空分裝置分子篩運(yùn)行能耗淺析

宋治乾 李 剛 邊明昕 徐云峰

成都艾爾普氣體產(chǎn)品有限公司 （四川成都 610000）

分子篩純化系統(tǒng)是整個(gè)空分裝置中將空氣雜質(zhì)除去的重要設(shè)備，在除去空氣中雜質(zhì)的同時(shí)節(jié)能運(yùn)行，對(duì)整個(gè)裝置的意義不言而喻。不論使用電加熱器還是蒸汽加熱器，優(yōu)化改進(jìn)其加熱程序，可減少加熱時(shí)間，延長(zhǎng)分子篩使用壽命，從而節(jié)省蒸汽及電能，提高工廠整體經(jīng)濟(jì)效益。本研究涉及28 000 m3/h（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，下同）空分裝置，主要為某大型石化企業(yè)提供保護(hù)氮?dú)馀c氧氣，部分多余液氮、液氧、液氬作為附屬產(chǎn)品供周邊電子廠、鋼廠及醫(yī)院。裝置采用內(nèi)壓縮流程，空氣經(jīng)空壓機(jī)壓縮經(jīng)過分子篩凈化后分成兩部分，一部分直接進(jìn)入下塔參與精餾，一部分經(jīng)增壓機(jī)增壓后分別進(jìn)入上塔與下塔參與精餾。液氧從低壓塔底部采出進(jìn)入液氧儲(chǔ)罐，通過液氧泵增壓到氧氣產(chǎn)品需要的壓力，然后在冷箱內(nèi)的換熱器中與壓縮空氣換熱，液氧被汽化，空氣被液化，從而獲得高壓氧氣產(chǎn)品。低壓塔頂部和上部采出氮?dú)馀c污氮?dú)?，氮?dú)饨?jīng)壓縮機(jī)壓縮送下游客戶使用，而污氮?dú)鈩t用于分子篩再生。該工藝避免了使用氧氣壓縮機(jī)所帶來的危險(xiǎn)性和操作上的麻煩，同時(shí)可存儲(chǔ)部分液氧作為氧氣產(chǎn)品的后備，避免因空分裝置短時(shí)間故障而中斷氧氣供應(yīng)，是目前工業(yè)上大規(guī)模制取高純氧氣的最先進(jìn)技術(shù)。[1]隨著填料技術(shù)的進(jìn)步，高效率、低壓降的填料塔應(yīng)用于深度冷凍法分離空氣裝置，無氫精餾制氬技術(shù)才實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。無氫精餾制氬技術(shù)采用雙塔精餾對(duì)粗氬進(jìn)行精制，完全避免了用氫氣制氬技術(shù)的缺點(diǎn)，且生產(chǎn)過程更易于控制。

1 分子篩系統(tǒng)組成

該裝置分子篩由活性氧化鋁、鈣劑分子篩和13X 分子篩組成，主要用于清除空氣中的水分、乙炔、二氧化碳等雜質(zhì)，以避免溫度降低從空氣中析出，凍結(jié)和堵塞換熱器通道，同時(shí)避免一些碳?xì)浠衔镌谥骼?、液氧?chǔ)槽中形成聚集產(chǎn)生危險(xiǎn)；分子篩由4 個(gè)吸附器（兩兩并列）和再生加熱系統(tǒng)組成，再生加熱系統(tǒng)由一個(gè)蒸汽加熱器與一個(gè)電加熱器串聯(lián)組成，具體如圖1 所示。

圖1 分子篩系統(tǒng)組成

裝置開車啟動(dòng)時(shí)，再生氣來自分子篩后端的空氣，以滿足分子篩再生的需要；裝置正常運(yùn)行時(shí)，再生氣則來自主精餾上塔通過主換熱器復(fù)熱后的污氮?dú)?，其氧氣體積分?jǐn)?shù)在3%以下，有利于分子篩的安全、可靠運(yùn)行。

2 分子篩加熱系統(tǒng)主要參數(shù)及流程

該裝置分子篩一個(gè)再生周期需要5 h，其加熱時(shí)間隨季節(jié)及裝置負(fù)荷變化而不同，夏季約需要60 min，冬季約需要45 min，加熱再生氣量需要22 000 m3/h，冷吹再生氣量需要27 000 m3/h，分子篩加熱再生設(shè)計(jì)溫度為195 ℃。

