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30000m3/h内压缩制氮机(制氮设备)的研制

30000m3/h空分设备是杭氧股份有限公司
设计制造的、目前国内最大的内压缩流程、5种稀
有气体全提取空分设备。该空分设备于2003年8
月18日签定合同,在中国空分设备公司及马钢气
体销售分公司、设计院和修建工程公司的密切配合
下,经过精心设计、安装施工和设备调试, 于
2005年12月25日一次开车成功。经过1个多月的
试运行,设备运行稳定可靠、操作方便,2006年2
月9日至11日三方对该空分设备进行了性能考核,
各项指标均达到或优于设计值。下面较为全面地介
绍该空分设备的开发、研制情况。
1 主要性能指标及流程
马钢30000m3/h空分设备主要性能指标见表1。
. 在制定技术方案时,杭氧根据马钢30000m3/h
空分设备的氧气压力高和产品液体量大的特点,经
过多个技术方案的比较和流程的优化计算后,选择
了空气循环、两段增压、膨胀空气进下塔的液氧泵
内压缩流程。工艺流程如图1所示。
原料空气经过滤、被压缩至0.62MPa(A),再
经过空气预冷系统预冷和分子筛纯化系统净化后分
三路:一路在主换热器E1中与返流气体换热,达
到接近空气液化温度进入下塔。另一路进入增压空
气压缩机进行增压。这部分空气又分为两部分:相
当于膨胀空气的这部分空气从增压空气压缩机I段
抽出,经膨胀机的增压端增压后进入主换热器,增
压空气在主换热器内被返流气体冷却至一定温度时
抽出,进入膨胀机膨胀制冷后进入下塔;另一部分
继续进增压空气压缩机Ⅱ段增压,从增压空气压缩
机Ⅱ段抽出后进入主换热器,与返流的液氧和其他
气体换热,被冷却后经高压节流阀节流,然后进入
下塔中部。第三路少量空气进入粗氖氦换热器,用
来复热来自粗氖氦冷凝器的低温氮气和粗氖氦气,
冷却后的空气进下塔。
在下塔,空气被初步分离成氮和富氧液空,在
上塔最终分离出氧、氮产品。
液氧从上塔底部引出,经低温液氧泵加压,经
主换热器复热后以2.5MPa(G,下同)的压力作为
气体产品出冷箱。
污气氮从上塔上部引出,经过冷器和主换热器
复热后,部分作为分子筛的再生气体,其余进入水
冷塔。氮气从上塔顶部引出,经过冷器和主换热器
复热后作为产品送往氮压机,多余部分送水冷塔。
精液氩采用低温全精馏法制取。在上塔的中下
部氩馏分聚集口抽取一定量的氩馏分,经过粗氩塔
除氧和精氩塔除氮后,在精氩塔底部得到精液氩。
精液氩经中压液氩泵AP加压,经主换热器复热后
以3.OMPa的压力作为气体产品出冷箱。
贫氪氙从下塔液空中提取。下塔抽取的液空进
入液空液氮过冷器,过冷后分成两部分:大部分液
空进入粗氩冷凝器,作为冷源,蒸发后的液空蒸汽
及粗氩冷凝器底部回流液空分别进入贫氪氙塔的中
部和下部;另一部分液空直接进入贫氪氙塔顶部进
行精馏。贫氪氙蒸发器采用下塔顶部压力氮气作为
热源,使贫氪氙塔底部的液体蒸发成上升蒸汽,氮
气冷凝成液氮后回流至下塔。在贫氪氙塔底部得到
贫氪氙液,送人贮槽。
粗氖氦从下塔和主冷压力氮中提取。从主冷和
下塔顶部氖氦气易富集处提取氖氦含量较高的压力
氮气,同时也从贫氪氙蒸发器、精氩蒸发器中提取
氖氦含量较高的压力氮气,送人粗氖氦塔,用过冷
后的液氮作为冷源冷却氮气。由于氖氦气是低沸点
组分,难以液化,一般都富集在粗氖氦冷凝器的顶
部。从粗氖氦冷凝器的顶部得到粗氖氦产品,经复
