內壓縮流程空分設備熱開車積液調純方法分析

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空分設備由杭氧設計、制造。20 000 m3/h空分設備采用空氣循環增壓、膨脹空氣進下塔、液氧內壓縮、全精餾制氬流程。20 000 m3/h液氧內壓縮流程空分設備從主冷連續抽取一股液氧通過液氧泵加壓,經組合式主換熱器氣化、復熱后輸送至冷箱外的馬鋼氧氣管網。

馬鋼20 000 m3/h液氧內壓縮流程空分設備自投產,在20 000 m3/h液氧內壓縮流程空分設備熱開車積液調純階段操作時,對主冷積液與主塔調純采用邊積液邊調純與先積液后調純兩種操作方法。對20 000 m3/h空分設備熱開車積液調純階段采用兩種積液調純操作方法進行分析以及實際運用效果比較,研究這兩種積液調純操作方法對內壓縮流程空分設備熱開車的影響。

2 邊積液邊調純

2.1 邊積液邊調純操作方法特點

邊積液邊調純是空分設備在熱開車過程中對主冷積累液體的同時對主塔氧氣、氮氣純度與氬餾分氬含量進行調節,即主冷積液與主塔調純同步進行操作。

馬鋼20 000 m3/h空分設備采用液氧內壓縮流程,中壓膨脹空氣等熵膨脹與高壓空氣等焓節流產生充裕的制冷量。低壓空氣、中壓膨脹空氣、高壓空氣作為加工空氣均進入下塔參與精餾,所有加工空氣均在下塔進行初步分離。在內壓縮流程空分設備熱開車過程中,當主冷積液與主塔調純同步操作時,空分設備精餾系統較容易達到物料、組分、冷量平衡的狀態。

液氧內壓縮流程空分設備從主冷連續抽取液氧經液氧泵加壓。在內壓縮流程空分設備熱開車過程中,采用主冷積液與主塔調純同步操作的方式,在主冷液位處于較低狀態時對主塔調純,主冷液體中碳氫化合物與氮氧化合物不易濃縮、積聚,可以有效保證空分設備熱開車安全。

采用邊積液邊調純的操作方法,在主冷液位升至小于聯鎖值時,逐步增加主冷熱負荷,使下塔、上塔上升蒸氣與回流液體進行熱質交換。在主冷液位升至大于聯鎖值、小于低報警值時,同步對主塔氧氣、氮氣純度及氬餾分氬含量進行調節。在主冷液位升至大于低報警值、小于正常運行值時,提前啟動液氧泵,根據主冷液位變化,對主塔調純。在主冷液位升至正常運行值時,使主塔氧氣、氮氣純度與氬餾分氬含量達到正常運行值,氧氣、氮氣產量與污氮氣流量則根據其純度分步調至正常運行值,使精餾系統達到物料、組分、冷量平衡的狀態。

空分設備在主冷液位升至大于低報警值、小于正常運行值時,通過提前啟動液氧泵,將液氧作為返流液體送至主換熱器氣化、復熱,此時必須提前將高壓空氣導入主換熱器與返流液氧換熱。此股高壓空氣在主換熱器內降溫、液化,經高壓節流閥節流降溫、降壓送至下塔,高壓液空提前通過高壓節流閥經節流制冷,充分發揮內壓縮流程空分設備高壓空氣節流閥制冷量高的優勢。

同時,因提前啟動了液氧泵,將返流液氧提前導入主換熱器,使主換熱器中部溫度降低,根據膨脹端機前、機后溫度變化,提前將膨脹機膨脹量調至額定值,充分發揮內壓縮流程空分設備中壓增壓透平膨脹機制冷量大的優勢。通過邊積液邊調純操作方法的運用,提前啟動液氧泵,使空分設備在積液調純階段處于高制冷量運行狀態。

具有高焓值的高壓空氣提前導入組合式主換熱器,有效減小主換熱器熱端溫差,降低熱交換不完全冷損,使空分設備在積液調純階段處于低冷損運行狀態。

返流液氧提前導入主換熱器,有效降低低壓空氣、中壓膨脹空氣、高壓空氣進下塔溫度,增大下塔上升蒸氣液化量,減小下塔回流液體蒸發量,有助于增加下塔液空生成量及主冷液體生成量,縮短空分設備主冷積液時間。

