內壓縮流程空分設備氧氣純度調節方法分析

周金城，劉江淮，王勝利

(安徽馬鋼氣體科技有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

1 前 言

馬鞍山鋼鐵股份有限公司(以下簡稱：馬鋼)20 000 m3/h液氧內壓縮流程空分設備是杭氧設計、制造的。20 000 m3/h內壓縮流程空分設備采用空氣循環增壓、膨脹空氣進下塔、液氧內壓縮及氮氣外壓縮、全精餾制氬工藝流程。

空分設備上塔提餾段氧氣純度調節對空分設備精餾工況影響較大。馬鋼20 000 m3/h液氧內壓縮流程空分設備自投入運行，在空分設備開車、運行時對上塔提餾段氧氣純度采用不同調節方法，經過對內壓縮流程空分設備上塔提餾段氧氣純度不同調節方法進行分析及實際運用效果比較，認為內壓縮流程空分設備氧氣純度調節方法與傳統的外壓縮流程空分設備氧氣純度調節方法有較大不同。

2 內壓縮流程空分設備工藝流程特點

馬鋼20 000 m3/h液氧內壓縮流程空分設備低壓空氣、中壓膨脹空氣、高壓空氣作為加工空氣均入下塔參與精餾。中壓膨脹空氣經膨脹機等熵膨脹入下塔，膨脹空氣溫度低，膨脹空氣為氣液混合狀態。高壓空氣在主換熱器冷端液化，經高壓液空節流閥等焓節流降溫、降壓導入下塔。因液態膨脹空氣、高壓液空作為下塔回流液參與精餾，氣態膨脹空氣、低壓空氣作為下塔上升蒸氣參與精餾，下塔回流比大，下塔塔釜液空中氧氬含量高、下塔頂部液氮中氧含量低。

20 000 m3/h內壓縮流程空分設備膨脹空氣未入上塔精餾段，上塔精餾段回流比大，污氮氣中氧氬含量低，空分設備氧氣、氬氣提取率較高。

20 000 m3/h內壓縮流程空分設備從主冷抽取液氧，經中壓液氧泵加壓輸送至主換熱器與高壓空氣換熱，中壓液氧氣化、復熱，輸入氧氣管網，空分設備不可逆損失較大。

同時，在20 000 m3/h內壓縮流程空分設備工藝流程設計中，在上塔提餾段下部抽取一股純度合格的氣態氧氣經旁通調節閥V7調節入污氮氣總管回收冷量，調節上塔提餾段氬餾分氬含量及氧氣純度，空分設備損失部分氧組分。

3 內壓縮流程空分設備氧氣純度調節方法分析

3.1 正流加工空氣流量調節方法

3.1.1低壓空氣流量

低壓空氣入下塔作為上升蒸氣參與精餾，低壓空氣流量變化直接影響下塔回流比與主冷熱負荷。

改變低壓空氣流量影響下塔回流比，使入上塔提餾段的下塔塔釜液空氧含量發生變化。同時，改變低壓空氣流量直接影響主冷熱負荷，使主冷液氧蒸發量發生變化，上塔提餾段上升蒸氣流量變化，上塔提餾段回流比改變，主冷蒸發側液氧與上塔提餾段氣氧純度變化。

調節入下塔參與精餾的低壓空氣流量，主冷蒸發側液氧蒸發量變化明顯，上塔提餾段氧氣純度變化幅度較大，氧氣純度運行值易控制。空分設備低壓空氣流量變化值限制氧氣純度調節范圍。

低壓空氣流量調節方法適用于內壓縮流程空分設備熱開車、冷開車、運行狀態時調節氧氣純度及氬餾分氬含量。

3.1.2中壓膨脹空氣流量、高壓空氣流量壓力

中壓膨脹空氣是物料與冷量載體，為空分設備精餾提供部分加工空氣及大部分制冷量。中壓膨脹空氣經氣液分離器分離，氣態的膨脹空氣入下塔作為上升蒸氣參與精餾。改變膨脹空氣流量，使下塔上升蒸氣液化量、回流液體蒸發量發生變化，下塔液空氧含量與主冷熱負荷改變，上塔提餾段氧氣純度變化。

