寶鋼5#制氧機(jī)提產(chǎn)實(shí)踐

江 群，周晨皓，董振寧，張 秦

（寶鋼股份能環(huán)部制氧分廠，上海 200941）

1 前言

在全低壓空分設(shè)備中，為了維持設(shè)備在低溫下工作需要產(chǎn)生冷量，而產(chǎn)冷的主要辦法是靠空氣在膨脹機(jī)中膨脹作功產(chǎn)冷。如果這一部分空氣只去冷卻加工空氣后排出裝置，就會使這部分作為制冷工質(zhì)的空氣中的氧、氮組分得不到分離，以致氧提取率低而不經(jīng)濟(jì)。實(shí)踐證明這部分空氣可以適量地進(jìn)入上塔參與精餾，因上塔精餾段有較充裕的回流液，所以既可以保證產(chǎn)品純度，又可以在同樣的加工空氣量的條件下，顯著地提高氧氣產(chǎn)量。這股膨脹空氣被稱為“吹入上塔膨脹空氣”或“拉赫曼導(dǎo)氣”，對上塔工況的影響甚大，膨脹空氣進(jìn)上塔量過低，影響氧提取率；過高，將影響氬的生產(chǎn)，因此，膨脹空氣進(jìn)上塔的量的控制尤為重要。

2 背景

寶鋼5#制氧機(jī)是于1994 年從美國APCI 公司引進(jìn)，于1998 年投入運(yùn)行，是當(dāng)時(shí)世界上先進(jìn)的制氧機(jī)設(shè)備之一，上塔采用規(guī)整填料塔，主冷采用膜式蒸發(fā)冷凝器。氬利用全精餾制氬技術(shù)，因此，對上塔抽取氬餾分中氮含量要求較高，如略高就會引起粗氬塔的氮塞。主要制冷設(shè)備膨脹機(jī)是增壓膨脹機(jī)，出膨脹機(jī)后一部分氣體作為拉赫曼氣體入上塔參與精餾，膨脹空氣進(jìn)上塔的量占加工空氣量的24％，為保證PSA 分子篩正常運(yùn)行必須有145000 m3/h 污氮作為再生分子篩用氣，另一部分作為膨脹機(jī)出口的旁通氣體與上塔出來的污氮?dú)獬蔀榉肿雍Y再生氣總污氮的來源。

2.15#制氧機(jī)產(chǎn)品產(chǎn)量低原因分析

由于5#機(jī)組上塔采用規(guī)整填料塔，塔身高，為保證液氮能正常打入上塔，進(jìn)過冷器的液氮較少，使得上升的液氮過冷度較小，由此使得上塔精餾段富余冷量較小。另外，膨脹機(jī)的制冷量與入口溫度有關(guān)，入口溫度越高單位制冷量越大，為保證膨脹機(jī)的單位制冷量，以減少膨脹量來提高提取率，即防止膨脹機(jī)帶液，膨脹機(jī)的出口溫度達(dá)－180℃以上，因此，導(dǎo)入上塔的拉赫曼導(dǎo)氣較上塔導(dǎo)氣入口的溫度高得多，使得上塔的熱負(fù)荷增加，為保證產(chǎn)品氮?dú)獾募兌戎荒芙档偷獨(dú)獾漠a(chǎn)品產(chǎn)量，由于氮產(chǎn)品的減少，為保證氬餾份中只含微量的氮，以防氬塔氮塞只有相應(yīng)減少氧的產(chǎn)量。

