南鋼空分設備改造實踐與探討

蘭振強

（南京鋼鐵聯(lián)合有限公司制氧廠，江蘇南京 210035）

引言

以電拖為主的空分設備又是耗能大戶。隨著科學進步，技術的不斷發(fā)展，我國的空分技術也有了極大的突破，企業(yè)探索利用高新技術對空分設備挖潛增效、創(chuàng)新技改也顯得日趨重要。

1 南鋼設備概況

南京鋼鐵聯(lián)合有限公司（以下簡稱南鋼）制氧廠KDON-20000/40000 型空氣設備于2003 年10 月投產(chǎn)，是南鋼首套深度冷凍法大型外壓縮無氫制氬空分裝置。

1.1 工藝簡介

主要工藝為，原料空氣經(jīng)自潔式過濾器除去灰塵及其它機械雜質，再壓縮至0.5MPa 左右，經(jīng)預冷系統(tǒng)得到冷卻和洗滌后，進入分子篩純化系統(tǒng)除去二氧化碳、部分碳氫化合物及水份等?？諝饨?jīng)凈化后分兩路，一路進入膨脹機，一路經(jīng)板式換熱器進入分餾塔，根據(jù)氧、氮、氬沸點不同進行物理精餾。下塔主要分離出液氮產(chǎn)品；上塔分離出氮氣、氧氣、液氧產(chǎn)品，然后在粗氬塔和精氬塔中分離出純氬產(chǎn)品。18 kPa氧氣、10 kPa氮氣產(chǎn)品出板式換熱器后，分別經(jīng)氧壓機、氮壓機壓縮至中壓產(chǎn)品送至下游用戶，出精氬塔液氬產(chǎn)品經(jīng)柱塞泵升壓并經(jīng)板式換熱器復熱氣化后送至下游用戶。液氧、液氮、液氬產(chǎn)品送入低溫液體儲槽，一部分作為后備氣化保安使用，富余部分作為副產(chǎn)品外銷。

1.2 裝置的配置特點

該空分裝置空壓機、低壓氮壓機為進口設備，其他設備為國產(chǎn)，裝置主體設備配置情況見表1。

表1 KDON-20000/40000型空氣設備配置表

1.3 技術參數(shù)

裝置的主要技術參數(shù)見表2。

表2 KDON-20000/40000型空氣設備技術參數(shù)表

2 改造內容

2.1 分子篩再生加熱器改造

2.1.1 改造背景

KDON-20000/40000 型空分設備，原料空氣中所含有的水、乙炔、二氧化碳等雜質被分子篩吸附器中的活性氧化鋁和分子篩吸附，凈化后的合格空氣進入冷箱空分塔進行精餾。分子篩一臺工作時，另一臺同步再生解吸，切換周期為4 h。分子篩加熱系統(tǒng)采用電加熱器，將空分塔出來的約20 ℃的污氮氣直接加熱至170 ℃以上，再進入分子篩進行再生，每臺分子篩加熱系統(tǒng)配有3臺電加熱器。

對比行業(yè)內分子篩加熱模式，絕大多數(shù)已改為蒸汽加熱模式，節(jié)能效益明顯，且蒸汽加熱器內漏問題已得到有效解決，運行可靠性及穩(wěn)定性大大提高。南鋼廠區(qū)蒸汽有富余，制氧廠區(qū)域內現(xiàn)架設有蒸汽管道，運行有0.6 MPa、143 ℃左右的飽和蒸汽，為節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本，計劃對制氧廠分子篩加熱系統(tǒng)進行改造，在現(xiàn)有電加熱器前增設蒸汽加熱器，將再生污氮氣預加熱，以減少電耗。

2.1.2 改造方案

在分子篩電加熱器進口主管道串聯(lián)1臺蒸汽加熱器，進入電加熱器的污氮氣首先進入新增設的蒸汽加熱器預熱，污氮氣由20 ℃加熱至143 ℃左右，再經(jīng)電加熱器調功組加熱至170 ℃以上，滿足再生氣解吸溫度要求。而經(jīng)蒸汽加熱器換熱后的蒸汽變?yōu)槔淠?，流入蓄水池回收再利用?/p>