高壓空氣以液體形式直接入下塔，作為下塔回流液參與精餾。改變高壓空氣流量，直接導致下塔下部回流液體流量改變，使下塔下部回流比發生變化，下塔塔釜液空氧含量與入上塔提餾段液空流量變化，上塔提餾段氧氣純度變化。

調節入下塔的中壓膨脹空氣流量、高壓空氣流量壓力，上塔提餾段回流比變化幅度較小，調節氧氣純度精餾時間長，氧氣純度運行值不易控制。

中壓膨脹空氣流量與高壓空氣流量壓力調節方法不適用于內壓縮流程空分設備正常運行狀態時氧氣純度調節。

3.2 氧氣流量調節方法

改變內壓縮流程空分設備氧氣流量，使從主冷中抽取入主換熱器的液氧流量發生改變，在主換熱器中與液氧換熱的高壓空氣流量壓力發生變化，入上塔提餾段進行精餾的下塔液空氧含量及液空流量變化，上塔提餾段氧氣、氮氣組分平衡狀態改變，氧氣純度變化。

在內壓縮流程空分設備正常運行狀態下進行變負荷操作時，改變氧氣流量，主冷液氧蒸發量變化值較小，上塔提餾段上升蒸氣流量變化幅度小，上塔提餾段氧氣純度運行值變化不明顯。

同時，改變氧氣流量必須對入下塔參與精餾的高壓空氣流量壓力進行相應調節，以保持主換熱器熱端溫差、中部溫度穩定。上塔提餾段液空進料口處的回流液體氧含量、流量變化幅度小，上塔提餾段氧氣純度進行調節的精餾時間較長，氧氣純度變化量小，氧氣純度運行值不易控制。

氧氣流量調節方法不適用于內壓縮流程空分設備正常運行狀態時調節氧氣純度。

在內壓縮流程空分設備熱開車及冷開車調純、運行狀態變負荷時，調節從上塔提餾段直接抽取旁通入污氮氣總管純度合格的氣態氧氣流量，上塔提餾段回流比變化幅度較大，氧氣純度及氬餾分氬含量調節時間短，氧氣純度及氬餾分氬含量運行值易控制，但氧氣提取率降低。同時，上塔提餾段直接抽取旁通入污氮氣總管的氣態氧氣流量值限制氧氣純度調節范圍。

旁通氧氣流量調節方法適用于內壓縮流程空分設備熱開車、冷開車、運行狀態時調節氧氣純度。

3.3 氮氣、污氮氣、液氮產品流量調節方法

3.3.1氮氣、污氮氣流量

改變內壓縮流程空分設備產品氮氣、污氮氣流量，直接改變了上塔物料平衡、組分平衡。同時改變了上塔壓力，使主冷熱負荷變化，主冷液氧蒸發量發生變化，上塔回流比變化，上塔精餾段氮氣純度、污氮氣氧含量與上塔提餾段氧氣純度、氬餾分氬含量均變化。

在內壓縮流程空分設備操作中，調節上塔精餾段抽取的氮氣、污氮氣流量，上塔精餾段、提餾段氧、氮、氬組分再次建立組分平衡狀態時間短，上塔提餾段氧氣純度、氬餾分氬含量變化幅度大，氧氣純度運行值易控制且穩定。