热后出冷箱。正常工作时,粗氖氦冷凝器冷源采用
粗氖氦塔底部的液氮,下塔来的液氮作为补充。
2 流程特点
马钢30000m /h空分设备是典型的大型冶金型
内压缩流程空分设备,产品氧气出冷箱压力
2.5MPa,产品氮气出冷箱压力为常压,因此选择
了空气循环,即增压空气压缩机+液氧泵+中压换
热器取代较为复杂的氧气透平压缩机。而原料空气
压缩机、空气预冷系统、分子筛纯化系统和全精馏
制氩系统与常规的外压缩流程空分设备基本相同。
同时由于用户对液体产品的需求量较大,该设备液
体产品的总和为氧气产量的15.3% ,所以膨胀机
系统采用中压透平膨胀机,膨胀后的空气全部进入
下塔参加精馏,氧和氩的提取率较高。
(1)内压缩流程产品氧气的生产,从主冷中抽
取大量的液氧经液氧泵加压至2.5MPa后,再经主
换热器汽化复热至常温后出冷箱,所以主冷中碳氢
化合物积聚的可能性很小。同时产品液氧在主换热
器中的压力为2.5MPa, 对应的沸点温度为
一135.03 oC,在此温度下,碳氢化合物不可能以固
态析出,它们随着液氧的蒸发而蒸发,主换热器处
于安全状态。
(2)液氧泵采用一用一备(冷备用)、变频调
节形式,可按液氧量的变化调节液氧泵的流量,保
证了中压氧的连续供应。
(3)精氩塔底部的中压液氩经中压液氩泵加压
至3.0MPa后,再经过换热器汽化为中压氩气后出
冷箱供用户,既回收了冷量又方便了用户。
(4)在常规外压缩流程空分设备中,贫氪氙从
主冷的液氧中提取,因为氪的沸点为一153.2~C,
氙的沸点为一108℃ ,比氧的沸点高得多,氪氙随
下塔的液体打到上塔作回流液和制氩系统的液体回
流上塔,最终富集在主冷的液氧中;而内压缩流程
由于要从主冷中抽取大量的液氧,再从主冷液氧中
提取不合理,改由下塔的液空中提取。
3 设备配置
3.1 压缩机组
本套空分设备由杭氧进行总体流程设计计算,
并提出压缩机组的技术参数,由用户自行采购。原
料空气透平压缩机(简称:空压机)采用了西门子
VK125.3型离心式压缩机,电机拖动。增压空气压
缩机采用了COPPER公司6R3MSGE.9ARCD/15型离
心式压缩机,与原料空压机一样,采用电机拖动,
压缩机分两段,实行膨胀空气中抽。
3.2 空气预冷系统
空气预冷系统采用带水冷塔的新型高效预冷系
统,空冷塔和水冷塔均采用特殊设计的散堆填料,
具有传热效率高、阻力小、操作弹性大的特点。由
于产品氧氮比例为1:1.17,有足够的污氮气进入
水冷塔来降低冷却水温,因此取消了冷水机组。
3.3 分子筛纯化系统
分子筛纯化系统采用长周期设计,吸附器为卧
式双层床结构,再生采用新型蒸汽加热器串接电加
热器的形式。由于用户蒸汽压力波动较大,使再生
污氮加热温度不够高,所以在蒸汽加热器后增加电
加热器。在分子筛纯化系统设计时,还考虑切换无
冲击、均压分层控制等控制要求。
3.4 膨胀机组
透平膨胀机主机进口,采用ALTLAS产品,同
时离线备用机芯总成;辅机如冷却器、过滤器等由
杭氧配套。
3.5 换热器
主换热器共4台,采用CHART产品。在总体
布置时,合理布置管道,使每一组阻力搭配尽可能
均匀。此外,为了防止偏流,在每一组高压空气进
口设置调节阀。
3.6 液体泵
冷箱内的循环液氧泵、循环液氩泵及中压液氩
泵采用CRYOSTAR产品,在线冷备用。
3.7 精馏系统
马钢30000m3/h空分设备的精馏塔主冷箱与板
