邯鋼16300Nm³/h空分設(shè)備氮氣增產(chǎn)改造

劉明明 陳利斌 賀鵬

摘 要：本文介紹了邯鋼16300Nm3/h空分設(shè)備為實現(xiàn)氮氣產(chǎn)量增加進(jìn)行改造的改造方案、改造設(shè)計、具體實施過程以及質(zhì)量驗證，為今后16000Nm3/h等級空分同類型技術(shù)改造提供一定的借鑒和指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：空分設(shè)備；改造；氮氣增產(chǎn)；高純氧

1 增產(chǎn)改造背景

邯鋼氣體廠16300 Nm3/h空分設(shè)備是杭氧設(shè)計、制造的第一套國產(chǎn)16300 Nm3/h等級空分設(shè)備，于2000年元月份建成并成功投產(chǎn)，由于當(dāng)時鋼鐵企業(yè)氮氣用量較小，因此在設(shè)計時采用氮氣和氧氣比為1：1的設(shè)計思路。隨著鋼鐵企業(yè)的發(fā)展升級，鋼鐵企業(yè)對氮氣需求量不斷增加。氮氣使用量逐漸加大，已經(jīng)超過了原有空分設(shè)備的氮氣生產(chǎn)能力，氮氣和氧氣產(chǎn)品比由原來的不到1：1增加到接近2：1的比例，在生產(chǎn)組織上為保證氮氣需求，需要再運(yùn)行一套空分設(shè)備，這樣雖然滿足了氮氣需求，但氧氣會大量放散，顯然不是一個最好的生產(chǎn)組織方案。因此，邯鋼氣體廠提出16300 Nm3/h空分設(shè)備氮氣增產(chǎn)改造的技術(shù)創(chuàng)新項目，目標(biāo)的是既保證氮氣供應(yīng)，又避免氧氣放散，要滿足氧氣供應(yīng)的情況下可以更好地進(jìn)行生匹配，從而建立一種保障性更強(qiáng)、組織性更加靈活的生產(chǎn)組織模式。

2 改造方案

2.1 項目實施前后的主要技術(shù)性能與數(shù)據(jù)

邯鋼氣體廠原有16300 Nm3/h空分設(shè)備性能參數(shù)見表一，氮氣增產(chǎn)技術(shù)改進(jìn)后的空分設(shè)備性能參數(shù)見表二。

2.2 技術(shù)改造設(shè)計

2.2.1改造設(shè)計思路

1）要求增加低壓氮氣的產(chǎn)量并利用原有的空壓機(jī)、氧壓機(jī)、分子篩純化系統(tǒng)、空冷塔、主換熱器、下塔以及主冷等設(shè)備；

2）為達(dá)到氮氣產(chǎn)量增加的目的，需對上塔進(jìn)行改造，并增加冷水機(jī)組一套；

3）冷箱利用原有主冷箱板，但需針對改造后的上塔進(jìn)行相應(yīng)的改造；

4）新增加設(shè)備配套提供一次儀表、變送器、閥門等儀表設(shè)備，其余設(shè)備利用原有的一次儀表、變送器、閥門；

5）針對高純氧塔進(jìn)行改造，由原來的篩板塔改為填料塔，并優(yōu)化管路，提高高純氧產(chǎn)量。

2.3 技術(shù)改造說明

2.3.1空冷系統(tǒng)

因為工藝上需增加冷水機(jī)組，需對冷凍水泵后管道去空冷塔水管進(jìn)行改造，以便冷水機(jī)組的安裝和運(yùn)行。原污氮氣進(jìn)水冷塔閥V1209改為氮氣進(jìn)水冷塔調(diào)節(jié)閥，作為啟車時氮氣防空消聲器用，同時在正常氮氣調(diào)峰時回收冷量。

原有的3臺冷凍水泵采取開2備1方式運(yùn)行。原水冷塔底部供水管路由DN100改為DN200。

2.3.2純化系統(tǒng)