邊積液邊調純過程是根據主冷液位上升變化同步對主塔進行調純的。通過增大主冷熱負荷,降低上塔提餾段回流比,增大下塔回流比,調節下塔塔釜液空氧含量、下塔頂部液氮純度與上塔底部氧氣純度、上塔中部氬餾分氬含量、上塔頂部氮氣純度,縮短空分設備主塔調純時間。

2.2 邊積液邊調純操作方法運用

2.2.1主換熱器操作

在主冷液位未升至低報警值、液氧泵未啟動時,主換熱器未導入返流液氧,低壓空氣、高壓空氣流量根據主換熱器冷端溫度的降低逐步增加,使低壓空氣、高壓空氣進下塔溫度≤-172℃。同時,全開膨脹機膨脹端冷段進氣閥V41、全關熱段進氣閥V32,中壓膨脹空氣流量根據膨脹機轉速分步增加。返流污氮氣、氮氣調節閥根據主換熱器中部溫度的變化調節。

在主冷液位升至大于低報警值、提前啟動液氧泵后,高壓空氣流量與壓力根據主換熱器熱端溫差、中壓膨脹空氣流量根據主換熱器中部溫度、低壓空氣流量根據下塔阻力分步增加。使設備處于高制冷量、低冷損運行狀態,將主冷液位升至正常運行值。

2.2.2主塔操作

在主冷液位未升至低報警值、液氧泵未啟動時,根據主冷液位上升幅度,逐步開啟液氮回流閥V11、純液氮節流閥V3,逐步增加主冷熱負荷,使上塔提餾段上升蒸氣與下塔回流液體量逐步增加,促使下塔、上塔精餾工況逐步建立。在此階段,液空節流閥V1仍保持全開,將下塔塔釜生成的液空全部送至上塔提餾段參與精餾。

在主冷液位升至大于聯鎖值、小于低報警值時,開啟液氧泵進液閥與排液閥,對液氧泵預冷。根據主冷液位變化,調節液氧泵進液閥與排液閥開度,使主冷液體生成量大于液氧泵預冷液體氣化量,避免主冷液位降低。

在主冷液位升至大于低報警值、提前啟動液氧泵后:在液氧泵啟動初期,將液氧泵變頻器調節方式設定為手動模式,根據主冷液位變化,開啟液氧泵回流閥,使液氧泵處于低負荷運行狀態,降低主冷液體抽取量,使主冷液體生成量與液氧泵抽取量差值降至最小值,避免主冷液位降幅過大。隨著中壓膨脹空氣、高壓空氣流量的增加,在主冷液體生成量大于液氧泵抽取量時,根據主冷液位升幅,調節液氧泵回流閥,逐步增加液氧泵流量。

同時,根據下塔阻力與進塔低壓空氣流量的變化,分步增加液氮回流閥V11閥門開度。根據下塔液空氧含量、下塔液空液位變化,調節污液氮節流閥V2、液空節流閥V1閥門開度。根據下塔頂部液氮與上塔頂部氣氮氧含量差值,逐步調節純液氮節流閥V3閥門開度。使主塔物料、組分達到平衡狀態,將氧氣、氮氣純度及氬餾分氬含量調至正常運行值。

3 先積液后調純

先積液后調純是空分設備在熱開車過程中采用的一種傳統的積液調純操作方法,過去較多運用于膨脹空氣進上塔的氧氣外壓縮流程空分設備。先積液后調純是將主冷積液與主塔調純分步操作。在空分設備熱開車過程中,先對主冷積液,當主冷液位升至正常運行值后,再對主塔氧氣、氮氣純度及氬餾分氬含量進行調節,從而使精餾系統物料、組分、冷量達到平衡狀態。

在馬鋼20 000 m3/h空分設備熱開車積液階段,因主冷液位未升至正常運行值,液氧泵未啟動,導致進入下塔的低壓空氣、中壓膨脹空氣溫度高,下塔上升蒸氣液化量低、回流液體蒸發量高,下塔塔釜液空與主冷液體生成量低。

