降低空分制氧系統(tǒng)水單耗的探索

潘振 董葉強(qiáng)

摘? 要：介紹了空分氧制造系統(tǒng)中存在的水消費(fèi)高問題，對根本原因進(jìn)行了研究分析，提出了改善方法和措施。通過改進(jìn)設(shè)計(jì)實(shí)施，降低了氧氣制造系統(tǒng)的水消耗，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行能源效率。

關(guān)鍵詞：空分系統(tǒng);深冷;水單耗;能效

一、概論

空氣分離簡稱空分，是利用空氣中各成分的物理性質(zhì)不同，通過深度冷凍、吸附、膜分離等方法從空氣中分離氧氣、氮?dú)?、同時(shí)提取氦氣、仰光等稀有氣體的過程?？諝夥蛛x的最常見的方法是深度冷凍法，整個(gè)過程包括多個(gè)氣體壓縮過程。由于壓縮后的氣體溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過工藝要求，因此在工藝中必須設(shè)置介質(zhì)熱交換降溫工序。水是氧氣制造系統(tǒng)參與熱交換的主要介質(zhì)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，氧氣消耗平均約為19t/萬米。3。

2019年4月15日，為貫徹第19屆黨大會(huì)精神，國家發(fā)改委、水利部印制實(shí)施《國家節(jié)水行動(dòng)方案》，大力推進(jìn)社會(huì)整體節(jié)水，全面提高水資源利用效率，形成節(jié)水型生產(chǎn)生活方式，保障國家水安全促進(jìn)了高品質(zhì)的發(fā)展。如何依靠管理革新和技術(shù)革新來降低單位氧消耗水量，實(shí)現(xiàn)節(jié)水增效，是企業(yè)的首要大事。

二、潛力分析

在空分氧系統(tǒng)中，水主要用作熱交換冷卻介質(zhì)，因此將重點(diǎn)放在系統(tǒng)中的泵、降溫凈化和水處理系統(tǒng)上。

1.降溫凈化

空氣壓縮機(jī)在壓縮過程中產(chǎn)生大量的壓縮熱，使空氣溫度上升，出口產(chǎn)生約100°C的高溫空氣，后續(xù)過程所需的空氣溫度為8～15°C。目前的處理方式是高溫空氣進(jìn)入冷塔與冷卻水混合換熱，凈化加工空氣降溫。降溫凈化是氧氣制造過程中消耗水量多、回收能力低的過程，無疑會(huì)對氧氣制造水的單消耗產(chǎn)生顯著影響。

在水冷塔內(nèi)，污水氮?dú)鈴牡撞窟M(jìn)入，與從水冷卻塔頂部進(jìn)入的常溫水充分接觸，經(jīng)過熱交換，污水氮?dú)庠陲柡蜖顟B(tài)下增濕排出到大氣。從水冷塔頂部進(jìn)入的常溫水，被逆流的污水氮?dú)饫鋮s，部分蒸發(fā)后大量的氣化潛熱被帶走并降溫，從水冷塔底部排出后用低溫水泵升壓，成為空氣冷卻塔上部的冷卻水。冷水和熱氣進(jìn)入冷塔進(jìn)行熱交換時(shí)，水從上面開始，空氣從下到上直接接觸水換熱。同時(shí)，冷水帶走空氣中的一部分水分和水溶性雜質(zhì)，實(shí)現(xiàn)降溫凈化過程。

當(dāng)水量大時(shí)，為了避免水流沿著管網(wǎng)流入其他設(shè)備影響整個(gè)過程，水冷塔在設(shè)計(jì)時(shí)具備溢出管，高于塔內(nèi)水位數(shù)值，塔內(nèi)壓力高于外部大氣壓時(shí)水流沿著溢出管流出，產(chǎn)生虹膜現(xiàn)象。一旦發(fā)生虹膜排水，可以在內(nèi)外部壓力一致時(shí)停止，此時(shí)水量已所剩無幾，排水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過需求值，造成嚴(yán)重水能損失。

2.蒸發(fā)器

液體蒸發(fā)器是利用熱水和氣體產(chǎn)品的熱交換實(shí)現(xiàn)氣體外供給的設(shè)備，其效率越高，單位產(chǎn)品的蒸發(fā)消耗水量越少，同時(shí)也能有效控制水的消耗。液體泵是影響蒸發(fā)系統(tǒng)效率的直接原因，天元公司的液體泵大量采用進(jìn)口泵，更換大功率泵的成本高，工時(shí)長。因此，為了提高蒸發(fā)系統(tǒng)的效率，應(yīng)該使用其他方法。