因為純氮氣和污氮氣的流路發(fā)生變化，改造后的污氮氣全部進(jìn)入分子篩再生用。相應(yīng)的管道需進(jìn)行改造，以便裝置的正常使用。出冷箱產(chǎn)品氮氣總管和氮氣產(chǎn)品閥（V104）、氮氣產(chǎn)品放空閥（V105）斷開，進(jìn)分子篩污氮管從污氮總管斷開，接至原產(chǎn)品氮氣總管上。氮氣產(chǎn)品閥門（V104）、氮氣產(chǎn)品放空閥（V105）、進(jìn)水冷塔污氮閥（V1209）接至原污氮總管上。并調(diào)整相應(yīng)測點。V1209在閥后斷開，作為產(chǎn)品閥使用。

改造后，原產(chǎn)品氮氣總管走污氮氣，作為污氮氣進(jìn)分子篩總管；原污氮總管走氮氣，作為產(chǎn)品氮氣總管。原再生氣流量計由孔板更改為威力巴流量計。

2.3.3分餾塔

將最上段部分的輔塔替換掉，直徑從原來的1，503 mm改為2，653mm，高度增加6，000 mm左右；在標(biāo)高45，000 mm處開始替換。替換后主塔部分的冷箱需增加一層的高度，并增加相應(yīng)的鋼結(jié)構(gòu)，冷箱內(nèi)粗氬液化器氮氣出口管和精氬冷凝器氮氣出口管的匯集管從污氮氣出口管斷開，上塔氮氣出口管、上塔污氮氣出口管在標(biāo)高約44，000 mm處從上塔斷開，然后接至替換后的上塔的污氮氣、氮氣出口位置，再將接至。

改造后，原上塔污氮氣出口管走產(chǎn)品氮氣，作為產(chǎn)品氮氣出口管；原上塔氮氣出口管走污氮氣，作為污氮氣出口管。

原膨脹空氣旁通污氮管線，由連接到原污氮氣管線更改為連接到原氮氣管線。

上塔安全閥由原污氮氣管更改為連接到原氮氣管線上，其位置下移至標(biāo)高5300mm平臺。

更換高純氧塔，并改造相應(yīng)管路及支架。取消高純氧塔到主冷的回流管線。保留高純氧塔的下部抽口，碳?xì)浠衔锖可邥r有高純氧蒸發(fā)器底部抽口直接排放掉。原V602、V603閥改為波紋管調(diào)節(jié)閥。高純氧蒸發(fā)器底部管路出冷箱增加排放管路，增加波紋管手動截止閥。

高純氧蒸發(fā)器熱源由壓力氮氣改為進(jìn)下塔壓力空氣，冷凝后液空回出下塔液空管道。

粗氬冷凝器出口處增加一氣液分離裝置。

粗氬液化器氮氣管線增設(shè)一調(diào)節(jié)閥（DN80）及一壓力控制測點，以利調(diào)節(jié)。

原上塔，粗氬I、II塔上分析點，已無存在必要，且留在冷箱內(nèi)存在安全隱患，現(xiàn)場割除，塔上接口用板封堵。

為滿足氮氣用量負(fù)荷的變化，新增氮氣產(chǎn)品閥V107（DN600）與原氮氣產(chǎn)品閥V104并聯(lián)控制。

原氮氣總管上孔板流量計更改為威力巴流量計。

原氮氣放空閥V105和氮氣放空消聲器利舊。

因冷箱加高，原粗氬液化氣吊架需更改，并同時更改相應(yīng)管道。

因冷箱加高，頂層密封氣管道需相應(yīng)上移。

預(yù)留原15000空分粗液氬進(jìn)粗氬II塔入口的管路及冷箱接口。

更換冷箱內(nèi)鋁質(zhì)儀表管。

2.3.4膨脹機(jī)系統(tǒng)

為降低增壓空氣進(jìn)冷箱的溫度，從而降低通過板式附加段的污氮氣溫度，以免影響分子篩系統(tǒng)正常運(yùn)行，原膨脹機(jī)增壓端后冷卻器改用從冷凍機(jī)過來的冷凍水，水量為33t/h。

2.3.5其他

所有改動后的管道、閥門重新編號，標(biāo)定。檢查相關(guān)的測點、連鎖控制點。

除新增的測點外，改造涉及到的測點變動，根據(jù)清單，在DCS卡件上進(jìn)行接線調(diào)換。

3 改造方案實施

3.1 冷箱內(nèi)施工

3.3.1低溫環(huán)境引壓管路更換安裝

1）為防止引壓管路內(nèi)氣相介質(zhì)的冷凝，引壓管路敷設(shè)時必須至少離開低溫設(shè)備或管道500mm以上，若實施有困難，可以在引壓管路外局部扎絕熱材料。

