空分工藝流程優化研究

郭旭斌

（中煤鄂爾多斯能源化工有限公司，內蒙古鄂爾多斯 017317）

中煤鄂爾多斯能源化工有限公司3套空分裝置分兩期建成。如圖1所示，一期化肥項目配套建設2套制氧能力為40 000Nm3/h的空分裝置，核心設備空壓機和增壓機采用曼恩機械有限公司成套設備，汽輪機采用杭州汽輪機股份有限公司成套設備，主體設備采用四川空分設備（集團）有限責任公司成套設備，2011年7月15日項目開始施工，2013年12月6日氧氮產品合格。如圖2所示；二期甲醇項目配套建設一套制氧能力為75 000m3/h的空分裝置，核心設備空壓機組采用西門子工業透平（葫蘆島）有限公司成套設備，主體設備采用杭州杭氧股份有限公司成套設備，2019年3月5日項目開始施工，2020年11月11日氧氮產品合格。

圖1 一期化肥項目2×40 000m3/h空分裝置工藝流程簡圖

圖2 二期甲醇項目75 000Nm3/h空分裝置工藝流程簡圖

1 空分裝置CO2設計點選取

我公司3套空分裝置分子篩吸附器均為立式徑向流雙層床結構，兩只吸附器切換工作，由空冷塔來的空氣經吸附器除去其中的水分、CO2和部分CnHm后，純化后一部分入增壓機合作產品氣外，其他進入冷箱參與精餾分離，純化后空氣中水含量≤100ppm、CO2≤1μL/L，如表1所示。

表1 2022年1-3月份空分裝置自潔式過濾器入口空氣化驗數據表

通過對我公司2022年1—3月空分裝置自潔式過濾器入口空氣化驗數據表進行分析，因自然環境或化工生產集群效應等情況導致自潔式過濾器入口空氣中的CO2含量普遍高于420μL/L，同時生產中經常存在風向或后系統生產影響導致自潔式過濾器入口空氣中CO2含量瞬時劇烈波動的情況。一期空分裝置依據公共基礎設計條件空氣中CO2設計點為500μL/L，一期2套空分裝置建成正常投產后，自潔式過濾器入口空氣中CO2含量不時出現遠超設計值的情況，導致分子篩吸附器工作、再生負荷大，嚴重時出現主冷凝蒸發器內碳氫化合物工藝指標升高的情況。

二期空分裝置建設時借鑒一期空分裝置運行中出現的問題，技術人員和行業專家通過多次考察、研討和分析后，確定二期空分裝置空氣中CO2設計指標≥800μL/L，通過1年多生產運行考驗，自潔式過濾器入口空氣中CO2含量劇烈波動時，分子篩吸附器運行穩定，各項工藝指標平穩無異常。新建空分裝置CO2設計點的選取因地而異，建議前期項目籌備時多進行考察和研討，保證采用合理的CO2設計點，防止出現生產安全隱患。

2 空壓機放空流程優化

一期空分裝置空壓機采用一體式氣動蝶閥單路放空流程，放空閥安裝在空壓機出口工藝管道上，距離空壓機本體約3m，空壓機運行時存在管道和閥體振動大的問題，導致放空閥控制部件故障率高，同時多年運行后放空閥存在內漏或調節不靈敏的問題，影響裝置穩定生產。技術人員對現場進行檢查和分析，判斷為放空閥控制部件因振動大損壞影響生產運行，隨后改為分體式定位器，振動大問題得到消除，生產運行中再無此類故障發生，但是放空閥內漏或調節不靈敏問題在每次大檢修期間需安排處理，存在不易檢修、維修成本高的情況。

二期空分裝置項目建設時，在充分借鑒一期空分裝置空壓機放空流程中存在的問題，二期空分裝置空壓機放空工藝流程采用兩路放空的改進方式，距離空壓機本體較遠的放空管道分別安裝氣動球閥和氣動蝶閥進行調節，優化后的工藝流程可消除一期空分裝置存在的問題。二期空分裝置空壓機放空閥設計理念為氣動球閥放空管線負責日常或小開度放空調節，氣動蝶閥放空管線負責大開度放空調節，新建空分裝置通過試車、試生產和生產運行考驗，驗證了放空控制精確、調節靈敏、故障率低、安全可靠的效果，可在項目設計階段采用此放空工藝流程優化經驗。

3 預冷系統流程優化

二期空分裝置正常生產后，對3套空分裝置多次開停車過程進行對比和總結，二期空分裝置預冷系統工藝流程未設計空冷塔出口空氣減壓到水冷塔干氣管道的流程，對比一期空分裝置運行情況，在開車過程中未向冷箱導氣時空冷塔出口溫度長時間高于設計值，期間分子篩吸附器工作負荷較大，存在長時間工藝流程未打通，影響分子篩吸附器的正常運行。對比一二期空分裝置開停車經驗，建議增加空冷塔出口空氣減壓到水冷塔干氣管道的流程，具備開車時建立水冷塔工況、降低空冷塔出口溫度、減少分子篩吸附器工作負荷、實現長時間空氣不進冷箱的運行條件，此項目投資少，實際運行效果好，便于空分裝置各系統的建立和運行，此運行經驗可用在新建和改建項目中。

