江銅貴冶5#制氧機(jī)工藝特點(diǎn)及“氮塞”故障處理

吳小印

(江西銅業(yè)集團(tuán)公司貴溪冶煉廠，江西貴溪 335424)

1 引言

江銅集團(tuán)貴溪冶煉廠動(dòng)力車間制氧區(qū)域所運(yùn)行的5#制氧機(jī)，于2007年7月建成投產(chǎn)，為四川空分設(shè)備集團(tuán)公司設(shè)計(jì)成套，空壓機(jī)、冷端膨脹機(jī)等主機(jī)部分采用德國阿特拉斯公司產(chǎn)品，工藝流程組織考慮到了銅冶煉生產(chǎn)過程的特殊要求，產(chǎn)品設(shè)計(jì)類型及能力分別為:低壓氧氣18000m3/h;中壓氧氣7000m3/h，液氧 5000m3/h(氣態(tài))，液氬 1120m3/h(氣態(tài))，其中，低壓氧氣用于閃速爐富氧吹煉，中壓氧氣供應(yīng)閃速爐放銅口及轉(zhuǎn)爐、卡爾多爐吹煉，液體產(chǎn)品(液氧、液氮、液氬)用于外銷。

2 5#制氧機(jī)工藝過程介紹

原料空氣(150000m3/h)經(jīng)過濾器去除其中的機(jī)械雜質(zhì)及塵埃，由空壓機(jī)壓縮至1.2MPa(A)左右進(jìn)入空氣預(yù)冷系統(tǒng)中的空氣冷卻塔，被水冷卻和洗滌?？諝饫鋮s塔采用循環(huán)冷卻水和經(jīng)水冷塔及冷凍機(jī)冷卻的低溫水冷卻。從空氣冷卻塔出來的13℃左右的工藝空氣，進(jìn)入分子篩純化系統(tǒng)。分子篩純化系統(tǒng)的吸附器吸附空氣中的水分、二氧化碳、碳?xì)浠衔锏入s質(zhì)。兩只吸附器為臥式雙層床結(jié)構(gòu)，下層為活性氧化鋁，上層為分子篩，兩只吸附器切換工作，一只吸附，另外一只再生，再生氣來自冷箱中的污氮?dú)?，并?jīng)過電加熱器加熱。吸附器的切換周期為4h，可定時(shí)自動(dòng)切換。經(jīng)由吸附器純化后的空氣水含量在-65℃露點(diǎn)以下，CO2≤1ppm。

經(jīng)過純化的空氣，分兩部分。一部分大約120000m3/h進(jìn)入增壓膨脹機(jī)，制取空分過程所需的冷量后，進(jìn)入下塔進(jìn)行精餾。另一股(約20000 m3/h)則全部通過主換熱器換熱(換熱后溫度約為-155℃，已達(dá)到液化溫度)，液化為液空后節(jié)流進(jìn)入下塔進(jìn)行精餾。

在精餾塔中，上升氣體與下流液體充分接觸、傳熱傳質(zhì)后，上升氣體中的氮濃度逐漸增加。純氮進(jìn)入下塔頂部的主冷凝蒸發(fā)器被冷凝，同時(shí)主冷凝蒸發(fā)器中的液氧蒸發(fā)汽化;一部分液氮作為下塔的回流液，其余液氮經(jīng)過冷、節(jié)流后送入上塔。在下塔底部產(chǎn)生的液空經(jīng)過冷、節(jié)流后進(jìn)入上塔，經(jīng)再次精餾，得到產(chǎn)品氧氣、產(chǎn)品氮?dú)夂臀鄣?，以及液氧和液氮?/p>

氬提取采用全精餾無氫制氬的最新技術(shù)［2］。從上塔中部的適當(dāng)位置引出氬餾份，并送入粗氬塔Ⅰ進(jìn)行精餾，降低氧含量;粗氬塔Ⅰ的回流液是由粗氬塔Ⅱ底部引出的并經(jīng)液氬泵加壓的液態(tài)粗氬。從粗氬塔Ⅰ頂部引出的氣體進(jìn)入粗氬塔Ⅱ并在其中進(jìn)行深度氬氧分離，經(jīng)過粗氬塔Ⅱ的精餾，在粗氬塔Ⅱ的頂部產(chǎn)生含氧量≤2ppm的粗氬氣。粗氬塔Ⅱ的頂部裝有冷凝蒸發(fā)器，從過冷器后引出的液空經(jīng)節(jié)流后送入其中作為冷源，絕大部分的粗氬氣經(jīng)冷凝蒸發(fā)器后作為粗氬塔Ⅱ的回流液;其余部分由粗氬塔Ⅱ頂部引出并送入精氬塔［5］。精氬塔的底部裝有1臺(tái)蒸發(fā)器，從下塔頂部引出的中壓氮?dú)庾鰺嵩词挂簹逭舭l(fā)，同時(shí)氮?dú)獗灰夯?。在精氬塔的頂部裝有冷凝器，從過冷器后引出的部分液空作為冷源，使絕大部分上升氣體被冷凝成液體，作為精氬塔的回流液，經(jīng)過精氬塔的精餾，在精氬塔的底部得到純度為99.999%Ar的精液氬，即產(chǎn)品液氬。

