淺談空分設(shè)備能耗因素及節(jié)能措施

蔡高輝

（江西銅業(yè)集團公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

空分即空氣分離，就是將空氣中的氧氣、氮氣及稀有氣體（如氬氣）等分離出來，以滿足冶金、化工等各行業(yè)的生產(chǎn)需求。常見的空分技術(shù)主要有吸附法、膜分離法及低溫法，目前應(yīng)用最為廣泛的是低溫空氣分離技術(shù)［1］。

貴冶制氧區(qū)域有4套低溫分離空分機組，總設(shè)計氧產(chǎn)能為56500Nm3/h，為全廠提供生產(chǎn)所需的氧氣。低溫分離制氧的工藝過程是先將原料空氣液化，再送入分餾塔利用氧、氮沸點之差使之分離，系統(tǒng)流程如圖1?？辗衷O(shè)備在日常生產(chǎn)中消耗大量電能，4套機組年耗電量在2.85億kWh左右，電費成本在生產(chǎn)成本中占了95%以上。優(yōu)化工藝操作，有效降低設(shè)備運行能耗，是空分生產(chǎn)中的重要課題。

圖1 低溫分離制氧流程簡圖

2 空分設(shè)備概括

低溫分離空分機組是一個大型的復(fù)雜系統(tǒng)，主要由以下子系統(tǒng)組成：壓縮系統(tǒng)、預(yù)冷系統(tǒng)、純化系統(tǒng)、膨脹系統(tǒng)、分餾系統(tǒng)、產(chǎn)品輸送系統(tǒng)及循環(huán)水系統(tǒng)［2］等，其工作過程如下：

壓縮系統(tǒng)通過離心壓縮機將環(huán)境空氣進行多級壓縮，最終達到空分設(shè)備所需的空氣壓力等級要求；經(jīng)壓縮后的原料空氣溫度較高，空氣預(yù)冷系統(tǒng)通過空冷塔換熱降低空氣的溫度，同時可以洗滌其中的酸性物質(zhì)等有害雜質(zhì)，保證純化系統(tǒng)分子篩吸附工作處于最佳狀態(tài)以及后續(xù)空氣液化分離的順利進行；分子篩純化系統(tǒng)進一步除去空氣中的水分、二氧化碳、乙炔等對空分設(shè)備運行有害的物質(zhì)；徹底凈化后的空氣再與塔內(nèi)回流氣換熱之后通過膨脹和節(jié)流液化，最終送入分餾塔進行低溫分離；生產(chǎn)的氧氣和氮氣根據(jù)各生產(chǎn)單位對產(chǎn)品壓力的要求直接低壓送出或由氧氣壓縮機和氮氣壓縮機進一步加工送出。循環(huán)水系統(tǒng)通過冷卻水帶走工藝介質(zhì)或換熱設(shè)備所散發(fā)的熱量，以保證設(shè)備運行安全及工況參數(shù)正常，熱水經(jīng)風(fēng)冷塔冷卻再回到循環(huán)水池循環(huán)使用。

空分機組各生產(chǎn)系統(tǒng)中的主要設(shè)備如表1所示。從表中可以看出，空分設(shè)備有很多大功率設(shè)備，各設(shè)備運行功率合計達4萬多千瓦。提高設(shè)備運行效率，讓設(shè)備處于最佳工作狀態(tài)，對降低空分生產(chǎn)總能耗具有重大的意義。

表1 空分機組主要電氣設(shè)備列表

3 主要設(shè)備能耗因素

下面分析空壓機、冷凍機、電加熱器等耗電占比較大設(shè)備的能耗因素。

3.1 空壓機

空壓機是采用多級壓縮多級冷卻的離心壓縮機［3］，式(1)是離心式壓縮機的電耗計算公式，式中ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀況下空氣密度，ρ=1.293kg/m3；Vk為空壓機的排氣量，m3/h；R’為氣體常數(shù)，R’=0.278kJ/(kg.K)；T為環(huán)境溫度，K；P2為排氣壓力，MPa；P1為進氣壓力，MPa；ηT空壓機的等溫效率；ηM為空壓機的機械效率。