氮氣、污氮氣流量調節方法適用于內壓縮流程空分設備熱開車、冷開車、運行狀態時調節氧氣純度。

3.3.2液氮產品流量

改變內壓縮流程空分設備從主冷冷凝側抽取的液氮產品流量，使主冷冷凝側換熱面積發生變化，主冷液氧蒸發量發生變化，上塔提餾段上升蒸氣流量改變，上塔提餾段氧氣純度變化。

調節主冷冷凝側抽取的液氮產品流量，主冷熱負荷變化明顯，上塔提餾段氧氣純度變化幅度明顯，氧氣純度運行值易調節。液氮產品純度與產量限制氧氣純度調節范圍。

液氮產品流量調節方法適用于內壓縮流程空分設備熱開車、冷開車、運行狀態時調節氧氣純度。

3.4 主冷液位調節方法

改變主冷蒸發側液氧液位，使主冷蒸發側液氧換熱面積、主冷溫差改變，主冷熱負荷發生變化，主冷液氧蒸發量變化，上塔提餾段上升蒸氣流量改變，上塔提餾段氧氣純度變化。

調節主冷蒸發側液氧液位，上塔提餾段上升蒸氣流量變化幅度較大，氧氣純度變化量較大，氧氣純度調節時間較短，氧氣純度易調節且穩定。主冷安全運行值限制氧氣純度調節范圍。

主冷液位調節方法適用于內壓縮流程空分設備熱開車、冷開車時調節氧氣純度。

3.5 粗氬塔工況調節方法

3.5.1氬餾分流量

通過改變粗氬冷凝蒸發器熱負荷，改變從上塔提餾段抽取入粗氬塔進行精餾的氬餾分流量，使上塔提餾段上升蒸氣流量發生變化，上塔提餾段回流比變化，上塔提餾段氧氣純度變化。

調節粗氬冷凝蒸發器熱負荷，上塔提餾段抽取入粗氬塔精餾氬餾分流量變化明顯，上塔提餾段氬餾分抽口處上升蒸氣中氬、氮、氧組分含量變化明顯，主冷液氧及上塔提餾段氧氣純度變化值較小，氧氣純度運行值不易控制。在空分設備正常運行時，為保持粗氬塔精餾工況、液氬純度及產量穩定，粗氬冷凝蒸發器熱負荷不需做較大幅度調節。

氬餾分流量調節方法不適用于內壓縮流程空分設備氧氣純度調節。

3.5.2循環粗氬泵負荷

通過改變循環粗氬泵回流閥開度及變頻器負荷，使循環粗氬泵負荷改變，循環粗氬泵從粗氬Ⅱ塔塔釜抽取經粗氬Ⅰ塔輸入上塔提餾段的富氬液氧流量改變，上塔提餾段回流液體流量變化，直接影響上塔提餾段回流比，氧氣純度發生變化。

調節循環粗氬泵負荷，經粗氬Ⅰ塔入上塔提餾段的富氬液氧流量變化明顯，富氬液氧流量值易控制，上塔提餾段回流比變化量較大，氧氣純度及氬餾分氬含量調節時間短。粗氬Ⅱ塔塔釜液位安全運行值限制氧氣純度及氬餾分氬含量調節范圍。

循環粗氬泵變負荷調節方法較適用于內壓縮流程空分設備熱開車、冷開車時調節氧氣純度。

3.6 液空氧含量調節方法

內壓縮流程空分設備從主冷中抽取部分液氧經液氧泵加壓輸入主換熱器氣化、復熱，制取產品氧氣。改變下塔塔釜液空氧含量，使上塔提餾段氧、氮組分平衡工況改變，主冷液氧及上塔提餾段氧氣純度發生變化。

調節下塔液空氧含量，下塔及上塔提餾段氧、氮組分達到平衡工況精餾時間較長，上塔提餾段氧氣純度調節時間長，氧氣純度變化量較少。

液空氧含量調節方法較適用于內壓縮流程空分設備熱開車、冷開車時調節氧氣純度。

4 內壓縮流程空分設備熱開車氧氣純度調節方法運用實例

在馬鋼20 000 m3/h內壓縮流程空分設備熱開車調純階段，對氧氣、氮氣純度及氬餾分氬含量進行調節。根據空分設備精餾工況變化，運用不同氧氣純度調節方法，將氧氣純度調節分為3個階段。

第1階段：在氧氣、氮氣純度均未合格時，調節氧氣純度。

啟動中壓液氧泵，根據氧氣純度升幅，逐步將氧氣流量、高壓空氣流量壓力增至大于低報警值小于正常運行值，以減少入上塔提餾段液空流量，降低上塔提餾段回流比。同時，根據主塔物料、組分平衡原理，調節氮氣放空閥、污氮氣壓力調節閥，分步將氮氣流量、污氮氣壓力值調至正常運行值，使氧氣純度運行值升高。