翅式换热器冷箱中间用隔板隔开,液体泵与主冷箱
及互备的液体泵都各自独立布置,以方便检修和
维护。
下塔采用四溢流筛板塔。四溢流塔板可有效地
缩短液体流程、减少液面落差、降低液流强度,从
而有效改善气液接触,提高塔板效率和液体的处理
能力。
上塔、粗氩塔和精氩塔均采用规整填料塔。为
降低冷箱高度,粗氩塔在结构上分为两段,用液氩
泵为粗氩I塔提供回流液,粗氩Ⅱ塔与粗氩冷凝器
复合出厂。
主冷采用单层主冷。为了尽可能多地提取氖氦
气,在主冷设计时,在其顶部设计了有足够气液分
离空间的液氮槽。
3.8 阀门、管道
随着空分设备等级的增大,冷箱内管架的设计
显得更加重要。在这套空分设备中根据冷箱内管道
应力计算和分析,采用塔器上贴板固定设置管架,
使得管架的设置更加合理。
严格控制高压液氧、高压气氧的流速及管道和
阀门的材料选用。在设计中采用了符合ANSI标准
的高压不锈钢管,氧介质阀门全部采用进口,且阀
芯要求铜基合金制造。
高压空气节流阀采用不锈钢阀门,布置在独立
的隔箱内。由于该阀将空气压力从5.7MPa(A)节
流到下塔压力0.59MPa(A),压差大,在节流过程
中由于闪蒸会产生振动,所以对该阀设置了特殊的
固定,并设置了单独的隔箱。
4 运行效果
实际运行表明,空分设备工艺流程的参数与理
论设计值相一致,主要表现在:
(1)循环增压机一段和二段的出口压力分别为
2.07MPa和5.7MPa,氧气出口压力一般为2.4~
2.5MPa,这几个压力值是内压缩流程设计的关键, 。
同时主换热器的热端温差控制在3℃ 以下,说明主
换热器的换热情况良好。 .,
(2)精馏塔精馏效果好、效率高。加工空气量
为164000m3/h时,氧气产量实际达到31350m3/h,
液氧产量2500m3/h,纯度为99.88% ;上塔氮平均
纯度为氧含量在0.1%左右,氧的提取率达到98%
以上。全精馏制氩系统工况稳定, 氩产量为
1300m3/h
, 氩提取率达到85%以上。
(3)该套空分设备的液体产量特别多,从实际
考核情况看都能满足要求。
5 结束语
马钢30000 m3/h空分设备是目前国内运行的最
大等级的内压缩全提取空分设备。通过该项目的实
施,使杭氧对大型空分设备的设计开发,特别是冶
金型内压缩流程空分设备的流程选择、配套机组的
选型、设备的运行等积累了大量的实践经验。
(1)冶金企业一般对氧氮产品的压力要求在
3.0MPa左右,液体产量如果需求不大,仅占氧气
产量的3% ~5% ,可选择空气循环、增压压缩机
和膨胀空气进上塔流程。如果液体产量在10% 以
上,可选择空气循环、两段增压和膨胀空气进下塔
流程。
(2)冶金企业不同于化工企业,没有大量的蒸
汽,所以对于原料空压机和循环增压机分别采用独
立的电机拖动比较合适。
(3)透平膨胀机的配置方式即1台膨胀机在线
运行、独立备用1个机芯总成是比较可行的方案,
但相对来说透平膨胀机的可靠性要求比较高。
(4)冷箱内的阀门尤其是高压空气节流阀、液
氧管路上的阀门及重要的液体阀采用进口阀门,保
证了整个设备的稳定运行。
(5)冷箱内的循环液氧泵和循环液氩泵采用进
口离心泵,在线冷备用,提高了设备的可靠性。
(6)内压缩流程的控制相对外压缩流程较复
杂,所以一个完善的控制系统是设备安全、可靠运
行的保证。
马钢30000m3/h空分设备的研制成功,标志着
杭氧在大型空分设备开发上又迈出了坚实的一步,
为大型空分设备的国产化做出了贡献。