3.泵

氧氣制造系統(tǒng)現(xiàn)有設(shè)計(jì)泵有三個(gè)問題：一是部分泵的額定流量大于實(shí)際需求流量，需要節(jié)流控制流量，增加泵水消耗，相關(guān)管路、閥門容易發(fā)生泄漏故障。其次，泵啟動(dòng)時(shí)應(yīng)達(dá)到頻率運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)常發(fā)生泄漏故障，初始流量大時(shí)應(yīng)排至槽的一部分，頻率啟動(dòng)泵在各部件受到?jīng)_擊、易磨損、易泄漏、影響設(shè)備可靠性的同時(shí)造成不必要的浪費(fèi)。

三、技術(shù)改造

1.水冷塔的改造

虹膜現(xiàn)象的出現(xiàn)同時(shí)應(yīng)具備三個(gè)條件：來水端水位高于受水端水位;耳機(jī)不能漏氣。不能在吸管內(nèi)裝滿液體，儲(chǔ)存氣體。從破壞這三個(gè)條件著手，改變排水方式，杜絕有害的虹膜現(xiàn)象的發(fā)生。在原來的溢出管上開個(gè)小孔，把溢出管放進(jìn)煤氣里。另外，為了防止灰塵通過這個(gè)洞進(jìn)入塔內(nèi)，增加了一個(gè)管徑小的U型管。

2.蒸發(fā)器改造

同時(shí)運(yùn)行兩臺(tái)泵可以大大提高產(chǎn)品的外供給量，提高蒸發(fā)系統(tǒng)的效率，因此需要對蒸發(fā)器及外部各相關(guān)管道進(jìn)行改造，滿足兩臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)行的條件。將盤管分成兩個(gè)部分，兩臺(tái)泵分別使用一側(cè)，利用重力來緩解液體流速，從下到上進(jìn)行充分的水熱交換。兩條管道最終并聯(lián)連接，同時(shí)供應(yīng)。

3.泵系統(tǒng)的改造

（1）頻率轉(zhuǎn)換改造

往泵里添加頻率轉(zhuǎn)換器。逆變器在不改變馬達(dá)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況下，可以通過均勻調(diào)整馬達(dá)供電電源的頻率，使電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)數(shù)順暢地變化，隨著電源頻率的調(diào)整而增大或減少，從而達(dá)到調(diào)整水流的目的。

（2）葉輪改造

單級離心泵由底座、泵體、葉片車、機(jī)械密封、熱泵外殼（蝸桿外殼）、防水環(huán)、泵蓋、馬達(dá)等組成。

目前，單極離心泵泵的額定出水量高，實(shí)際用水量少，泵水消耗增大，相關(guān)管路、閥門容易發(fā)生泄漏故障。在根據(jù)已知的所希望流量計(jì)算出符合要求的葉輪直徑后，對水泵原有葉輪進(jìn)行車削加工，減少葉輪的直徑實(shí)質(zhì)上變化，減少液體從葉輪中心向外緣排出的離心力其特征是降低了加入所得到的能量后液體離開邊緣的速度，降低水泵額定出水量。

四、結(jié)語

水冷塔改造后，溢水管未出現(xiàn)虹吸現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)正常排水，排水量明顯減少。蒸發(fā)器方式在理論上可以提高效率2倍，在實(shí)際試驗(yàn)中雖然沒有達(dá)到理論數(shù)值，但是效率的提高非常明顯，從以往的120m3/升級到h230米3/h。在對泵風(fēng)車進(jìn)行改造后，泵恢復(fù)了頻率運(yùn)轉(zhuǎn)，徹底取消了節(jié)流控制，降低了水的消耗，降低了泄漏故障率。泵頻率改造后，泵靈活啟動(dòng)，盤根等設(shè)備壽命確實(shí)延長，泄漏故障少，初期啟動(dòng)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)排到槽內(nèi)的問題。改造實(shí)施后，統(tǒng)計(jì)計(jì)算一年氧氣生產(chǎn)水的單消耗量，比以前減少2%，基本達(dá)到預(yù)期，減少氧氣生產(chǎn)水的消耗量，實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約，有助于實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、降低成本和清潔生產(chǎn)，并補(bǔ)充短板有必要持續(xù)改善。

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