淺談40 000 Nm3/h 空分裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張文惠

（天津天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津301500）

0 引言

為全面貫徹落實(shí)國(guó)家工信委關(guān)于控制總量，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，淘汰落后工藝技術(shù)裝備，提高冶金工業(yè)發(fā)展質(zhì)量和效益的精神。同時(shí)改善現(xiàn)有5 座高爐的能源消耗結(jié)構(gòu)，提高高爐富氧量、減少高爐焦炭用量，達(dá)到節(jié)能減排的目的。天津天鋼聯(lián)合特鋼有限公司（以下簡(jiǎn)稱：聯(lián)合特鋼公司）決定對(duì)企業(yè)現(xiàn)有空分廠房和設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造，逐步淘汰現(xiàn)有的3 套高能耗老空分裝置，擬投資建設(shè)一套裝機(jī)容量為40 000 Nm3/h 的空分裝置。

1 空分裝置設(shè)備及工藝概述

1.1 空分裝置工藝流程

1.1.1 空氣系統(tǒng)

空氣經(jīng)空氣過(guò)濾器被去除灰塵和其它雜質(zhì)后[1]，進(jìn)入空壓機(jī)進(jìn)行三級(jí)壓縮兩級(jí)冷卻，得到0.6 MPa的壓縮空氣之后送入空冷塔對(duì)壓縮空氣進(jìn)行洗滌、除去有害物質(zhì)和降溫。壓縮空氣自預(yù)冷系統(tǒng)空冷塔的下部進(jìn)入，從空冷塔頂部輸出?？绽渌糜诮禍氐睦鋮s給水分兩段，一段為經(jīng)循環(huán)水池處理過(guò)的冷卻水供空冷塔下部使用，另一段為經(jīng)水冷塔與冷水機(jī)組相結(jié)合冷卻后的冷凍水供空冷塔上部使用，滿足空氣進(jìn)入純化系統(tǒng)的所需溫度。

空氣從空冷塔頂部出來(lái)后進(jìn)入徑向式分子篩純化系統(tǒng)。在純化系統(tǒng)中壓縮空氣中的水、二氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化合物等不純物質(zhì)被分子篩吸附。

經(jīng)純化系統(tǒng)凈化后的空氣分兩股：一股去增壓機(jī)；另一股直接進(jìn)入冷箱，從主換熱器底部抽出后送入下塔。

進(jìn)入增壓機(jī)的空氣經(jīng)增壓后分為三股：一股直接自增壓機(jī)末端抽出進(jìn)入冷箱，經(jīng)主換熱器得到冷量后直接送入空分塔下部；一股自增壓機(jī)末端排出，經(jīng)過(guò)冷凝器冷卻后進(jìn)入膨脹機(jī)的增壓端進(jìn)一步增壓，增壓后送入主換熱器，在主換熱器中得到冷量后并在主換熱器中下部抽出送入膨脹機(jī)的膨脹端，經(jīng)膨脹機(jī)的膨脹端膨脹制冷后送入空分塔下部，為空分塔提供冷量；一股在經(jīng)增壓機(jī)一級(jí)壓縮后被提取出為整套空分機(jī)組提供所需儀表氣源。

1.1.2 氧氣系統(tǒng)

經(jīng)空分塔內(nèi)壓縮產(chǎn)出的低壓氧氣0.8 MPa（G），可供用戶直接使用；或經(jīng)活塞氧氣壓縮機(jī)壓縮后得到3.0 MPa（G）的高壓氧氣，送往用戶的高壓氧氣管網(wǎng)。

1.1.3 氮?dú)庀到y(tǒng)

產(chǎn)品氮?dú)夥謨晒蛇M(jìn)入用戶管網(wǎng)。一股來(lái)自純氮塔的氮?dú)猓M(jìn)入氮壓機(jī)一級(jí)壓縮送往高壓氮?dú)夤芫W(wǎng)；另一股來(lái)自下塔頂部的高純壓力氮?dú)?，?jīng)主換熱器復(fù)熱后送往常壓氮?dú)猱a(chǎn)品管道。

1.1.4 氬氣系統(tǒng)

空分裝置設(shè)置液氬系統(tǒng)，來(lái)自上塔中部的氬餾分氣經(jīng)粗氬塔、精氬塔精餾后產(chǎn)出液氬進(jìn)入液氬儲(chǔ)槽，空浴式汽化器汽化后得到氬氣進(jìn)入氬氣球罐，供用戶使用。