從冷箱出來的液氧、液氮、液氬經(jīng)真空絕熱管道分別輸入低溫儲(chǔ)槽。其中液氮和液氬采用自增壓技術(shù)對(duì)外來槽車進(jìn)行充灌。而液氧則是通過液氧泵向槽車充灌。

圖1 5#制氧機(jī)工藝過程

2.1 部分內(nèi)壓縮流程的應(yīng)用

氧氣的部分內(nèi)壓縮流程是本套裝置的工藝特色，從液氧蒸發(fā)器中引出部分液氧，經(jīng)液氧泵增壓至1.0MPa.G后，進(jìn)入板式主換熱器與正流空氣換熱汽化，得到流量為7000m3/h、壓力為1.0MPa.G的氧氣從冷箱送出，作為中壓氧供用戶。液氧泵為一用一備，泵后設(shè)計(jì)有自動(dòng)調(diào)壓裝置，可根據(jù)中壓氧的需求變化來調(diào)節(jié)液氧的流量，并實(shí)現(xiàn)中壓氧產(chǎn)量與液氧產(chǎn)量的相互轉(zhuǎn)變。相對(duì)于同樣壓力等級(jí)的外壓縮流程，電能消耗僅為約十分之一，并減少大量的備件消耗及日常檢修費(fèi)用。此外，由于折合成氣態(tài)有7000m3/h的液氧從主冷取出汽化，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1%的主冷液氧安全排放要求，使得主冷的運(yùn)行更加安全可靠。

2.2 冷、熱端增壓透平膨脹機(jī)的巧妙設(shè)計(jì)和運(yùn)行特點(diǎn)

5#制氧機(jī)的設(shè)計(jì)產(chǎn)液能力較大，分別為:液氧4500m3/h(氣態(tài))，液氬 1120m3/h(氣態(tài))，液氮500m3/h。需要制取和提供大量的冷量，冷量制取系統(tǒng)主要由熱端增壓透平膨脹機(jī)、冷端增壓透平膨脹機(jī)，1臺(tái)增壓機(jī)后冷卻器，2臺(tái)供油裝置組成。其中熱端增壓透平膨脹機(jī)為川空生產(chǎn)，冷端膨脹機(jī)為進(jìn)口ATLAS，2臺(tái)膨脹機(jī)同時(shí)運(yùn)行，當(dāng)1臺(tái)膨脹機(jī)聯(lián)鎖停機(jī)后，空分裝置可以減少液體產(chǎn)量的情況下維持氧氣的生產(chǎn)，同時(shí)巧妙考慮了熱端膨脹機(jī)進(jìn)氣溫度較高，利用了空氣高溫高焓降的原理，使膨脹機(jī)的制冷效率得到充分發(fā)揮。

3 氬系統(tǒng)“氮塞”分析及處理

氬在上塔的分布并不是固定不變的。它隨著氬餾份抽出量的多少、上塔各進(jìn)出料口位置的高低和進(jìn)出料量的大小，以及產(chǎn)品氧、氮的產(chǎn)量和純度等因素而變化。當(dāng)主塔的排氮純度下降，含氧量增多時(shí)，或主塔的排氧產(chǎn)量減少，氧純度升高時(shí)，氬的集聚區(qū)上移，結(jié)果將導(dǎo)致抽出的氬餾份中的含氧量升高，含氬量降低。氬餾份組份的變化造成粗氬塔內(nèi)阻力增加。

當(dāng)氬的集聚區(qū)域向下移動(dòng)時(shí)，則會(huì)使氬餾分中的含氮量增加，造成粗氬塔冷凝蒸發(fā)器溫差減少，塔內(nèi)上升蒸汽量減少，粗氬塔壓力下降，導(dǎo)致粗氬塔出現(xiàn)氮塞，使氬系統(tǒng)無法工作。因此，氬餾分組份的穩(wěn)定，是粗氬塔工況穩(wěn)定的先決條件。要保證氬餾分的穩(wěn)定，首先要求主塔工況穩(wěn)定，在帶氬空分設(shè)備的操作中，氧、氮產(chǎn)品閥的開、關(guān)是控制氬餾分的主要手段。

圖2 氣相組份體積百分?jǐn)?shù)

3.1 “氮塞”發(fā)生時(shí)的一般性特征

產(chǎn)生“氮塞”時(shí)的一般特征如下:

(1)主塔氬餾分抽口溫度下降，氬餾分中氮的含量急劇上升，導(dǎo)致粗氬Ⅱ塔冷凝蒸發(fā)器換熱溫差減小，不凝性氣體在冷凝側(cè)積聚，管路堵塞流通能力下降。

