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4900m3/h空分运行工况异常原因分析及处理方法

徐建虎，方金军，胡刚

(杭州钢铁集团公司动力公司 杭州 310022)

摘 要：介绍杭钢气体厂4900m3/h空分引起运行工况异常的原因过冷器污氮、纯氮通道堵塞，对空分设备正常运行带来影响。文章简介了该空分设备的工艺流程，详细叙述了发生运行工况异常的原因，阐述了处理措施及效果检查。

关 键 词：运行工况；过冷器；堵塞；珠光砂；阻力计

0 前言

杭钢气体厂4900m3/h空分设备属于第五代制氧空分设备，投产于2001年11月22日，由原2号3200m3/h空分(第三代空分板翅式换热器流程)改造而来。投产后氧气产品产量、纯度均达到设计要求，氧产量达到4900m3/h、纯度99.6%以上；氮气产品设计纯度99.9%，流量4900m3/h，全部进入空气预冷系统自用，替代冷冻机组，达到节能目的。工作原理是利用氮气的干燥度，在水冷塔中与常温水换热降低水温，去空冷塔上部冷却压缩空气，达到生产运行工况工艺要求。然而，随着集团公司钢铁主业对氮气用量的增加，这部分自用氮气需进行回收利用。2007年10月通过对4900m3/h空分出冷箱的氮气管路进行了可行性改造，并增设一套制冷量为40万大卡/小时冷冻机，通过调试运行，原设计自用氮气的纯度达到了99.999%N2，满足钢铁主业生产对氮气质量要求，氮气取出量也达到5000m3/h。但设备运行至2010年2月份，出现了上精馏塔压力逐渐上升态势，且产品氧、氮、污氮产量也呈逐渐下降趋势，达不到设计值。尤其纯氮、污氮量下降最为明显。初步判断认为污氮、纯氮从上塔至气体出冷箱通道存在堵塞可能。现将分析、处理经过及取得的效果进行总结，供同行交流参考。

1 空分工艺流程简介

原料空气经自洁式空气过滤器除去灰尘等杂质后，在空气透平压缩机中压缩至0.53MPa(G)左右，进入空分空气冷却塔预冷，空气温度降至16e后进入切换使用的分子筛纯化器，空气中的二氧化碳、部分碳氢化合物及残留的水蒸气被吸附净化。

净化后空气，大部分在主换热器中与返流气体氧、氮、污氮等低温气体换热，降温到约-172e(近饱和状态)进入下塔；小部分在主换热器内被返流气体冷却至-105e，从主换热器的中部、底部各抽出进入膨胀机膨胀制冷后送入上塔。

在下塔，空气被初步分离成氮气和富氧液空，顶部气氮在主冷中液化，同时主冷的低压侧液氧被气化。被冷凝下来的液氮一部分作为下塔的回流液，另一部分液氮从下塔顶部引出，经过冷器被纯气氮和污气氮过冷并节流后送入上塔顶部作上塔回流液。下塔底部抽出的液空在经过冷器过冷后经节流送入上塔中部作回流液。氧气从上塔底部引出，经主换热器复热后出冷箱，进入低压氧气管网。污氮气从上塔上部引出，经过冷器和主换热器复热后出冷箱。部分作为分子筛纯化器的再生气体，部分进入水冷塔与纯氮气一起预冷空冷塔上部用水。

纯氮气从上塔顶部引出，经过冷器和主换热器复热后出冷箱。进入低压氮气管网或去水冷塔预冷空冷塔上部用水。图1为4900m3/h空分工艺流程简图。

2 异常工况

近几年，杭钢气体厂空分设备主要以20000m3/h、1号6000m3/h、2号6000m3/h三套空分生产为主，4900m3/h空分为调峰辅助的生产运行方式。

由此而造成4900m3/h空分每年的开停次数频繁，据统计该空分在最近四年里每年开停次数达12次以上。2010年2月份该空分在一次停机较长时间后的启动开车过程中发现：空分上塔运行压力PIA-2偏高，高达0.068MPa(G)(正常值约0.047MPa)，同时发现上塔阻力PdI-2显示为满量程(10kPa)；氧气产量只有3000m3/h左右(正常值约4900m3/h)，氮气产量只有3000m3/h左右(正常值约5000m3/h)，污氮气去分子筛纯化器和水冷塔的流量大幅度减少，无法满足分子筛纯化器再生需要；同时压缩空气入下塔压力PIA-1也偏高，达到0.52MPa(G)；入塔空气量明显不足，约为20000m3/h(正常值约24800m3/h)等。这一系列现象，表明该空分运行工况已经不正常，后来通过调整过冷器污氮、纯氮通道的两只旁通阀，上塔压力有所下降，但仍偏高为0.058MPa(G)左右，入塔空气量，氧、氮、污氮产品流量有所增加，但仍未达到设计指标。

3 原因分析

造成空分设备产品流量未达标主要原因有：

1)入塔空气量不足。首先我们通过对302风机的空气过滤器阻力，电网的电压和频率，风机级间泄漏情况，中间冷却器的冷却效果以及大、小放空阀的开度等参数进行比较分析，排除了风机的原因使空气量减少。另外检查分子筛纯化器的切换阀是否漏气等，也排除因泄漏引起入塔空气量不足。