2）為補(bǔ)償引壓管路在低溫下冷縮變形，與設(shè)備或管道、閥門剛性連接的引壓管路應(yīng)具備足夠的伸縮補(bǔ)償能力。

3）對低溫的液位測量，要特別注意液相引壓管的敷設(shè)。從取壓點到冷箱壁一次閥門采取整根銅管敷設(shè)，中間不留接頭。

4）引壓管路必須用托架或角鋼保護(hù)，使其不受外力的影響，并采取綁扎或其他有效的緊固辦法，防止管路不穩(wěn)定。

5）角鋼或托架不僅在其跨距內(nèi)應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛性，以承受絕熱材料的重量負(fù)荷，其結(jié)構(gòu)還必須適應(yīng)溫度變化所產(chǎn)生的熱脹冷縮影響。

6）全部配管結(jié)束后，儀表管應(yīng)隨工藝管一起進(jìn)行試壓試驗，仔細(xì)檢查引壓管路各個連接處和管路的暢通性，保證管路不漏不堵。

3.3.2變形管道的改造及管架整改

邯鋼氣體廠16300 Nm3/h制氧建造于1998年，距今已有14年歷史，雖有過幾次大加溫但整體運(yùn)行狀態(tài)良好。近年由于鋼廠安排，該套空分僅用作備機(jī)，停車、開車較為頻繁，這對空分整體性能影響較大。且14年前的設(shè)計理念，無法滿足先進(jìn)設(shè)備的生產(chǎn)運(yùn)行需要，現(xiàn)借該項目氮氣改造的機(jī)會，對冷箱內(nèi)情況進(jìn)行了詳細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)較多問題，為了使本套空分改造后，能保證正常生產(chǎn)運(yùn)行達(dá)到提高氮氣產(chǎn)量等目的，需對變形管道及不合格管架進(jìn)行整改。

對于嚴(yán)重變形管道及彎頭進(jìn)行更換，不合理的管線進(jìn)行重新設(shè)計。

增加、修改多處支架、托架，以確保冷箱內(nèi)容器、閥門、管道的支撐合理。

3.3.3堵塞設(shè)備膨脹空氣氧氣換熱器、液氮液空過冷器的吹除

空分改造中，我廠技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)上塔污氮管道破裂（破口直接約8公分），又由于本套空分在過去運(yùn)行時氧氣產(chǎn)量不達(dá)標(biāo)；故對膨脹空氣氧氣換熱器及液空液氮過冷器進(jìn)行管道開口檢查。

將氧換熱器入口管道割開，發(fā)現(xiàn)換熱器內(nèi)部溝槽有珠光砂，證明換熱器通道內(nèi)確實有珠光砂存在。對比之前過冷器管道開孔時拍攝的照片，確定過冷器內(nèi)同樣存在珠光砂。堵塞的設(shè)備嚴(yán)重影響了氧氮氣產(chǎn)品產(chǎn)量。由于堵塞設(shè)備在塔內(nèi)，更換設(shè)備難度大、費用高；且設(shè)備制作周期長，嚴(yán)重影響改造進(jìn)度，故為保證空分的正常穩(wěn)定運(yùn)行，產(chǎn)品氣體產(chǎn)量達(dá)標(biāo)，我廠決定對兩臺設(shè)備經(jīng)行吹掃。

吹掃氣源為空壓機(jī)壓縮后空氣，流量為30000 Nm3/h，吹掃方法為關(guān)閉與吹掃設(shè)備相通的其他流路的閥門，以分子篩V1250閥門為空氣進(jìn)口，以換熱器氧通道出口及過冷器V203閥門為兩臺設(shè)備的吹除出口。每次吹除為五分鐘，中斷一分鐘，以此持續(xù)10次脈沖式吹除。

空分改造完投入運(yùn)行后，氧氮產(chǎn)品產(chǎn)量均達(dá)到設(shè)計要求，設(shè)備吹除達(dá)到預(yù)期目的。本次吹除共消耗費用為：臨時管道及材料消耗費用3萬元，空壓機(jī)電耗6000元，人工費用2000元，共計3.8萬元。如對設(shè)備進(jìn)行更換需設(shè)備及安裝費80萬。以此節(jié)省設(shè)備更換費用76.2萬元。

