泄漏的液體控制在圍堰內(nèi)逐漸蒸發(fā)，避免引發(fā)事故[2]。

1.5.8 管線系統(tǒng)

管線設(shè)計(jì)成管廊形式，根據(jù)工藝管道中大口徑管道的跨距來(lái)確定管廊的跨距，以減少落地支架的數(shù)量，小口徑管道由于跨距小，可通過(guò)增加管廊中的橫梁數(shù)量來(lái)解決。

1.5.9 氧氣調(diào)壓站

氧氣調(diào)壓站設(shè)防護(hù)墻，防護(hù)墻上方設(shè)防雨棚，保證一定的通風(fēng)面積，氧氣閥門(mén)的閥桿穿防護(hù)墻開(kāi)洞的縫隙應(yīng)用鋼板封堵。電氣儀表電纜不得穿越防爆墻。

2 采用的先進(jìn)技術(shù)

2.1 稀有氣體精制冷箱防爆墻

本項(xiàng)目同步建設(shè)了產(chǎn)品純度為6 N 的氪、氙精制裝置，采用高溫焙燒去除碳?xì)浠衔镆约暗趸铩⒍嗨s去除雜質(zhì)和特種吸附劑低溫吸附除氡等技術(shù)，具有回收率高的特點(diǎn)，但此氪、氙精制裝置易發(fā)生稀有氣體泄漏，造成安全生產(chǎn)事故，設(shè)計(jì)人員因此研發(fā)了氪、氙冷箱防爆墻。稀有氣體精制冷箱防爆墻，如圖3 所示。

圖3 稀有氣體精制冷箱防爆墻

（1）稀有氣體精制冷箱防爆墻為200 mm 厚，與稀有氣體精制冷箱等高，頂部為開(kāi)敞的混凝土實(shí)心墻，內(nèi)設(shè)檢修防爆燈、事故防爆通風(fēng)機(jī)和撞擊傳感器等設(shè)施，在與稀有氣體精制連接的過(guò)橋上增設(shè)快速切斷閥。

（2）當(dāng)稀有氣體精制冷箱管路發(fā)生爆炸時(shí)，其產(chǎn)生的管道碎片被防爆墻阻擋，避免管道碎片對(duì)分餾塔主塔和主換熱器破壞。防爆墻上傳感器接到撞擊信號(hào)后，通過(guò)分散控制系統(tǒng)（DCS）關(guān)閉快速切斷閥，打開(kāi)事故通風(fēng)機(jī)，將泄漏的稀有氣體排空，避免發(fā)生安全事故。

2.2 氮?dú)庹{(diào)節(jié)閥組島

河鋼唐鋼新區(qū)為綜合性大型鋼鐵公司，在生產(chǎn)中，根據(jù)工藝的差異需要不同壓力等級(jí)的氮?dú)鈦?lái)維持生產(chǎn)，尤其煉鋼生產(chǎn)中，濺渣護(hù)爐及汽化冷卻煙道氮封工藝，瞬間需要大量的高壓和低壓氮?dú)猓瑢?duì)管路沖擊大，管道壓力在此時(shí)降低較快，嚴(yán)重時(shí)將影響其他用戶(hù)的使用，在以往的設(shè)計(jì)中，一般均是擴(kuò)大輸送氮?dú)夤艿乐睆健⒃鲈O(shè)氮?dú)馇蚬蕖５谔其撔聟^(qū)超大型空分裝置及多空分裝置設(shè)計(jì)中，首次采用了對(duì)不同區(qū)域的氮?dú)膺M(jìn)行分類(lèi)輸送，建設(shè)氮?dú)庹{(diào)節(jié)閥組島，通過(guò)對(duì)調(diào)節(jié)閥的控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸送氮?dú)鈮毫陀昧康膭?dòng)態(tài)平衡，穩(wěn)定了因瞬間氮?dú)庥昧吭龃笤斐傻牡獨(dú)夤芫W(wǎng)壓力波動(dòng)，保證了管網(wǎng)和煉鋼生產(chǎn)的安全運(yùn)行。

本項(xiàng)目建設(shè)了氮?dú)庹{(diào)節(jié)閥組島，通過(guò)對(duì)不同區(qū)域的氮?dú)膺M(jìn)行分類(lèi)輸送（表1），實(shí)現(xiàn)輸送氮?dú)獾膭?dòng)態(tài)平衡，穩(wěn)定管網(wǎng)壓力，保證安全生產(chǎn)。

表1 氮?dú)夤艿绤?shù)

在氣體公司生產(chǎn)中配置有氮?dú)庖后w儲(chǔ)槽、液體泵和氣化器，其作用是在氮?dú)夤?yīng)不足時(shí)，通過(guò)氣化來(lái)滿足生產(chǎn)中的用量，以往氣化器氣化后的氮?dú)夤苈芬话闩c煉鋼高壓管道連接，不設(shè)置調(diào)節(jié)閥組，氣化后的氮?dú)鈮毫我唬{(diào)節(jié)能力差。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，將氮?dú)鈿饣鞴苈贩殖? 條支路，低壓氮?dú)庵g4 條調(diào)節(jié)閥管路，通過(guò)調(diào)節(jié)閥組分別供應(yīng)冷軋用低壓氮?dú)猓滠堄玫蛪旱獨(dú)猓撥堄酶邏旱獨(dú)猓ㄟ^(guò)DCS 系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管路中的壓力變化，再經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)閥的控制，精準(zhǔn)將不同壓力的氮?dú)馔ㄟ^(guò)管道進(jìn)行輸送，穩(wěn)定管網(wǎng)壓力。

3 結(jié)論

通過(guò)唐鋼新區(qū)生產(chǎn)實(shí)踐，超大型空分裝置具有生產(chǎn)能耗低，產(chǎn)品純度高等優(yōu)勢(shì)，多空分裝置聯(lián)合運(yùn)行，又保證了生產(chǎn)安全性，是鋼鐵企業(yè)空分裝置設(shè)計(jì)發(fā)展的主流方向。唐鋼國(guó)際作為冶金行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)的倡導(dǎo)者，燃?xì)鈱?zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員以“先進(jìn)、可靠”為原則，通過(guò)先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用，保證整個(gè)工序能耗最低，生產(chǎn)最為可靠及安全，為河鋼唐鋼新區(qū)實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效，跨越式發(fā)展貢獻(xiàn)力量。