首页 >> 行业知识 >> 制氮机(制氮设备)增产氮的研究与实践

前 言
随着宝钢生产规模的不断扩大, 特别是氩气在
“连铸连轧”生产过程中和优质品种钢生产中具有
重要作用, 宝钢生产对氩气需求量日益增长; 而且
上钢一厂的氧、氮和氩气供应任务也由宝钢承担,
仅不锈钢生产对氩气的需求量就高达1000m3 / h 左
右, 这就使宝钢的氩气产量不能完全满足需要, 成
为制约宝钢生产的瓶颈问题之一。此外, 为了减少
氧气放散率, 降低能耗, 空分设备经常在非标准工
况下运行, 氧气产量的减少造成了氩馏分抽口氩含
量降低, 这样就使氩气产量相应减少。氧、氩生产
和需求发生不平衡, 如何在保证变工况条件下最大
限度地发挥空分设备的制氩能力就显得非常重要。
文章针对宝钢氧气厂空分设备制氩生产中存在
的现实问题, 对如何在非标准工况运行时最大限度
地提高氩气产量进行了研究。首先运用Harmens 状
态方程建立空分仿真模型的方法[1 ] , 对不同生产条
件下如何提高氩气产量进行了仿真分析, 提出了具
体的空分设备非标准工况下提高氩气产量的措施,
并在实际操作中取得了显著成效。
1  空分设备建模、修正及仿真实施
111  空分设备仿真模型的建立
空分设备精馏建模计算一般分为两类: 设计型
和校核型算法。前者主要是指逐板计算法, 根据工
艺要求计算理论塔板数, 试算进出物料口位置; 后
者包括三对角矩阵法、超松弛迭代法等, 由已知的
塔板数和进出物料口位置, 计算每块塔板上气液相
组成、温度、压力及流率, 反映精馏塔内各点参数
以及变工况时参数的变化。笔者首先按照逐板计算
的方法, 计算出主要物料的进出口塔板的位置, 并
根据现场的实际数据, 进行校核, 以形成同实际情
况相符合的、比较准确的精馏塔数学模型; 再利用
校核型算法, 通过改变模拟塔某一个物料进出口参
数来观察其它物料和精馏塔内各点参数变化趋势,
并最终确定增产氩的优化操作方案。
现以宝钢6 # 60000m3 / h 空分设备为例, 具体说
明空分设备建模、修正和仿真实施的过程。宝钢
6 # 60000m3 / h 空分设备1996 年从德国林德公司引
进[2 ] , 流程如图1 所示, 其特点: 采用液氧、液氮
内压缩的分子筛常温净化流程; 分子筛吸附器为卧
式双层床、变温吸附, 内设过滤网; 上塔、粗氩塔
和精氩塔均采用规整填料, 以降低能耗和实现全精
馏制氩; 采用增压空气膨胀制冷, 膨胀空气进下
塔, 膨胀机采用发电机制动, 操作稳定, 便于控
制; 取消冷冻机, 充分利用在蒸发冷却塔内回收的
污氮冷量; 增加1 组送主冷的液氧泵, 使上塔落地
布置, 以降低冷箱高度。空分设备生产能力为氧气
产量60000m3 / h , 氮气产量64000m3 / h , 氩气产量
2380m3 / h。根据宝钢生产的实际情况, 氧气产量一
般控制在50000m3 / h 左右, 氩气产量一般在
1800m3 / h 左右。
图1  宝钢6 # 60000m3 / h 空分设备精馏部分流程图
1 —下塔 2 —上塔 3 —粗氩Ⅰ塔 4 —粗氩Ⅱ塔 5 —精氩塔 6 —主换热器 7 —膜式主冷 8 —液氧泵 9 —液氩泵
  首先, 对宝钢6 # 空分设备的下塔理论塔板数
进行核算。入下塔物流为压缩空气、高压节流后液
空、主冷回流液氮; 出下塔物流为去主冷氮气、去
粗氩塔冷凝蒸发器液空和去精氩塔冷凝蒸发器液
空。这样就将下塔分成两段, 高压液空入口以上为
Ⅰ段, 以下为Ⅱ段。根据下塔的压力, 假设出下塔
釜底液空的组成, 由泡点计算方法得到第一层塔板
的气相组成及平衡温度; 将气相组成代入下塔Ⅱ段
操作线方程, 求得上一层塔板的液相组成; 交替运
用泡点计算和下塔Ⅱ段操作线方程, 直至液相组成
与高压节流后的液空组成基本符合; 再交替运用泡
点计算和下塔Ⅰ段操作线方程, 计算至塔顶符合纯
液氮组成为止[3 ] 。经过计算, 求得某一计算模型的
下塔Ⅱ段的理论塔板数为4 块, 下塔Ⅰ段的理论塔
板数为20 块, 共计24 块。
然后再对宝钢6 # 空分设备的上塔理论塔板数
进行核算。根据流程将上塔分成5 段, 同样采用泡
点计算与操作线相结合的方法, 从液空进上塔入口
开始计算, 得出上塔理论塔板数共计52 块。
112  根据计算的塔板数模拟空分设备运行状况
在计算中将精馏塔的塔板数固定, 建立一个有
固定理论塔板数的精馏塔模型, 通过改变某一馏分
的产量或者组分, 采用校核型算法, 就可以模拟空
分设备的生产。虽然这样的理论计算有一定的误
差, 但是在实际生产条件的范围内这种模拟塔计算
出的馏分和组分的变化趋势同实际一致, 数据的变
化同实际的情况也十分接近。宝钢6 # 空分设备在
氧气产量为标准产量的87 %时计算出的上塔各个
组分随塔板的分布如图2 所示, 在氧气产量为标准