4 改造質(zhì)量驗證和綜合效益

2012年10月12日冷水機(jī)調(diào)試完畢，達(dá)到設(shè)計溫度。2012年10月15日0：30分啟動膨脹機(jī)進(jìn)行裸冷，16日8點裸冷結(jié)束停空壓機(jī)和膨脹機(jī)，空氣進(jìn)下塔溫度TI1：-106℃，主冷溫度-99℃，粗氬塔和高純氧無結(jié)霜。2012年10月22日上午開始裝砂，采用氣體送方式進(jìn)行裝填，11月7日裝砂結(jié)束。2012年10月31日0：30分啟動膨脹機(jī)； 2012年11月9日16：00分精氬合格。調(diào)試結(jié)束，氧氣、氮氣、氬氣、高純氧產(chǎn)品合格，達(dá)到設(shè)計指標(biāo)。

改造后空分設(shè)備調(diào)試的性能與數(shù)據(jù)如下：

4.1 改造后氮氣產(chǎn)量增加對生產(chǎn)的影響

隨著鋼鐵企業(yè)的發(fā)展升級，鋼鐵企業(yè)對氮氣需求量不斷增加。氮氣使用量的加大，已經(jīng)超過了原有空分設(shè)備的氮氣生產(chǎn)能力，氮氣和氧氣產(chǎn)品比由原來的不到1：1增加到接近2：1的比例，在生產(chǎn)組織上為保證氮氣需求，需要再運(yùn)行一套空分設(shè)備，這樣雖然滿足了氮氣需求，但氧氣會大量放散，顯然這種組織方案是不可取的。因此，本次改造后，氮氣產(chǎn)品增加了30000m3/h，單套空分氧氮產(chǎn)品比例達(dá)到了3：1，實現(xiàn)了既保證氮氣供應(yīng)，又避免氧氣放散，要滿足氧氣供應(yīng)的情況下可以更好地進(jìn)行生匹配，從而建立一種保障性更強(qiáng)、組織性更加靈活的生產(chǎn)組織模式的目標(biāo)。

4.2 操作中空分調(diào)整彈性變強(qiáng)

本次改造對上塔、粗氬液化器氮氣出口管、精氬冷凝器氮氣出口管等的更改及新增氮氣產(chǎn)品閥V107（DN600）與原氮氣產(chǎn)品閥V104并聯(lián)控制，以及對部分設(shè)計部合理管路的改造更換，使得空分運(yùn)行正常操作中的操作彈性大幅度加強(qiáng)，大大降低空分運(yùn)行中“氮塞”事故的發(fā)生，使生產(chǎn)的穩(wěn)定性得到更好的保證。

4.3 氮氣純度的改變及氧氣提取率的提高

本次改造后，純氮產(chǎn)量大幅度提高，污氮產(chǎn)量降低。純氮氣在純度方面，含氧設(shè)計數(shù)值由過去的10PPM降低到5PPM，而實際運(yùn)行中，含氧實際數(shù)值在0.1-0.3PPM以內(nèi)。污氮氣含氧由過去的1%-3%降低為5PPM。氮氣純度的提高，提升了空分氧提取率兩個百分點。

4.4 高純液氧純度及產(chǎn)量的提高

改造前，本套空分設(shè)計有高純氧塔，但由于原設(shè)計存在一定缺陷，且塔器本體設(shè)計偏小，故過去高純氧并為真正提取出來。經(jīng)過對本次對高純氧系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造后，經(jīng)近期運(yùn)行狀況看，高純氧純度達(dá)到甚至超過了99.9995%，且純度無波動。高純氧產(chǎn)量達(dá)到30 Nm3/h，換算了液體約為0.9 Nm3/d，且高純液氧還有很高的繼續(xù)提取的空間。從產(chǎn)量和純度方面達(dá)到并超越了改造設(shè)備初衷。按現(xiàn)今高純液氧每立方3200元的價錢算，年創(chuàng)效100萬元。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李化治.制氧技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

[2] 毛紹融，朱朔元等.現(xiàn)代空分設(shè)備與操作原理[M].杭州：杭州出版社，2005.

作者簡介：

劉明明（1985-），男，漢族，河北邯鄲人，本科，助理工程師，研究方向：制氧。