2.2 數(shù)據(jù)介紹

我們?nèi)粘２僮鞯募庸た諝饬繛?10000m3/h，膨脹空氣量為76000m3/h，進(jìn)上塔拉赫曼導(dǎo)氣為38000m3/h，為防止粗氬塔氮塞，必須控制污氮純度達(dá)35000×10-6O2左右，由此使得上塔抽取的氬餾份中含氧純度達(dá)95%以上，產(chǎn)品氮?dú)猱a(chǎn)量為92000 m3/h，產(chǎn)品氧氣產(chǎn)量為47000m3/h，液氧產(chǎn)量為1600m3/h，液氮產(chǎn)量為1000m3/h，液氬產(chǎn)量為1150m3/h，由此可計(jì)算出P S A分子篩的再生氣、儀表用氣等達(dá)167250m3/h左右，有相當(dāng)?shù)臍饬勘蛔鳛閺U氣從污氮排放口被排放。

2004年6月2日相關(guān)操作數(shù)據(jù)如下：

空氣量：311024m3/h

膨脹空氣進(jìn)上塔量：33198m3/h

污氮純度：33980×10-6

氧氣量：46589m3/h

中部O2純度：95.3%

氬氣量：1096m3/h

由于提高了污氮純度造成氬餾份中含氧量增加，增加了一級粗氬塔的負(fù)荷，為保證出一級塔的含氧量只有相應(yīng)減少餾份，使二級粗氬塔能正常工作，而餾份的降低又造成上塔工作量的增加，使氬濃縮區(qū)偏離抽取口，造成餾份中含氬量減少，直接影響了氬產(chǎn)品的生產(chǎn)量。

3 膨脹空氣量對主塔的影響

膨脹空氣進(jìn)上塔量是有一定的限制的，超出極限就會使分離產(chǎn)品純度降低，能耗增大，氧提取率下降，更有可能影響氬的生產(chǎn)。從理論上講，在有限的塔板數(shù)的前提下，允許進(jìn)入上塔的最大膨脹空氣量應(yīng)取決于上精餾塔的最小回流比。我們對送入上塔的膨脹空氣量，綜合考慮回流比、塔板數(shù)、氧、氮及液空純度等諸因素的影響，以便在既保證產(chǎn)品純度和不使氧提取率下降過多,又不致過多地增加能耗的情況下，送入適量的膨脹空氣。

3.1 上塔最大膨脹量計(jì)算

式中，Mmax——上塔允許最大膨脹量；

yB——空氣組成；

yA——?dú)獾骄兌龋?/p>

yK——氧氣純度；

XE——液空純度；

XD——液氮平均純度；

a——平均液氮節(jié)流氣化率；

yA——污氣氮純度；

2

XA——與yA相對平衡的液相濃度；

22

Xc、yc——液空節(jié)流后的液、氣組成。

3.2 膨脹空氣量的控制

從最大膨脹量計(jì)算公式中可見，進(jìn)入上塔的允許膨脹量主要與上、下塔取出的產(chǎn)品純度及入上塔的過冷度有關(guān)。產(chǎn)品純度低、允許膨脹量增加。氧、氮產(chǎn)品純度通常是用戶的要求。為了減少不可逆分離功損失，降低能耗，在滿足工藝要求的條件下，不應(yīng)過分地追求產(chǎn)品的高純度，否則，提取率降低，能耗增大。入上塔液體的過冷度增加，這使上塔的回流比增加，即上塔具有更富余的回流比，精餾潛力更大，也就表現(xiàn)出允許進(jìn)塔的膨脹量增加。但膨脹后的氣體不允許達(dá)到飽和或出現(xiàn)液體，膨脹后氣體要保持過熱狀態(tài)。膨脹后氣體溫度與相應(yīng)壓力下飽和溫度之差為膨脹后氣體過熱度。顯然，過熱度增加，允許進(jìn)塔的最大膨脹空氣量減少。

3.3 膨脹量調(diào)整試驗(yàn)