(2)粗氬塔填料層回流液體大幅減少，精餾回流比降低，不能形成均勻的換熱膜層，塔板阻力明顯下降，粗氬塔脫氧過程無法進(jìn)行。

(3)粗氬Ⅰ塔進(jìn)粗氬Ⅱ塔流量下降，粗氬Ⅱ塔進(jìn)精氬塔流量同步下降，進(jìn)精氬塔中的餾分比例發(fā)生改變，以氮為主的不凝性氣體增多，精氬塔中部壓力上升。

3.2 造成“氮塞”的原因分析

造成“氮塞”的原因［6］可以分為如下幾種:

(1)產(chǎn)品氧氣用量或者波動(dòng)較大。由于用戶用氣量較大，造成上塔氬的富集區(qū)下移，使得抽出的氬餾分較高，從而引起氮塞。

(2)分子篩的切換。5#制氧機(jī)的2臺(tái)分子篩每4h左右會(huì)切換1次，這時(shí)會(huì)導(dǎo)致進(jìn)下塔空氣量的波動(dòng)，從而造成下塔壓力的波動(dòng)，最終會(huì)影響氬餾分的穩(wěn)定而引起“氮塞”。

(3)粗氬Ⅱ塔底部液位波動(dòng)過大。如果粗氬Ⅱ塔底部液位波動(dòng)過大就會(huì)使得粗氬Ⅱ塔通過氬泵打回上塔的回流液波動(dòng)較大，使得上塔回流比失衡，最終引起“氮塞”。

3.3 處理“氮塞”的方法

處理“氮塞”分為兩種，一種是輕微“氮塞”，一種是嚴(yán)重“氮塞”。

輕微“氮塞”的現(xiàn)象:輕微“氮塞”時(shí)氬餾分急劇上升、上塔抽口溫度下降、粗氬Ⅰ塔進(jìn)粗氬Ⅱ塔流量有所下降，輕微“氮塞”不及時(shí)調(diào)整就會(huì)造成嚴(yán)重“氮塞”。

輕微“氮塞”的處理:適當(dāng)提高下塔壓力，并減小上塔氧氣取出量，同時(shí)開大上塔液氮去儲(chǔ)槽閥，打開粗氬塔冷凝器底部不凝性氣體排放閥(HC751)，及時(shí)采取以上幾個(gè)措施，輕微氮塞一般會(huì)在1h左右得到解決。

圖3 氬系統(tǒng)工藝流程簡圖

嚴(yán)重“氮塞”的現(xiàn)象:氬餾分急劇上升甚至超出儀表量程、上塔抽口溫度急劇下降、粗氬Ⅰ塔去粗氬Ⅱ塔流量大幅下降、粗氬Ⅰ塔和粗氬Ⅱ塔阻力明顯下降、粗氬Ⅱ塔去精氬塔流量明顯下降。

嚴(yán)重“氮塞”的處理:關(guān)閉精氬塔底部計(jì)量罐進(jìn)液氬儲(chǔ)槽閥門，同時(shí)也關(guān)閉液氬儲(chǔ)槽進(jìn)口閥，打開粗氬Ⅱ塔冷凝器底部不凝性氣體排放閥，適當(dāng)提高下塔壓力，減小上塔氧氣取出量，開大液氮去儲(chǔ)槽閥，關(guān)液氮小去上塔閥，待工況穩(wěn)定后，確認(rèn)化驗(yàn)數(shù)據(jù)合格，開始往儲(chǔ)槽進(jìn)液。及時(shí)采取以上幾個(gè)措施，嚴(yán)重“氮塞”一般會(huì)在3h左右得到解決。

如果“氮塞”到粗氬Ⅱ塔冷凝器已經(jīng)基本不換熱工作的情況下，則直接斷精氬塔，待粗氬塔工況恢復(fù)了之后再投精氬塔，精氬塔出液后必須經(jīng)過化驗(yàn)合格才能進(jìn)儲(chǔ)槽，以免污染儲(chǔ)槽。

4 結(jié)論

通過對(duì)5#制氧機(jī)工藝介紹，以及出現(xiàn)“氮塞”后故障處理方法的歸納總結(jié)，為日后5#制氧機(jī)的正常運(yùn)行及異常情況的處理提供了參考。

［1］蔡學(xué)文，夏小將，白林林，等.制氧車間培訓(xùn)教材［Z］.貴溪:貴冶教培科，2008.

［2］毛紹融，朱朔元，周智勇.現(xiàn)代空分設(shè)備技術(shù)與操作原理［M］.杭州:杭州出版社，2005:255-257.

［3］李化冶.制氧技術(shù)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1997.

［4］湯學(xué)忠，顧福民.新編制氧工問答［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2006:160-161.

［5］高顯杰，陳智浩.空分設(shè)備制氬系統(tǒng)優(yōu)化操作的理論依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)［J］.深冷技術(shù)，2005(4):22-24.

［6］何玉君.35000m3/h空分設(shè)備粗氬塔氮塞的原因及處理［J］.深冷技術(shù)，2006(2):52-54.