40 000 m3/ h 空分设备的优化操作
王 枫
( 内蒙古包钢钢联股份有限公司氧气厂,内蒙古 包头 014010)
摘 要: 介绍了提高气体产量的可行性分析,通过采取提高精馏塔的精馏能力、严格控制污氮氧含量、控制氩馏分组分等优化措施,使氧、氮、氩气产量得到提高,取得了较好的经济效益。
关键词: 空分设备; 优化操作; 气体产量
近年来,随着包钢公司产品结构的调整,对氧气、氮气、氩气需求量增加较大,特别是氮气用量满足不了公司用氮需求,为了更好地、更合理地满足生产需求,就要挖掘空分设备的潜力,在不增加空压机负荷的情况下,通过对空分设备进行优化操作最大限度地提高氧、氮、氩产量,缓解公司对产品需求量大、生产能力不足的问题。
1 空分设备的流程简介
40 000 m3/ h 空分设备是由杭氧股份公司设计制造的采用分子筛净化吸附、增压膨胀和全精馏无氢制氩的外压缩流程。其流程如图 1 所示,空气经分子筛吸附净化后,大部分空气在主冷换热器 E1中与返流气体( 纯氧、纯氮、污氮等) 换热达到接近空气液化温度约 - 173 ℃ 进入下塔 C1。另一部分约 23 700 m3/ h 的空气经透平膨胀机的增压机提高压力后也进入主换热器内,被返流冷气体冷却到170 K( - 103 ℃ ) 时抽出进入膨胀机 ET1( 或 ET2)膨胀制冷,最后送入上塔或旁通一部分( 视装置运行情况而定) 。纯气氧从主冷的上部引出,并在主换热器复热后出冷箱。污氮气从上塔上部引出,并在过冷器及主换热器中复热后送往分馏塔外,部分作为分子筛纯化器的再生气体,其余部分去水冷塔。约40 000 m3/ h纯氮气从上塔顶部引出,在过冷器及主换热器中复热后出冷箱。
2 提高氧、氮、氩产量的理论分析
( 1) 要实现增加空分设备产品产量的目标,首先要有增产的原料,根据40 000 m3/ h 空分设备设计氧:氮比 为 1 ∶ 1,均 为 40 000 m3/ h,粗 氩 气 流 量1 513 m3/ h,进冷箱空气流量 201 000 m3/ h,依此计算污氮量将达到 100 000 ~120 000 m3/ h 的量,分子筛纯化系统再生用污氮气量平均为 45 000 m3/ h,将有70 000 m3/ h左右的污氮量进入水冷塔,这些污氮量足够保证水冷塔的温降效果,甚至还有富余,我们可以适当减少去水冷塔的污氮量,将这部分富裕的污氮量送入上塔参与上塔精馏,使这部分污氮气在上塔的精馏段得到进一步提纯,以达到增产的目的。
( 2) 由于该空分设备的上塔采取规整填料塔,它的变负荷调节范围在 60% ~ 120%,将富余的这部分污氮量参与上塔的精馏,进一步挖掘空分设备的精馏潜力应该是可行的[1]。
3 操作要点
2010 年 1 月以来,开始对 40 000 m3/ h 空分设备实施增加气体产量的优化操作,操作调整过程中空分设备各参数对照如表 1 所示。
3. 1 控制膨胀空气入上塔量在最佳值
40 000 m3/ h 空分设备精馏系统正常生产时将膨胀空气直接送入上塔,但由于膨胀空气存在一定的过热度,膨胀空气入上塔量过多则使过热度增大,精馏段回流比下降,使精馏工况恶化; 膨胀量过少,会导致主冷液面下降。从这个角度出发,将入上塔的膨胀空气量由原来的23 700 m3/ h 减少到22 300 m3/ h,使上塔精馏段的回流比相对增大,气相中氧组分冷凝充分,提高整套空分设备的产品提取率。
3. 2 提高精馏塔的精馏能力