從式中可以看出，空壓機的電耗跟環(huán)境溫度、進氣壓力、排氣壓力、排氣量、等溫效率以及機械效率有關(guān)［4］。

3.2 冷凍機

預(yù)冷系統(tǒng)空冷塔先利用冷卻水初步降低空氣溫度，再利用冷凍水二次降溫，通過兩級冷卻使空氣溫度降至規(guī)定值。冷凍機是保證冷凍水供應(yīng)的關(guān)鍵設(shè)備，一套冷凍機組配有多臺壓縮機，運行時啟動的壓縮機的臺數(shù)直接關(guān)系到空氣預(yù)冷工序的能耗，壓縮機的啟動跟冷凍水進水溫度有關(guān)。

3.3 電加熱器

純化系統(tǒng)有兩臺分子篩吸附器，一臺吸附時另一臺再生。其一個運行周期包括升壓、吸附、降壓、加熱、冷吹五個階段，各階段的運行時長及狀態(tài)切換都由DCS內(nèi)部程序自動控制。

電加熱器是在分子篩再生加熱時使用，其運行功率基本固定，純化工序的能耗主要由加熱器的使用時間決定，使用時間越長，所消耗的電能就越多，反之，開啟時間越短所消耗的電能就越少。

4 節(jié)能措施

從上述分析可知，各設(shè)備的運行模式及工藝過程參數(shù)是影響設(shè)備運行能源的主要因素，改善設(shè)備運行條件、優(yōu)化運行參數(shù)可以有效地降低制氧能耗［5］。

4.1 降低空壓機能耗措施

理論上降低環(huán)境溫度，提高進氣壓力，降低排氣壓力，降低空壓機排氣量，提高其等溫效率和機械效率都能降低電能消耗［6］。而環(huán)境溫度為自然條件不可控，機械效率由設(shè)計、制造、安裝決定不可調(diào)，所以空壓機運行節(jié)能措施主要從以下4方面開展實施：

4.1.1 提高進口壓力

進口壓力主要由進口過濾器決定，空氣進口過濾器安裝有自動反吹掃裝置，應(yīng)定期點檢，確保該裝置正常運行；另外要定期更換過濾器濾芯及外圍濾料，使過濾器的阻力控制在設(shè)計范圍內(nèi)。

4.1.2 降低排氣壓力

在其他因素不變的情況下，降低空壓機的排氣壓力，可以有效地降低空壓機的能耗。以5#空分機組為例，設(shè)空壓機進氣壓力P1為0.1MPa，若將出口壓力P2由1.1MPa下調(diào)至1.05MPa，其他參數(shù)值不變，則下調(diào)后空壓機電耗與下調(diào)前電耗之比為ln10.5/ln11，結(jié)果換成百分?jǐn)?shù)為98.06%，即空壓機出口壓力下調(diào)0.05MPa，電耗可以降低1.94%。

4.1.3 降低排氣量

在正常情況下，排氣量受空分生產(chǎn)的限制不可能進行大幅度的調(diào)整，但空分產(chǎn)品有過剩需要減負(fù)荷時，可以適當(dāng)關(guān)小空壓機入口導(dǎo)葉降低排氣量來降低電耗，在調(diào)整導(dǎo)葉的過程中，受“喘振區(qū)域”的影響，空氣的調(diào)節(jié)量是有限的。

