空分裝置分子篩運行能耗淺析

宋治乾 李 剛 邊明昕 徐云峰

成都艾爾普氣體產(chǎn)品有限公司 （四川成都 610000）

分子篩純化系統(tǒng)是整個空分裝置中將空氣雜質(zhì)除去的重要設(shè)備，在除去空氣中雜質(zhì)的同時節(jié)能運行，對整個裝置的意義不言而喻。不論使用電加熱器還是蒸汽加熱器，優(yōu)化改進(jìn)其加熱程序，可減少加熱時間，延長分子篩使用壽命，從而節(jié)省蒸汽及電能，提高工廠整體經(jīng)濟效益。本研究涉及28 000 m3/h（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，下同）空分裝置，主要為某大型石化企業(yè)提供保護(hù)氮氣與氧氣，部分多余液氮、液氧、液氬作為附屬產(chǎn)品供周邊電子廠、鋼廠及醫(yī)院。裝置采用內(nèi)壓縮流程，空氣經(jīng)空壓機壓縮經(jīng)過分子篩凈化后分成兩部分，一部分直接進(jìn)入下塔參與精餾，一部分經(jīng)增壓機增壓后分別進(jìn)入上塔與下塔參與精餾。液氧從低壓塔底部采出進(jìn)入液氧儲罐，通過液氧泵增壓到氧氣產(chǎn)品需要的壓力，然后在冷箱內(nèi)的換熱器中與壓縮空氣換熱，液氧被汽化，空氣被液化，從而獲得高壓氧氣產(chǎn)品。低壓塔頂部和上部采出氮氣與污氮氣，氮氣經(jīng)壓縮機壓縮送下游客戶使用，而污氮氣則用于分子篩再生。該工藝避免了使用氧氣壓縮機所帶來的危險性和操作上的麻煩，同時可存儲部分液氧作為氧氣產(chǎn)品的后備，避免因空分裝置短時間故障而中斷氧氣供應(yīng)，是目前工業(yè)上大規(guī)模制取高純氧氣的最先進(jìn)技術(shù)。[1]隨著填料技術(shù)的進(jìn)步，高效率、低壓降的填料塔應(yīng)用于深度冷凍法分離空氣裝置，無氫精餾制氬技術(shù)才實現(xiàn)工業(yè)化。無氫精餾制氬技術(shù)采用雙塔精餾對粗氬進(jìn)行精制，完全避免了用氫氣制氬技術(shù)的缺點，且生產(chǎn)過程更易于控制。

1 分子篩系統(tǒng)組成

該裝置分子篩由活性氧化鋁、鈣劑分子篩和13X 分子篩組成，主要用于清除空氣中的水分、乙炔、二氧化碳等雜質(zhì)，以避免溫度降低從空氣中析出，凍結(jié)和堵塞換熱器通道，同時避免一些碳?xì)浠衔镌谥骼洹⒁貉鮾Σ壑行纬删奂a(chǎn)生危險；分子篩由4 個吸附器（兩兩并列）和再生加熱系統(tǒng)組成，再生加熱系統(tǒng)由一個蒸汽加熱器與一個電加熱器串聯(lián)組成，具體如圖1 所示。

圖1 分子篩系統(tǒng)組成

裝置開車啟動時，再生氣來自分子篩后端的空氣，以滿足分子篩再生的需要；裝置正常運行時，再生氣則來自主精餾上塔通過主換熱器復(fù)熱后的污氮氣，其氧氣體積分?jǐn)?shù)在3%以下，有利于分子篩的安全、可靠運行。

2 分子篩加熱系統(tǒng)主要參數(shù)及流程

該裝置分子篩一個再生周期需要5 h，其加熱時間隨季節(jié)及裝置負(fù)荷變化而不同，夏季約需要60 min，冬季約需要45 min，加熱再生氣量需要22 000 m3/h，冷吹再生氣量需要27 000 m3/h，分子篩加熱再生設(shè)計溫度為195 ℃。

再生氣所需要的熱量由蒸汽加熱器和電加熱器兩部分提供。蒸汽加熱器為臥式加熱器，使用由公用工程熱電站提供的過熱蒸汽，設(shè)計壓力1.2 MPa、溫度290 ℃；受制于熱電站減溫減壓器及各裝置蒸汽使用情況，其飽和蒸汽實際溫度只有188 ℃。在分子篩加熱時，蒸汽通過蒸汽加熱器換熱被冷凝，冷凝水回收到冷凝水池，由冷凝水泵將冷凝液輸送到循環(huán)水池再利用；蒸汽加熱器出口安裝有露點監(jiān)測儀，來監(jiān)測其是否會出現(xiàn)內(nèi)漏。電加熱器共有5 組，每組有20 根加熱管，每一組電加熱器功率為150 kW，5 組總計750 kW；加熱管內(nèi)部加熱元件設(shè)計最高溫度不超過600 ℃，加熱系統(tǒng)啟動后，工作時電加熱溫度一般達(dá)到270 ℃，電加熱器殼體有溫度高高聯(lián)鎖保護(hù)，當(dāng)溫度超過600 ℃時會自動聯(lián)鎖關(guān)停。

3 電加熱器單元節(jié)能控制比例設(shè)定

分子篩一個再生周期分為5 個步驟，分別是泄壓、加熱、冷吹、充壓、并聯(lián)運行。分子篩加熱的目的是通過高溫再生氣解析分子篩正常運行時吸附的水分、二氧化碳等雜質(zhì)。