本方案中蒸汽加熱器靠近分子篩布置，故從制氧廠區(qū)的蒸汽主管道上分出一路DN150 支管，支管進蒸汽加熱器前設置DN150 切斷閥，出加熱器后設DN50 切斷閥，同時污氮氣管道在蒸汽加熱器處需設置DN600 進、出口切斷閥及旁通閥。同時，新增在線露點分析儀（露點-100 ℃～100 ℃）1臺，在線監(jiān)測出蒸汽加熱器污氮氣的露點，確保安全使用。

通過改造，充分利用公司低品位蒸汽，在維持分子篩同等再生效果的前提下，實現(xiàn)每天降低分子篩加熱電耗6 980 kWh,改造前后關鍵數(shù)據(jù)對比見表3。

表3 分子篩加熱器改造前后關鍵參數(shù)對比表

2.2 增壓透平膨脹機提效

該增壓透平膨脹機已使用16年，設備運行參數(shù)偏離設計最佳點，增壓機排壓高，為調整壓力和膨脹量，在額定轉速時，回流閥總有一定開度，能耗高，同時液體產(chǎn)量同比下降，膨脹機整體效率較低。改造方案為，主機膨脹機蝸殼利舊，其余部件需要重新設計制造，包括：轉子、轉動噴嘴、壓緊機構、擴壓器、軸承箱、密封器、軸承、增壓機蝸殼（即轉子機型總成），達到提升膨脹機膨脹量和機組效率目的。

改造后，膨脹量由15 000 m3/h提至18 600 m3/h，效率提升約2%，液體產(chǎn)量提升30%。

2.3 篩板下塔改規(guī)整填料塔

空分設備受限于當初項目建設時技術水平，下塔為篩板塔，空分系統(tǒng)整體阻力比先進指標高約30 kPa，與南鋼其它機組相比能耗指標偏高，且無變負荷功能，無法根據(jù)生產(chǎn)需要進行調節(jié)。

2.3.1 篩板塔

篩板塔由塔體和塔板組成，而塔板又包括篩孔板、溢流斗和無孔板等。篩板上有許多小孔，氣相自下向上穿過小孔，經(jīng)液體鼓泡而上。液體按照一定的路線從塔板上流過，經(jīng)溢流裝置逐層往下移動。由于受到穿過小孔氣流的托持，液體不會從篩孔漏下。氣相經(jīng)過各層塔板時，分散成許多股氣流，從小孔進入液體中，并與之接觸，進行傳熱傳質。

2.3.2 填料塔

填料塔的整體結構是由塔體、填料、噴淋裝置、支撐柵板、再分配器和氣液進出口管等組成。填料使氣、液兩相高度分散，擴大接觸面積；噴淋裝置使液體均勻分散噴灑在填料層中；支撐柵板支撐填料層，并使蒸汽均勻通過填料層；分配器的作用是使液體能夠均勻地潤濕所有填料，避免產(chǎn)生壁流造成中間填料得不到潤濕。為了創(chuàng)造氣、液接觸的良好條件，當某一段填料超過一定高度時還須設置再分配器，使液體重新收集進行再分配，以保證均勻噴灑。

2.3.3 篩板與填料對比

雖然篩板塔的流體力學和傳質模型比較成熟，數(shù)據(jù)可靠，被廣泛應用，但新的高效規(guī)整填料已通過大量實踐和應用證明，長期使用穩(wěn)定可靠，分離效率高，壓力降小，操作彈性大，同時造價同比之前下降，應用范圍廣。篩板塔與填料塔性能對比見表4。