再生氣所需要的熱量由蒸汽加熱器和電加熱器兩部分提供。蒸汽加熱器為臥式加熱器，使用由公用工程熱電站提供的過熱蒸汽，設(shè)計(jì)壓力1.2 MPa、溫度290 ℃；受制于熱電站減溫減壓器及各裝置蒸汽使用情況，其飽和蒸汽實(shí)際溫度只有188 ℃。在分子篩加熱時(shí)，蒸汽通過蒸汽加熱器換熱被冷凝，冷凝水回收到冷凝水池，由冷凝水泵將冷凝液輸送到循環(huán)水池再利用；蒸汽加熱器出口安裝有露點(diǎn)監(jiān)測(cè)儀，來監(jiān)測(cè)其是否會(huì)出現(xiàn)內(nèi)漏。電加熱器共有5 組，每組有20 根加熱管，每一組電加熱器功率為150 kW，5 組總計(jì)750 kW；加熱管內(nèi)部加熱元件設(shè)計(jì)最高溫度不超過600 ℃，加熱系統(tǒng)啟動(dòng)后，工作時(shí)電加熱溫度一般達(dá)到270 ℃，電加熱器殼體有溫度高高聯(lián)鎖保護(hù)，當(dāng)溫度超過600 ℃時(shí)會(huì)自動(dòng)聯(lián)鎖關(guān)停。

3 電加熱器單元節(jié)能控制比例設(shè)定

分子篩一個(gè)再生周期分為5 個(gè)步驟，分別是泄壓、加熱、冷吹、充壓、并聯(lián)運(yùn)行。分子篩加熱的目的是通過高溫再生氣解析分子篩正常運(yùn)行時(shí)吸附的水分、二氧化碳等雜質(zhì)。

該裝置電加熱共計(jì)5 組，根據(jù)再生氣流量與溫度變化的關(guān)系，利用再生氣流量與溫變比例控制5組電加熱器的啟動(dòng)和停止。在分子篩再生加熱程序設(shè)計(jì)中，將再生加熱氣溫度控制器TIC1626-1 控制比例值預(yù)設(shè)為50%，當(dāng)加熱步驟開始后，TIC1626-1控制器會(huì)自動(dòng)投用轉(zhuǎn)為50%設(shè)定；當(dāng)每組電加熱器溫度達(dá)到設(shè)定比例時(shí)，會(huì)按照比例值進(jìn)行自動(dòng)啟停，分子篩再生加熱初期蒸汽提供熱量使再生氣溫升較慢，所以，每組電加熱器會(huì)按照其啟動(dòng)比例依次全部投用；電加熱器E167 第一組控制啟動(dòng)設(shè)定比例為20%、停止設(shè)定比例為15%，第二組控制啟動(dòng)設(shè)定比例為75%、停止設(shè)定比例為70%，第三組控制啟動(dòng)設(shè)定比例為35%、停止設(shè)定比例為25%，第四組控制啟動(dòng)設(shè)定比例為95%、停止設(shè)定比例為90%，第五組控制啟動(dòng)設(shè)定比例為65%、停止設(shè)定比例為60%。當(dāng)分子篩再生氣出電加熱器后溫度達(dá)到195℃時(shí)，電加熱器按照先前設(shè)定的比例值停止運(yùn)行。當(dāng)加熱步驟結(jié)束后，TIC1626-1 控制器會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)為手動(dòng)狀態(tài)保持。具體如圖2 所示。

圖2 電加熱器啟動(dòng)比例設(shè)置

4 電加熱器的設(shè)計(jì)功率

電加熱器是為了輔助蒸汽加熱器完成再生氣的升溫任務(wù)，因此電加熱器設(shè)計(jì)功率不能太大，以免浪費(fèi)；也不能太小，避免出現(xiàn)蒸汽斷供或者蒸汽加熱器E162 維修等導(dǎo)致空分裝置被迫停車。通過計(jì)算得出，在電加熱器E167 單獨(dú)加熱的情況下，裝置依然能夠最低負(fù)荷運(yùn)行，避免了裝置因蒸汽斷供而停車。