根據下塔阻力變化，分步將低壓空氣流量增至正常運行值。同時調節中壓膨脹空氣流量，保持主冷液位穩定，以此提高主冷熱負荷，增加上塔提餾段上升蒸氣流量。同時，根據液空氧含量，逐步增大液氮節流閥、污液氮節流閥開度，將下塔液空氧含量升至正常運行值，使上塔提餾段氧氣純度升至正常運行值。

第2階段：調節氮氣純度、氬餾分氬含量，保持氧氣純度穩定。

根據下塔頂部液氮純度與上塔頂部氮氣純度差值，調節液氮節流閥，使氮氣純度合格。同時在下塔頂部液氮純度合格時，根據液氮純度變化，開啟液氮產品調節閥Ⅴ8，逐步增加液氮產品流量，提高主冷蒸發側液氧蒸發量，減少上塔提餾段氬餾分抽口處回流液體、上升蒸氣中氬氮組分含量，降低氬餾分氬含量，使氧氣純度大于正常運行值。

根據氧氣純度與污氮氣氧含量變化，逐步將氧氣流量、高壓空氣流量壓力增至正常運行值。同時，根據氬餾分氬含量變化，調節旁通氧氣流量調節閥Ⅴ7，提高上塔提餾段回流比，使上塔提餾段氬富集區移至正常運行區域，將氧氣純度調至正常運行值。

第3階段：粗氬塔投運時，調節氧氣純度穩定。

在氧氣、氮氣純度及氬餾分氬含量達到正常運行值時，粗氬塔投運，是將已建立物料、組分、冷量平衡狀態的主塔過渡至主塔、粗氬塔均達到物料、組分、冷量平衡狀態。因上塔提餾段氬餾分氬含量變化0.1%，氧氣純度變化1%，氬餾分氬含量變化率大于氧氣純度變化率。在粗氬塔投運階段，根據上塔提餾段氬餾分氬含量變化，調節氧氣純度。

在粗氬塔初步投運時，根據上塔提餾段氬餾分氬含量變化，逐步開啟粗氬冷凝蒸發器液空進液閥，逐步提高粗氬冷凝蒸發器熱負荷，使氬餾分抽取量逐步增加。因下塔塔釜液空導入上塔提餾段流量減少，逐步使主冷液位降至大于低報警值小于正常運行值，使上塔提餾段上升蒸氣液化量降低、回流液體蒸發量增加，將氬餾分氬含量減至小于正常運行值，控制氧氣純度運行值升幅小。在粗氬Ⅱ塔塔釜液位升至正常運行值時，啟動循環粗氬泵，根據上塔提餾段氬餾分氬含量變化，調節循環粗氬泵回流閥開度、變頻器負荷，調節輸入上塔提餾段富氬液氧流量，逐步使主冷液位提高，使上塔提餾段上升蒸氣液化量增加、回流液體蒸發量降低，提高氬餾分氬含量，控制氧氣純度運行值降幅小。

在粗氬塔工況建立進行粗氬純度調節時，根據粗氬Ⅱ塔塔釜液位變化，減小循環粗氬泵回流閥開度、增大循環粗氬泵變頻器負荷，提高輸入上塔提餾段富氬液氧流量，將主冷液位升至正常運行值。同時調節污氮氣壓力調節閥、旁通氧氣流量調節閥，使上塔提餾段上升蒸氣液化量增加、回流液體蒸發量降低，將氬餾分氬含量增至正常運行值，使氧氣純度減至正常運行值。

5 結束語

液氧內壓縮流程空分設備與氧氣外壓縮流程空分設備工藝流程有較大不同，氧氣純度調節方法差異較大。通過對內壓縮流程空分設備工藝流程特點與影響氧氣純度因素分析，針對性運用適合不同精餾工況的各種氧氣純度調節方法，在空分設備開車、運行時，使氧氣純度調節時間短、氧氣純度運行值穩定。