1.1.5 稀有氣體

預(yù)留了稀有氣體抽口，為后續(xù)增加稀有氣體裝置做準(zhǔn)備。

1.2 新建40 000 Nm3/h 空分裝置性能

新建40 000 Nm3/h 空分裝置選用空氣加壓，徑向式分子篩凈化，增壓透平膨脹機(jī)，空分塔上塔、下塔采用規(guī)整填料，膨脹空氣進(jìn)下塔全精餾無(wú)氫制氬的先進(jìn)流程[2]；并結(jié)合新建項(xiàng)目的用氣特點(diǎn)采用氧氣內(nèi)壓縮流程（內(nèi)壓縮流程取消氧壓機(jī)，液氧在冷箱內(nèi)經(jīng)液氧泵加壓達(dá)到所需壓力提供給用戶[3]），氧氣提取率高達(dá)99%以上，負(fù)荷范圍在75%～105%之間可任意調(diào)節(jié)。聯(lián)合特鋼40 000 Nm3/h 空分設(shè)備產(chǎn)品性能指標(biāo)見表1。40 000 Nm3/h 空分裝置簡(jiǎn)易流程圖如圖1 所示。

2 新建40 000 Nm3/h 空分機(jī)組流程形式及設(shè)備選型

2.1 空分裝置流程形式的選擇

聯(lián)合特鋼公司高爐富氧現(xiàn)采用1.5 Mpa 系統(tǒng)，需減壓至0.8 Mpa 才能滿足煉鐵富氧站需求，減壓過(guò)程中能源浪費(fèi)很大。為了降低能源消耗，新建40 000 Nm3/h 空分機(jī)組采用氧氣內(nèi)壓縮的流程，摒棄外置氧氣壓縮機(jī)，有著投資小、占地面積小、運(yùn)行能耗低、安全性能高等優(yōu)點(diǎn)。

表1 40 000 Nm3/h 空分裝置設(shè)備產(chǎn)品性能指標(biāo)

圖1 40 000 Nm3/h 空分裝置簡(jiǎn)易流程圖

與聯(lián)合特鋼公司現(xiàn)有空分機(jī)組外壓縮流程相比，內(nèi)壓縮流程取消了氧壓機(jī)，直接從空分裝置冷箱內(nèi)生產(chǎn)出中高壓氧氣供給用戶，即經(jīng)內(nèi)壓縮產(chǎn)出的低壓氧氣0.8 Mpa，可供煉鐵富氧站直接使用。內(nèi)壓縮流程不僅節(jié)約了設(shè)備投資、運(yùn)維及能耗等費(fèi)用，制冷能力也高于外壓縮流程，所以內(nèi)壓縮流程制氧設(shè)備液體生產(chǎn)能力較大。

聯(lián)合特鋼公司現(xiàn)有空分裝置氧電單耗為0.84 kWh/m3，而新建40 000 Nm3/h 空分裝置氧電單耗為0.76 kWh/m3，按照平均電價(jià) 0.685 元/kW·h 計(jì)算，新建40 000 Nm3/h 空分裝置年可節(jié)約電費(fèi)2505.4 萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。

2.2 充分利用聯(lián)合特鋼公司現(xiàn)有資源，達(dá)到節(jié)能減排的效果

（1）依托聯(lián)合特鋼現(xiàn)有“1×65 MW 發(fā)電機(jī)組能源環(huán)保改造項(xiàng)目”多余蒸汽，將新建空分裝置純化系統(tǒng)的加熱器確定為電加熱、蒸汽加熱串并聯(lián)形式，既充分回收利用了廠區(qū)的富余蒸汽，又降低了空分裝置的整體能耗，為企業(yè)節(jié)約了成本，減少了對(duì)環(huán)境的排放量。

電加熱器單臺(tái)額定功率為2 500 kW，分子篩吸附器的使用周期為4 小時(shí)（每天6 個(gè)周期），每個(gè)周期電加熱器工作2 小時(shí)，每日耗電共計(jì)約2 500×2×6×2=60 000 kWh，工業(yè)用電價(jià)格按照0.65 元/（kW·h）計(jì)算，年節(jié)約電費(fèi)約為1 404 萬(wàn)元。