電加熱器功率的確定見公式（1）。

其中：p 為加熱器功率，kW；V 為所需的加熱氣體量，m3/h；cV為加熱氣體的容積比熱容，kJ/（m3·K）；T2為加熱氣體出口溫度，K；T1為加熱氣體進(jìn)口溫度，K。

5 電加熱系統(tǒng)運(yùn)行情況

分子篩電加熱器E167 在分子篩開始加熱3 min 內(nèi)5 組全部投入，這時(shí)蒸汽加熱器E162 出口溫度約為95 ℃，而E167 出口溫度約為88 ℃；在蒸汽加熱器與電加熱器同時(shí)運(yùn)行5.5 min 后，TI1660 與TI1626-1 出口溫度為120 ℃；其中蒸汽加熱器出口溫度在125 ℃左右，上漲較為緩慢，而電加熱器出口溫度基本達(dá)到168 ℃；E167 與E162（142 ℃）同時(shí)運(yùn)行10 min 加熱溫度到190 ℃，分子篩加熱系統(tǒng)控制程序按比例停第四組電加熱器。加熱曲線具體如圖3 所示。

圖3 分子篩加熱溫度曲線

這種加熱模式可以使再生加熱氣以更快速率達(dá)到150 ℃以上以滿足加熱氣溫度要求，從而使加熱時(shí)間大幅度縮短至50 min 左右，約占再生時(shí)間的17%。而一般分子篩的加熱時(shí)間是再生時(shí)間的25%左右，這樣就可以有更充足的時(shí)間分配給冷吹階段，以保證冷吹合格，否則冷吹不徹底會(huì)將下次吸附時(shí)太多的熱量帶入精餾塔內(nèi)，導(dǎo)致塔內(nèi)精餾工況紊亂，破壞產(chǎn)品純度。

6 分子篩運(yùn)行能耗變化情況

該裝置位于成都平原，夏天（6 月—9 月）與冬天（11 月—次年2 月）運(yùn)行受天氣變化影響，整體能耗變化較大。夏天天氣炎熱，空氣濕度大，循環(huán)水溫度為25～32 ℃，通過空冷塔冷卻后的空氣進(jìn)入分子篩溫度較高（15～22 ℃），且含水量高，所以分子篩運(yùn)行負(fù)荷較大；而冬天時(shí)循環(huán)水溫度較低，為15～20 ℃，出空冷塔空氣溫度在10 ℃左右，含水量較低，分子篩運(yùn)行負(fù)荷較低。對(duì)比兩個(gè)季節(jié)能耗的變化，夏季時(shí)分子篩一個(gè)再生周期（5 h 切換一次）平均能耗約為7 325 kW，而冬季時(shí)分子篩一個(gè)再生周期平均能耗約為4 395 kW。整體能耗冬季較低，夏冬兩季能耗相差2 930 kW。

綜上所述，分子篩加熱器在控制比例運(yùn)行期間，能夠很好地節(jié)省電能。普通電加熱器不按比例控制，消耗的電能遠(yuǎn)大于按照比例控制的電加熱器。按照比例控制的電加熱器利于設(shè)備本身的維護(hù)，為裝置和工廠安全、可靠生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)性帶來了很大的收益；同時(shí)，空氣出預(yù)冷系統(tǒng)時(shí)的溫度變化對(duì)分子篩能耗也有一定的影響。

7 結(jié)語

分子篩吸附器主要用于清除原料空氣中的水分、乙炔、二氧化碳以及一些碳?xì)浠衔?，以防止這些雜質(zhì)在設(shè)備及管線部位局部積聚和凍結(jié)并堵塞管線。其中，乙炔和其他碳?xì)浠衔镌诳辗衷O(shè)備內(nèi)積聚，在一定條件下還會(huì)引起爆炸。所以，在保證空分設(shè)備長(zhǎng)期、安全、可靠運(yùn)行的情況下，能夠通過調(diào)整分子篩電加熱器加熱時(shí)間，更好地利用富余蒸汽對(duì)分子篩進(jìn)行加熱再生，有效控制分子篩運(yùn)行期間的整體能耗，使其在最優(yōu)能耗下運(yùn)行以降低裝置生產(chǎn)運(yùn)行成本。