4 純化系統流程優化

對比一期空分裝置開停車或運行情況，二期空分裝置純化后空氣到增壓機入口管道未設計切斷閥，裝置開車時增壓機入口補氣時間長，補氣時入口壓力調節滯后，增壓機和分子篩吸附器檢修時不便于單獨隔離，存在系統檢修時間長的問題。在投資和技術條件允許時，建議純化后空氣到增壓機入口管道增加切斷閥，可縮短增壓機開車時間和優化增壓機入口壓力精準控制，實現增壓機和分子篩吸附器單獨隔離檢修工作。

5 氣體膨脹流程優化

二期空分裝置增壓機到氣體膨脹機管道未增加切斷閥，2臺氣體膨脹機在裝置吹掃時無法與增壓機進行隔離，隨后在試車階段臨時設計、采購、增加切斷閥，保證了氣體膨脹機的有效隔離和增壓機穩定運行，在工藝流程設計階段需注意全面考慮設備隔離吹掃或運行的相關工作。

一期2套空分裝置采用增壓機中抽空氣作為膨脹機加工氣的流程，二期空分裝置采用增壓機中抽空氣作為膨脹機膨脹端加工氣和增壓機末級空氣作為膨脹機增壓端加工氣的工藝流程。通過一二期空分裝置膨脹機實際運行經驗，對比氣體膨脹機采用一股空氣作為加工氣源，單氣源工藝流程操作要求低，生產運行應急處理時高壓板式換熱器熱平衡變化小、工藝調整少、操作簡單，但膨脹機采用兩路加工氣源的流程對增壓機要求低、投入小等，需建設單位綜合評價后確定工藝路線。

6 液體膨脹流程優化

一期2套空分裝置冷箱采用高壓空氣節流閥工藝流程，因高壓節流閥工作壓差、溫差變化大，裝置在長時間運行后出現閥門波動、閥芯脫落等故障，故障出現后需空分裝置停車排液進行檢修，對生產影響大，造成經濟損失嚴重。二期空分裝置設計時采用液體膨脹機和高壓空氣節流閥的工藝流程，正常生產期間液體膨脹機運行穩定、制冷量大、具有發電功能，對穩定生產、節能降耗效果顯著，同時全量高壓空氣節流閥作為備用設備投入使用，裝置生產更加安全可靠。采用液體膨脹機的工藝流程，設備正常成本回收期為3年左右，同時可與高壓空氣節流閥互為備用流程，可有效提高裝置運行的穩定性，此經驗可在新建裝置時推廣。

7 精餾系統流程優化

二期空分裝置分餾系統設計有8臺低壓板式換熱器，在進入的純化空氣總管設計1個總進氣控制閥，試車和生產期間低壓氮氣、污氮氣、粗氬氣出換熱器溫度存在負溫和溫差大的現象，系統存在氣流分布不均勻、偏流的問題，尤其在夏季高溫天氣溫差更加明顯。判斷為大型空分裝置換熱器氣流偏流引起溫差不平衡，總包單位組織在進低壓板式換熱器8個空氣支管上增加手動蝶閥，通過生產運行檢驗低壓板式換熱器溫差得到有效改善，但是在分子篩吸附器每個再生周期時低壓板式換熱器的低壓氮氣、污氮氣8個溫度測點變化范圍不同，需及時調整現場8個手動蝶閥開度來消除溫差，存在不便于操作的情況。在大型空分裝置建設時，因換熱設備數量、管道尺寸的增大易出現高低壓板式換熱器氣流分布不均勻的情況，通過生產運行后，建議在純化空氣進冷箱的每個進氣支管或反流低溫氣體尺寸較大管道上的增加控制閥，便于工藝流程的精準控制，防止出現高低壓板式換熱器偏流溫差大的運行問題。

8 后備系統流程優化

一期空分裝置配套建設2個50m3液氧儲罐和2個100m3液氮儲罐，二期空分裝置配套建設1個1 000m3液氮儲槽，我公司低溫液氮洗工藝生產中需要大量使用液氮，因使用裝置距離遠，外送液氮壓力、流量在生產中頻繁進行調整，導致產品液氮壓力、流量波動大。作為公用工程生產裝置，空分裝置全部處于生產狀態，如果出現局部故障檢修會引起后系統減產或停車，停產后系統恢復時間長、生產影響廣、經濟損失大。通過調研生產裝置建有液氧、液氮后備系統可有效解決短時間空分裝置局部故障停車的應急檢修，對后系統影響可以降到最低或消除，造成的經濟損失可降至最低。建議新建裝置設計配套的后備系統，在空分裝置故障狀態時可全量維持后系統正常生產，同時后備系統有低溫液體貯存備用、倒運調峰、充裝槽車的功能，兼具穩定生產、創收增效的作用。

9 地下管網系統優化

我公司主生產裝置位于鄂爾多斯市烏審旗圖克鎮，場地屬于毛烏素沙地區域，一期空分裝置地下管網采用埋地管方式進行敷設，裝置運行多年后出現循環水、生產水管道多次泄漏的問題，埋地管道消除漏點時土方開挖困難、施工周期長、檢修成本高、存在被動檢修等問題。依據我公司地管檢修存在的困難和特殊地貌，建議在條件允許的情況下，建廠時統一規劃先進的地管敷設方式，如混凝土管溝內集中敷設地下管道等方式，可解決地管不便于操作，日常巡檢、檢修困難和檢修成本高等問題。

10 結束語

通過對我公司3套空分裝置生產運行后工藝流程進行梳理、分析和總結，優化后的工藝流程經驗更加有利于空分系統的生產操作。此工藝流程優化經驗可在同類型裝置項目建設、技改優化時評估后采納應用，對裝置節能降耗、優化操作和穩定生產具有指導意義。