一般允許送入上塔的膨脹空氣量是15%～25%的加工空氣量。在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中，如果進(jìn)上塔的膨脹量超過設(shè)計(jì)值，將使氮純度下降，氧的提取率降低。而部分空氣旁通時(shí)，雖然這部分空氣中的氧全部沒有回收，但是進(jìn)塔參加精餾的空氣的提取率可保持較高的值。通過在5#制氧機(jī)操作試驗(yàn)得到：在33198m3/h的膨脹空氣量進(jìn)入上塔，污氮純度為33980×10-6O2；當(dāng)28178m3/h的膨脹空氣量進(jìn)入上塔，則污氮純度為16000×10-6O2。

由此可見，雖然進(jìn)上塔膨脹空氣比原來少了，但是氧產(chǎn)量反而略有提高，且污氮純度下降，使氬餾分中的含氬量上升，有利于氬產(chǎn)量的提高。在操作中，由于拉赫曼導(dǎo)氣即進(jìn)上塔膨脹空氣量的減少，上塔精餾段熱負(fù)荷降低，從而使得上塔精餾段工況改善，因此，在確保P S A分子篩的再生氣量的情況下，就能相應(yīng)增加產(chǎn)品氮?dú)饬?，由于氮產(chǎn)量的增加相應(yīng)的產(chǎn)品氧產(chǎn)量也得到增加。

由于上塔精餾段熱負(fù)荷的減少，污氮純度可以相應(yīng)降低，從原來的33980×10-6O2降至16000×10-6O2，但如此操作可能使得粗壓塔氮塞。2010年，為防止中部純度和污氮純度偏低導(dǎo)致粗氬塔氮塞，從而影響氬的生產(chǎn)，經(jīng)過試驗(yàn)摸索，決定把氧氣產(chǎn)量相對減少一些，使得2010年的污氮純度控制在27000×10-6O2左右，故而氬的產(chǎn)量也同步降低，但氬產(chǎn)量仍有1300m3/h以上。最終使得氬餾份中含氧量降低，保證了氬餾份量的正常抽取，既降低了上塔的工作量，又使得氬餾份的抽取口氬濃度進(jìn)一步濃縮，并可以相應(yīng)提高氬產(chǎn)量。

4 效果檢查

2010年通過對膨脹空氣進(jìn)上塔的量進(jìn)行控制后，雖然與2006年相比有所增加（防止氮塞），將進(jìn)上塔的膨脹空氣量從33198m3/h減至32657m3/h左右，但與實(shí)施前2004年相比，污氮純度也從33980×10-6O2降至27000×10-6O2，氬產(chǎn)量增加效果明顯，如表1所示。

表1 膨脹量調(diào)整前后主要數(shù)據(jù)對比

4.12005年5#制氧機(jī)氬氣和相對應(yīng)的氧、氮、氬年平均小時(shí)產(chǎn)量

2005年5#制氧機(jī)氬氣和相對應(yīng)的氧、氮、氬年平均小時(shí)產(chǎn)量如表2。

表22005年5#制氧機(jī)氬氣和相對應(yīng)的氧、氮、氬年平均小時(shí)產(chǎn)量

4.22010年5#制氧機(jī)氬氣和相對應(yīng)的氧、氮、氬年平均小時(shí)產(chǎn)量

2010年5#制氧機(jī)氬氣和相對應(yīng)的氧、氮、氬年平均小時(shí)產(chǎn)量如表3。

通過減少5#制氧機(jī)膨脹空氣進(jìn)上塔量，我們可以看到加工空氣量雖然稍有所下降，但產(chǎn)量卻明顯增加。

表32010年5#制氧機(jī)氬氣和相對應(yīng)的氧、氮、氬年平均小時(shí)產(chǎn)量

5 結(jié)語

對于不同空分設(shè)備，膨脹空氣量的增減對產(chǎn)量的影響不盡相同，因此，對增壓空氣膨脹部分膨脹空氣入上塔、全精餾制氬流程的空分設(shè)備，在生產(chǎn)操作過程中，要綜合考慮到上塔精餾段的富余冷量，合理調(diào)整拉赫曼導(dǎo)氣量，有利于提高制氧機(jī)產(chǎn)品的提取率。