該裝置電加熱共計5 組，根據(jù)再生氣流量與溫度變化的關(guān)系，利用再生氣流量與溫變比例控制5組電加熱器的啟動和停止。在分子篩再生加熱程序設(shè)計中，將再生加熱氣溫度控制器TIC1626-1 控制比例值預(yù)設(shè)為50%，當(dāng)加熱步驟開始后，TIC1626-1控制器會自動投用轉(zhuǎn)為50%設(shè)定；當(dāng)每組電加熱器溫度達(dá)到設(shè)定比例時，會按照比例值進(jìn)行自動啟停，分子篩再生加熱初期蒸汽提供熱量使再生氣溫升較慢，所以，每組電加熱器會按照其啟動比例依次全部投用；電加熱器E167 第一組控制啟動設(shè)定比例為20%、停止設(shè)定比例為15%，第二組控制啟動設(shè)定比例為75%、停止設(shè)定比例為70%，第三組控制啟動設(shè)定比例為35%、停止設(shè)定比例為25%，第四組控制啟動設(shè)定比例為95%、停止設(shè)定比例為90%，第五組控制啟動設(shè)定比例為65%、停止設(shè)定比例為60%。當(dāng)分子篩再生氣出電加熱器后溫度達(dá)到195℃時，電加熱器按照先前設(shè)定的比例值停止運行。當(dāng)加熱步驟結(jié)束后，TIC1626-1 控制器會自動轉(zhuǎn)為手動狀態(tài)保持。具體如圖2 所示。

圖2 電加熱器啟動比例設(shè)置

4 電加熱器的設(shè)計功率

電加熱器是為了輔助蒸汽加熱器完成再生氣的升溫任務(wù)，因此電加熱器設(shè)計功率不能太大，以免浪費；也不能太小，避免出現(xiàn)蒸汽斷供或者蒸汽加熱器E162 維修等導(dǎo)致空分裝置被迫停車。通過計算得出，在電加熱器E167 單獨加熱的情況下，裝置依然能夠最低負(fù)荷運行，避免了裝置因蒸汽斷供而停車。

電加熱器功率的確定見公式（1）。

其中：p 為加熱器功率，kW；V 為所需的加熱氣體量，m3/h；cV為加熱氣體的容積比熱容，kJ/（m3·K）；T2為加熱氣體出口溫度，K；T1為加熱氣體進(jìn)口溫度，K。

5 電加熱系統(tǒng)運行情況

分子篩電加熱器E167 在分子篩開始加熱3 min 內(nèi)5 組全部投入，這時蒸汽加熱器E162 出口溫度約為95 ℃，而E167 出口溫度約為88 ℃；在蒸汽加熱器與電加熱器同時運行5.5 min 后，TI1660 與TI1626-1 出口溫度為120 ℃；其中蒸汽加熱器出口溫度在125 ℃左右，上漲較為緩慢，而電加熱器出口溫度基本達(dá)到168 ℃；E167 與E162（142 ℃）同時運行10 min 加熱溫度到190 ℃，分子篩加熱系統(tǒng)控制程序按比例停第四組電加熱器。加熱曲線具體如圖3 所示。

圖3 分子篩加熱溫度曲線

這種加熱模式可以使再生加熱氣以更快速率達(dá)到150 ℃以上以滿足加熱氣溫度要求，從而使加熱時間大幅度縮短至50 min 左右，約占再生時間的17%。而一般分子篩的加熱時間是再生時間的25%左右，這樣就可以有更充足的時間分配給冷吹階段，以保證冷吹合格，否則冷吹不徹底會將下次吸附時太多的熱量帶入精餾塔內(nèi)，導(dǎo)致塔內(nèi)精餾工況紊亂，破壞產(chǎn)品純度。

6 分子篩運行能耗變化情況

該裝置位于成都平原，夏天（6 月—9 月）與冬天（11 月—次年2 月）運行受天氣變化影響，整體能耗變化較大。夏天天氣炎熱，空氣濕度大，循環(huán)水溫度為25～32 ℃，通過空冷塔冷卻后的空氣進(jìn)入分子篩溫度較高（15～22 ℃），且含水量高，所以分子篩運行負(fù)荷較大；而冬天時循環(huán)水溫度較低，為15～20 ℃，出空冷塔空氣溫度在10 ℃左右，含水量較低，分子篩運行負(fù)荷較低。對比兩個季節(jié)能耗的變化，夏季時分子篩一個再生周期（5 h 切換一次）平均能耗約為7 325 kW，而冬季時分子篩一個再生周期平均能耗約為4 395 kW。整體能耗冬季較低，夏冬兩季能耗相差2 930 kW。

綜上所述，分子篩加熱器在控制比例運行期間，能夠很好地節(jié)省電能。普通電加熱器不按比例控制，消耗的電能遠(yuǎn)大于按照比例控制的電加熱器。按照比例控制的電加熱器利于設(shè)備本身的維護(hù)，為裝置和工廠安全、可靠生產(chǎn)及經(jīng)濟性帶來了很大的收益；同時，空氣出預(yù)冷系統(tǒng)時的溫度變化對分子篩能耗也有一定的影響。

7 結(jié)語

分子篩吸附器主要用于清除原料空氣中的水分、乙炔、二氧化碳以及一些碳?xì)浠衔铮苑乐惯@些雜質(zhì)在設(shè)備及管線部位局部積聚和凍結(jié)并堵塞管線。其中，乙炔和其他碳?xì)浠衔镌诳辗衷O(shè)備內(nèi)積聚，在一定條件下還會引起爆炸。所以，在保證空分設(shè)備長期、安全、可靠運行的情況下，能夠通過調(diào)整分子篩電加熱器加熱時間，更好地利用富余蒸汽對分子篩進(jìn)行加熱再生，有效控制分子篩運行期間的整體能耗，使其在最優(yōu)能耗下運行以降低裝置生產(chǎn)運行成本。