4.1.4 提高等溫效率

在日常操作中，及時調(diào)整空氣出各級冷卻器的溫度，確保空氣得到充分的冷卻，使空壓機處于等溫壓縮，提高空壓機的等溫效率，降低空壓機的電耗。

4.2 降低冷凍機能耗措施

降低冷凍機進水溫度，可以減少啟動壓縮機的臺數(shù)，從而減少冷凍機的能耗。

冷凍機進水溫度是水冷塔出水溫度，它由環(huán)境溫度、水冷塔冷卻效率以及冷卻塔風(fēng)機頻率等綜合決定，可以從以下兩個方面操作：

（1）增大氮氣和污氮進水冷塔的流量以提高水冷塔效率。

（2）若夏季氣溫高，可通過調(diào)整冷卻塔風(fēng)機頻率，降低循環(huán)水溫度，從而減小水冷塔負(fù)荷。

在生產(chǎn)實踐中，循環(huán)水溫度在25℃以下時，4#、5#機組水冷塔的出水溫度都可以控制在9℃左右，低于冷凍機溫度設(shè)定值，在滿足空冷塔冷卻要求前提下，可停運兩套冷凍機組。以4#、5#機組為例，秋冬季可完全停用冷凍機，每小時可節(jié)能約406kW。

4.3 降低電加熱器能耗措施

電加熱器的日常運行時長由純化系統(tǒng)的運行周期和加熱時間決定。運行周期越長，電加熱器開啟的頻率就越低；加熱時間越短，電加熱器單次運行時長就越短。在不影響分子篩運行安全的前提下，即確保分子篩加熱、冷吹氮氣出口溫度峰值達標(biāo)，合理調(diào)整分子篩運行參數(shù)，可以有效地降低電加熱器的能耗。

在合理調(diào)整分子篩運行參數(shù)后，4#、5#兩套機組的分子篩電加熱器每天運行時長合計由原來的15.8h降低至11.3h，能耗降低了28%。

4.4 其他降耗措施

根據(jù)季節(jié)不同調(diào)整設(shè)備運行模式也能有效地降低空分生產(chǎn)的能耗。

目前1#循環(huán)水系統(tǒng)中有5臺循環(huán)水泵，3臺小泵（315kW）2臺大泵（355kW）。夏季環(huán)境氣溫高，生產(chǎn)所需循環(huán)冷卻水量大，需運行兩臺小泵；秋冬季節(jié)環(huán)境溫度低，對循環(huán)冷卻水量相對要低，運行一臺大泵就可以滿足生產(chǎn)需求。通過運行模式調(diào)整，1#循環(huán)水系統(tǒng)在秋冬季可以節(jié)約18%的電量。

5 結(jié)論

近年來，通過工藝參數(shù)調(diào)整、技術(shù)改造、設(shè)備運行模式改進等多種節(jié)能措施的開展，貴冶空分生產(chǎn)的能耗也在逐步改善。貴冶制氧年度綜合電單耗的計算是空分機組年度耗電總量與氧氣總產(chǎn)量之比，其中氧氣總產(chǎn)量是各機組氣氧產(chǎn)量總和以及外銷液體折算成氣氧產(chǎn)量兩項之和，2015年制氧年度綜合電單耗為0.575kWh/Nm3，創(chuàng)歷史最好水平?？辗謾C組系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備多，是生產(chǎn)中的耗能大戶，在日后工作中，還需不斷探尋節(jié)能降耗新方法，進一步挖掘空分設(shè)備的潛力。

［1］陳錦偉. 淺談空氣分離技術(shù)的發(fā)展和改進[J]. 化工管理,2015(18):63-64.

［2］林軍. 大型低溫空氣分離裝置工藝流程淺析[J]. 中小企業(yè)管理與科技(上旬刊), 2013(10):302-304.

［3］王學(xué)軍,葛麗玲,譚佳健. 我國離心壓縮機的發(fā)展歷程及未來技術(shù)發(fā)展方向[J]. 風(fēng)機技術(shù), 2015, 57(3):65-77.

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［5］王夫龍,劉家海. 優(yōu)化操作降低空分設(shè)備運行能耗[J]. 深冷技術(shù),2010(2):18-22.

［6］蔣旭,厲彥忠. 內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備的能耗影響因素研究[J]. 真空與低溫, 2014, 20(5):307-310.