要充分挖掘精馏塔的精馏潜力,可适当将污氮去水冷塔的压力定高一些,由原来的 14. 7 kPa 提高到15. 6 kPa,减少去水冷塔的污氮量,将这部分富裕的污氮量送入上塔参与上塔精馏,一方面,根据物料平衡原理,从系统放出的产品氧、氮量要加大; 另一方面,这时上塔精馏段的回流比减少,应适当开大V3 或关小 V8 液氮输送阀,增大上塔精馏段的回流比,将污氮气中的氧、氩充分冷凝下来,提高氧、氩的提取率。在操作中,由于 V3 是将下塔顶部的一部分纯液氮送至上塔上部作回流液的阀门,它的动作影响着上、下塔的精馏工况,所以一般在调整好 V3阀在最佳位置时,尽量用关小 V8 阀来进行调整,一是因为 V8 阀口径相比较 V3 阀要小,调整时幅度小、波动小; 二是能减小排液冷损,可将冷量转移到富裕污氮的精馏当中。调整过程中要缓慢,并仔细观察上下塔压力、氩馏分含量、产品纯度等参数的变化。273. 3 严格控制污氮的 V( O2)污氮气的 V( O2) 为 0. 031% 时达到设计要求,污氮气的纯度直接反映了气氮纯度的好坏,要控制污氮 V( O2) 在 0. 031% 以下,才能使气氮纯度达到设计要求。最大限度的提高污氮气 V( N2) ,实施空分设备在最佳工况下运行的另一重要因素。控制上塔污氮气 V( O2) 的方法有很多,主要有调节进入上塔的纯液氮量和调节氧、氮输送阀。具体调节方法是: 在保证下塔纯液氮纯度的情况下开大 V3 或关小 V8 阀和试氧纯度调节氧气输送阀。
3. 4 控制好氩馏分组分和粗氩Ⅱ塔粗液氩液位
氩馏分的主要成分是氧气、氩气及少量的氮气。氩馏分是上塔工况的晴雨表,当氧气纯度变化 1%时,氩馏分含氩变化 10%,也就是说产品纯度的微小变化首先表现在氩馏分组分的变化上。所以我们在调整主塔工况时,要以氩馏分的变化作为参考点来进行调整。氩馏份高时,应适当减少氧气产量或适当增加氮气产量来调节。低时,则应适当增加氧气产量或减少氮气产量来调节,操作时应缓慢操作不应操作过急,在实际增产操作中氩馏份含氩量保持在 9% ~10%之间,粗氩塔工况比较稳定[2]。
粗液氩液位过高或过低都会造成粗氩塔冷凝器热负荷波动。用 V713 随时调节粗氩Ⅱ塔粗液氩液位,同时要保持粗氩Ⅰ塔回流比在一平衡状态。操作中应随时注意粗氩Ⅰ塔阻力的变化。由于 V713阀的调节开度对主塔工况影响很大,所以 V713 阀应该在粗氩Ⅰ塔回流比平衡及粗氩Ⅱ塔粗液氩液位相对稳定的情况下,微调 V713 阀保证粗液氩液位平稳升降。如 V713 阀开大速度过快则会使粗氩Ⅱ塔粗液氩液位快速下降,则氩馏分急速上升,氧气产品的纯度下降。反之则会使粗氩Ⅱ塔粗氩液位快速升高,氩馏分下降,氧气纯度升高,氮纯度降低,并且粗氩产量降低,含氧量升高。因此 V713 阀应小幅度的开关,不可操作过急,保证主塔工况及粗氩塔工况稳定运行。
4 经济效益
40 000 m3/ h 空分设备自采取优化操作以来,虽然通过调节 V8 阀使液氮产量每天有 1 ~2 m3的减少量,但是氧气、氮气、氩气产量都有一定幅度的提高,按氮气、氧气、氩气成本价分别为 0. 08 元/m3、0. 42 元 / m3、4. 00 元/m3计算,其经济效益为每月53 万元左右。
5 结束语
通过对设备进行变工况调节,调整操作参数,充分利用精馏设备的加工能力,大幅度的提高40 000 m3/ h空分设备产品氧、氮、氩气产量,缓解了公司用氧气、氮气、氩气供应紧张的局面,保证了公司整体生产的正常进行。而要保证产品的高产量、高纯度,必须进一步细化、优化原来操作,使空分设备各参数保持在最佳状态,需要更精心的操作。
参 考 文 献
[1] 李培颖. 提高 15 000 m3/ h 空分设备气体产量的实践[J]. 深冷技术,2010,( 3) :6 -8.
[2] 甄超.14 000 m3/ h 空分设备制氩系统的优化操作与挖潜改进[J]. 深冷技术,2007,(2) :12-14