因空分設備積液階段高壓空氣節流閥未開啟,高壓空氣節流閥未能產生節流制冷量。同時,積液階段主換熱器中部溫度高,使得中壓增壓透平膨脹機轉速高、流量低。空分設備積液階段處于低制冷量、高冷損運行狀態,主冷積液時間較長。

在主冷液位升至正常運行值、液氧泵啟動后,對主塔調純時,因開啟液氮回流閥V11與純液氮節流閥V3,使主冷熱負荷增幅大,主冷蒸發側液體蒸發量大于液體生成量,主冷液位降幅大。同時,主冷冷凝側上升蒸氣液化量增幅大,下塔液空液位、阻力及進塔低壓空氣流量均大幅上升。在主塔調純過程中,氧氣、氮氣純度與液空氧含量、氬餾分氬含量波動較大,主塔精餾工況不易建立。

為避免主冷液位降至液氧泵自動停泵聯鎖值,造成液氧泵聯鎖停機,使空分設備精餾系統聯鎖停運,停止對主塔調純,重新對主冷積液。在主冷液位再次升至正常運行值后,重新對主塔調純,主塔調純時間較長。

先積液后調純的操作過程是使主冷從達到穩定狀態變為波動狀態,再由波動狀態調至穩定狀態。主冷積液與主塔調純重復交替進行,精餾系統達到物料、組分、冷量平衡狀態時間長,造成空分設備熱開車時間較長。

4 兩種積液調純操作方法比較

內壓縮流程空分設備具有冷量充裕、原料空氣均經下塔進行初步精餾分離、主冷連續抽取液氧的特點。在內壓縮流程空分設備熱開車過程中,采用邊積液邊調純操作方法,在較短時間內,使精餾系統物料、組分、冷量達到平衡狀態。同時,在對主冷積液與主塔調純同步操作時,主冷液位波動小,主塔調純時間短,空分設備精餾工況易建立。邊積液邊調純操作方法充分利用內壓縮流程空分設備工藝流程特點,有效縮短內壓縮流程空分設備熱開車時間,馬鋼20 000 m3/h內壓縮流程空分設備熱開車氧氣、氮氣純度合格時間分別在31 h, 37 h以內。邊積液邊調純操作方法較適用于馬鋼20 000 m3/h液氧內壓縮流程空分設備。

內壓縮流程空分設備熱開車過程中,采用傳統的先積液后調純的操作方法,使已穩定的主冷液位波動大,主冷積液時間較長。主塔調純時主塔精餾工況波動大,氧氣、氮氣純度及氬餾分氬含量達到正常運行值時間較長。先積液后調純操作方法使內壓縮流程空分設備熱開車時間較長,馬鋼20 000 m3/h內壓縮流程空分設備熱開車,氧氣、氮氣純度合格時間分別在36.75 h, 43 h以上。先積液后調純操作方法未能發揮內壓縮流程空分設備的優勢。

在內壓縮流程空分設備熱開車過程中運用邊積液邊調純操作方法,要求操作人員必須掌握較深層次的制氧理論知識及豐富的空分設備操作經驗,方能保證空分設備熱開車安全穩定。

因20 000 m3/h等級中小型空分設備主冷儲存液體容積量與液氧泵流量相比較大,主冷液體緩沖能力較強,在中小型內壓縮流程空分設備熱開車過程中,邊積液邊調純操作方法易于實施。

因筆者工作經歷所限,未能在大型或特大型內壓縮流程空分設備熱開車過程中運用邊積液邊調純的操作方法。因大型或特大型空分設備主冷儲存液【】【】體容積量與液氧泵流量相比較小,主冷液體緩沖能力不強。在大型或特大型內壓縮流程空分設備熱開車過程中,應根據空分設備實際狀況,有針對性地實施、完善邊積液邊調純操作方法,在液氧泵啟動初期,防止主冷液位降幅大。

5 結束語

隨著空分設備技術的不斷發展、工藝流程的不斷創新,在空分設備開車、運行中,必須根據低溫制氧精餾理論和空分設備流程特點,對空分設備采取有針對性、行之有效的操作方法,才能最大化發揮空分設備性能,保證設備安全、穩定、經濟運行。