2)氮平均纯度过低。通过此阶段空分运行数据，尽管氧、氮产量低，但氧、氮纯度、污氮和液空纯度均符合要求，另空分设备一般氮平均纯度过低，就影响氧产量，对污氮、纯氮量没有影响。因而氮2012年11月第四期4900m3/h空分运行工况异常原因分析及处理35平均纯度过低原因排除。

3)主冷换热效果差。通过对氮侧不凝结气体排放，以及主冷液氧面高度；主冷氧、氮侧的温度等参数分析，排除主冷换热效果不好的原因。

4)设备阻力增加。由于塔板或过冷器通道堵塞，各节流阀开度过小或被堵塞，将造成下塔压力升高，入塔空气量减少。通过设备运行数据前后比较，排除了因塔板筛孔堵塞，各节流阀开度过小或被堵塞等造成入塔空气量减少的原因。但是，从上塔压力高和纯氮产量、去分子筛纯化器及去水冷塔的污氮气流量减少情况来分析，污氮、纯氮出上塔阻力增大引起了上塔压力升高，并使下塔压力上升，最终使入主塔空气量下降。而污氮、纯氮出塔的阻力大，最大可能就是过冷器和主换热器污氮、纯氮通道被水分或CO2干冰等固体杂质堵塞造成阻力大。通过我们试验开大过冷器污氮、纯氮通道的两只旁通阀，上塔压力随之下降。反之上塔压力上升。经测定过冷器污氮、纯氮通道前后压差，其阻力与正常使用比增加了一倍多。从而验证过冷器污氮、纯氮通道已被部分堵塞。

那么，过冷器污氮、纯氮通道为什么会堵塞?被什么东西堵塞?我们通过停塔加温消除了水分或CO2干冰堵塞的可能，但是堵塞的现象依旧未消除。带着疑问我们进行了深入分析，其中在最近一次空分的启动过程中，上塔阻力显示一直为满量程的现象引起了重视，检查确认阻力计本身正常，检查阻力计差压变送器负压室无压力，使阻力计显示为满量程，初步判断上塔阻力计上阀导流管已断裂可能性极大。因近几年4900m3/h空分开停次数多，空分冷箱内仪控管道随着设备使用年数增长，在冷、热应力的作用下出现拉断损坏的可能性增大，且空分每次停车后上塔压力容器在冷态下极易产生负压，使冷箱内保温材料珠光砂从阻力计断裂处倒吸并附在上塔塔板上，当空分再次启动时，珠光砂随污氮、纯氮气流向过冷器通道(见图2)。由于过冷器通道气侧采用9.5mm@1.7mm@0.2mm锯齿形翅片，珠光砂粉末就在锯齿形翅片的狭小流道处聚集，形成了堵塞。

4 处理措施

通过分析找到了引起异常工况的真正原因。

于是我厂及时根据钢铁主业氧、氮气用量及针对本次故障隐患的特点，制定了4900m3/h空分扒砂检修的详细计划，并于2010年4月25日开始空分冷箱扒砂检修。主要项目有：

1)清洗过冷器：锯开纯氮进过冷器前DN256管道(见图2中12处)和污氮进过冷器前DN408管道(见图2中13处)以及锯开纯氮、污氮出过冷器管道并加盲板(见图2中14、15处)，首先，用强力吸尘器吸过冷器内珠光砂粉末，共吸出珠光砂粉末约20升。接着采用敷设临时水管，用洁净水源进行冲刷、清洗过冷器，清洗后用干燥空气对过冷器通道进行吹扫(见下图2)。

2)上塔阻力PdI-2DN12导压管断裂处补焊，同时对上塔压力PIA-2、上塔液位LIA-2、下塔阻力PdI-1、下塔压力PIA-1、下塔液位LIC-1、主换热器阻力PdI-4、膨胀空气阻力PdI-5、液氧量筒液位LIA-3导流管及支架等进行了检查处理。

3)系统检漏及缺陷处理：节流阀V1、V3、V4、V7、V16前后法兰检漏及支架固定。下塔液空排液管道、上塔液氧排液管道、液氧量筒排液管道、启动回路中、低压侧管道等检漏及检查支架固定。

4)氮水预冷系统检查处理。

5)净化系统：更换分子筛和活性氧化铝，检查、维护切换阀。

5 效果检查

4900m3/h空分于2010年4月25日开始扒砂检修，5月5日检修结束并开始裸冷。5月7日裸冷结束，开始全系统加温，接着开始装砂工作。5月24日空分启动，25日出氧，26日出氮。

从上表数据可以清楚看到4900m3/h空分通过大修后产品生产指标和各项运行工艺参数完全达到设计要求。

6 结语

杭钢4900m3/h空分过冷器堵塞后，其纯氮、污氮管道两端及时采取锯开清洁处理，彻底排除了设备运行阻力大的原因。同时对设备冷箱内各阻力计、压力计、液位计的导流管和支架进行检漏、固定，以及冷箱内所有阀门、管道、容器等都进行了全面检查和处理。并在操作上规定空分停产后要及时对冷箱内容器加强充气保压保护，防止塔内产生负压，杜绝类似故障再次发生，确保空分设备安全、稳定、连续和经济运行。

参 考 文 献

[1]   毛绍融，朱朔元，周智勇.现代空分设备技术与操作[M].杭州：杭州出版社，2005

[2]   李化治.制氧技术[M].北京：冶金工业出版社，2005

[3]   汤学忠，顾福民.新编制氧工问答[M]北京：冶金工业出版社，2005