（2）40 000 Nm3/h 機(jī)組循環(huán)水池補(bǔ)水選用廠區(qū)污水處理站處理過(guò)的來(lái)自天津市寧河區(qū)污水處理站的工業(yè)新水?？绽渌仍O(shè)備產(chǎn)生的生產(chǎn)廢水排入廠區(qū)生產(chǎn)廢水處理站，經(jīng)處理后再回用于現(xiàn)有場(chǎng)區(qū)的各生產(chǎn)工序，循環(huán)利用，達(dá)到生產(chǎn)水不外排的效果。

（3）新建40 000 Nm3/h 空分項(xiàng)目擬采用新型消霧型冷卻塔以替代傳統(tǒng)機(jī)械通風(fēng)冷卻塔，達(dá)到節(jié)能環(huán)保、降低成本的效果。根據(jù)地區(qū)特征，按照全年平均蒸發(fā)量為1.5%、收水率20%，平均工業(yè)用水價(jià)6.5元/m3計(jì)算，年運(yùn)行小時(shí)按照8 600 小時(shí)計(jì)算，年節(jié)水收益約62 萬(wàn)元。

2.3 40 000 Nm3/h 空分裝置配套機(jī)組及性能介紹

新建機(jī)組所配備的設(shè)備均采用國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的設(shè)備生產(chǎn)廠家，具有整體配置經(jīng)濟(jì)合理、能耗低、運(yùn)行安全等特點(diǎn)。下面從安全運(yùn)行、節(jié)能降耗、可靠穩(wěn)定等幾方面對(duì)40 000 Nm3/h 機(jī)組設(shè)備進(jìn)行介紹及分析。

2.3.1 空壓機(jī)系統(tǒng)

功能：空壓機(jī)作為空分裝置的心臟，主要為本套機(jī)組提供低壓原料空氣；增壓機(jī)為本套機(jī)組提供膨脹及內(nèi)壓縮汽化的氣源。

技術(shù)特點(diǎn)：空壓機(jī)和增壓機(jī)均采用離心式壓縮機(jī)，電機(jī)拖動(dòng)；空壓機(jī)自帶葉輪清洗系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)葉輪除垢便捷化。

2.3.2 預(yù)冷、純化系統(tǒng)

功能：冷卻和洗滌原料空氣及吸附空氣中水份、二氧化碳、碳?xì)浠衔锛暗趸衔锏入s質(zhì)。

技術(shù)特點(diǎn)：為保證裝置預(yù)冷系統(tǒng)內(nèi)部的最優(yōu)匹配，提高整體運(yùn)行效率，采用立式、徑向流吸附器，使氣流分布更均勻、吸附效率更高。

2.3.3 制冷系統(tǒng)

功能：為本裝置提供所需的冷量。

技術(shù)特點(diǎn)：具有完善的儀表連鎖保護(hù)功能；雙膨脹流程可以有效的增加產(chǎn)冷量，且調(diào)節(jié)范圍大。

2.3.4 精餾系統(tǒng)

功能：作為空分裝置的核心部位，其作用是利用氧、氮、氬的特性進(jìn)行精餾。

技術(shù)特點(diǎn)：采用成熟先進(jìn)的工藝技術(shù)、運(yùn)用國(guó)際一流的設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，并結(jié)合聯(lián)合特鋼公司實(shí)際的運(yùn)行管理和反饋數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

新建空分裝置充分結(jié)合目前空分行業(yè)的優(yōu)點(diǎn)，在保證了整套機(jī)組的安全可靠性的同時(shí)，也充分利用了聯(lián)合特鋼公司現(xiàn)有的資源，完成了對(duì)聯(lián)合特鋼公司原有的3 套老機(jī)組的升級(jí)換代。項(xiàng)目于2018年3 月底開工建設(shè)，并于2019 年7 月18 日一次性聯(lián)動(dòng)開車成功，產(chǎn)出用戶所需合格的氧、氮、氬等氣體產(chǎn)品。項(xiàng)目的投運(yùn)，滿足了高爐強(qiáng)化冶煉對(duì)富氧的需求，降低了鋼鐵冶煉過(guò)程中的能耗，節(jié)約了企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本。綜上所述，40 000 Nm3/h 空分機(jī)組的投運(yùn)，不僅對(duì)聯(lián)合特鋼的節(jié)能減排有著重大的意義，也對(duì)天津地區(qū)的環(huán)保效益有著深遠(yuǎn)的意義。