表4 篩板塔與填料塔性能對比表

2.3.4 改造

改造方案為，采用空分設備精餾塔中專用金屬孔板波紋高效規(guī)整填料。在不改變塔體情況下，將原有的下塔外徑3 044 mm，高度14 070 mm，雙溢流結構篩板塔72層分離通道，改為高效規(guī)整填料分離通道，層數(shù)調整為54 層。塔體上無需另行開孔，通過僅有的DN500 下塔人孔，作為篩板出料和填料進料口，自上而下對冷箱內塔板（包括上、下漲圈）進行拆除，磨平筒壁，安裝臨時爬梯。拆除過程割掉篩板角鋁，邊拆邊打磨，焊縫磨平。運用國內首創(chuàng)的分塊施工現(xiàn)場安裝方法，自下而上安裝，注意調整安裝角度的變化，每安裝一層由現(xiàn)場技術人員檢查安裝質量、核準后再進行下一步施工。實施過程中，克服施工工期短、現(xiàn)場施工空間小、技術難度大等困難，實現(xiàn)下塔阻力小于3.3 kPa。

項目實施后，空分設備下塔阻力由原來19.4 kPa下降至3.2 kPa，空分氧單耗由0.475 kWh/m3降低為0.452 kWh/m3，液氬產(chǎn)量由600 m3/h提升至800 m3/h。對空分塔內工藝流程管線進行優(yōu)化和改造后，實現(xiàn)制氧機80%～105%變負荷工況下產(chǎn)品質量不受影響且安全穩(wěn)定生產(chǎn)，有效減少制氧系統(tǒng)氧氣放散和生產(chǎn)成本。

2.4 中壓氧壓機改低壓

南鋼傳統(tǒng)供氧，無論是高爐富氧，還是煉鋼、軋鋼用氧，氧氣從制氧廠到各氧氣用戶均通過僅有一個等級的中壓氧氣管網(wǎng)輸送，用戶內部再根據(jù)實際需求進行降壓使用。出空分的常壓氧氣（15 kPa）經(jīng)氧壓機壓縮至3.0 MPa 中壓氧氣后，再在高爐富氧站減壓至0.55 MPa 左右后混入鼓風機后冷風管道使用，能源浪費較大，且安全風險也較高。高爐鼓風機后富氧壓力要求高于風壓0.1 MPa 既可，參照煉鐵系統(tǒng)高爐富氧的特點，結合南鋼自身生產(chǎn)調節(jié)情況，采用高、低壓氧氣分壓運行模式實施節(jié)能改造。

將空分設備現(xiàn)有中壓氧壓機（排壓3.0 MPa）拆除，新增一臺低壓氧壓機（排壓0.8 MPa），基礎、電儀系統(tǒng)、水路、氣路、行車等總體利舊。原中壓氧壓機平臺尺寸為5 600×1 1500 mm，新低壓氧壓機平臺尺寸為5 600×9 400 mm。新增氧壓機利用原有的5 m平臺，設備氣缸基礎需要進行在線切割、植筋方式滿足基礎要求，以中間2 根柱子為準對齊，3 臺冷卻器放置于平臺下。設備制造時，調整3 臺冷卻器的位置以滿足改造現(xiàn)場的需求。實施過程中根據(jù)現(xiàn)場實際情況，結合原設備基礎平臺圖紙情況，在不拆除整體平臺的前提下，對設備安裝基礎進行優(yōu)化調整。期間，同步配套建設至高爐用戶的低壓氧氣管網(wǎng)，實現(xiàn)不同用氧等級用戶分管網(wǎng)輸送保供。中壓氧壓機改造為低壓氧壓機后，氧氣工作壓力由2.6 MPa 降至0.63 MPa，壓縮單耗由0.189 kWh/m3降至0.105 kWh/m3，能耗下降44%。

3 改造效果評價

該空分2019 年3 月28 日全系統(tǒng)停車，5 月12 日完成改造一次開車成功,改造前后數(shù)據(jù)對比見表5。

表5 空分設備改造前后關鍵參數(shù)對比表

除了完成上述改造外，分子篩系統(tǒng)關鍵閥門全部由三桿閥替代，分子篩切換周期由4 h延長至6 h，空分系統(tǒng)實現(xiàn)了自動變負荷操控的目標，所有改造均達到了預期效果。