产量的93 %时计算出的上塔各个组分随塔板的分
布如图3 所示, 在氧气产量为标准产量时计算出的
上塔各个组分随塔板的分布如图4 所示, 在氧气产
量为标准产量的106 %时计算出的上塔各个组分随
塔板的分布如图5 所示。
从这4 张图中可以看出在第六块塔板上液相和
气相中氮含量都有明显的变化, 这个高度相对应就
是生产纯氮的副塔底部; 在第16 块塔板上下, 各
个组分的变化是非常小的, 相对应的就是从精氩塔
过来液空进料口; 在第19 块塔板处的进料是从粗
氩塔冷凝蒸发器过来的空气和液空, 因为粗氩塔冷
图2  氧气产量为标准产量的87 %时
上塔各组分随塔板的分布图
图3  氧气产量为标准产量的93 %时
上塔各组分随塔板的分布图
图4  氧气产量为标准产量时
上塔各组分随塔板的分布图
图5  氧气产量为标准产量的106 %时
上塔各组分随塔板的分布图
凝蒸发器的蒸发量非常大, 所以可把粗氩塔的冷凝
蒸发器看作1 块塔板, 这样从下塔进入上塔的空气
和液空是经过精馏的, 组分会发生变化, 进料位置
要比从精氩塔冷凝蒸发器入上塔的液空位置低; 第
28 块塔板是氩馏分的抽出和回流塔板的位置, 这
个位置的决定不是看氩馏分中氩含量的大小, 而是
主要考虑氩馏分中氮含量的多少, 氩馏分氩含量
10 %时, 氮含量为250 ×10 - 6 左右, 氩馏分氩含量
11 %时, 氮含量就剧增到2000 ×10 - 6左右, 同时在
粗氩塔中氩馏分氮含量还会浓缩30 倍左右。这说
明虽然氩馏分氩含量的变化不大, 但是氮含量在粗
氩塔中的变化就会很大, 所以氩馏分抽口的选择对
于粗氩塔和上塔运行工况的影响非常重要。
2  根据模拟塔选择增产氩的操作策略
211  一般的制氩操作策略
在空分设备的制氩操作中, 常用的几种策略
为: ①在基本保持上塔氩馏分氩含量低而粗氩塔的
精馏效率又能得到保证的情况下, 适当增加氩馏分
的抽出量, 从而增加精氩的产量; ②在氩馏分量不
变的情况下适当提高氩馏分氩含量, 是增加精氩产
量的有效方法; ③同时增加氩馏分量和氩馏分氩含
量, 从而增加精氩的产量; ④增加空压机的加工空
气量, 同时增加各种产品的产量, 包括精氩产品的
产量。
212  宝钢6 # 空分设备增产氩的操作策略
根据宝钢的生产实际, 需研究在不增加加工空
气量和氧气放散率的情况下, 平衡并优化下塔、上
塔和粗氩塔的相互关系, 以提高氩的提取率和氩气
产量。氩在上塔的浓度分布为双驼峰形状, 适当地
改变上塔的回流比就会使氩浓度分布区域向上或向
下移动。
根据以上的情况, 通过模拟计算, 对6 # 空分
设备下塔和上塔分别采取了以下操作措施。
(1) 调整下塔工况。下塔的操作对提高氩提取
率非常重要, 因为下塔是上塔精馏的基础, 下塔的
工况没有得到优化, 上塔和粗氩塔的调节就不会有
特别好的结果, 氩产量的增加也不会很大。实际操
作中, 在不发生氮塞的前提下, 对下塔液氮回流阀
进行了优化操作。根据模拟计算分析, 开大下塔液
氮回流控制阀FV23206 的开度, 以增加下塔的液氮
回流量(液氮回流量由原来的95314m3 / h 增加到
106080m3 / h) , 关闭高压液氮的送出阀, 这时液空
的纯度由3714 %O2 降到了3617 %O2 , 如果继续加
大液氮回流量, 就会使下塔液空的纯度受到影响,
反而得不偿失。
(2) 调整上塔工况。主要是增加进上塔的液氮
流量, 加大上塔的回流比, 使氩在上塔分布的驼峰
向下移动, 达到增加氩馏分氩含量的目的。开大液
氮分离器液位控制阀LV23211 和下塔入上塔纯液氮
控制阀FV23223 , 增加入上塔液氮量(使入上塔的
液氮量从58351m3 / h 上升为84532m3 / h) , 提高上塔
的回流比, 从而减少污氮排放中的氩损失。增加上
塔产品氮的取出量( 总的出上塔氮气量达到
90206m3 / h 左右, 以维持物料和能量的平衡。
(3) 调整粗氩塔工况。主要是增加粗氩塔冷凝
蒸发器的负荷, 来合理地增加氩馏分量。实际操作
中增加下塔液空进粗氩塔蒸发器流量(入粗氩塔顶
部液空量达到125600m3 / h 左右) , 将换热器负荷提
高2 %左右, 以增加氩馏分的抽出量。
采取以上措施后, 在空压机进口空气量为
250000m3 / h 左右时, 最大氩气产量能达到2050m3 / h
左右, 比优化操作前增加170m3 / h 左右, 氩气产量
增加8 %; 氩的提取率提高8 % , 达到了88 %。
3  结束语
随着规整填料塔在空分设备中的广泛应用, 空
分设备的变负荷能力越来越强, 但是这样会使空分
设备长期在非标准工况下运行, 对氩气的正常生产
带来了影响。通过设计型算法和校核型算法结合
Harmens 状态方程, 对空分设备精馏进行了模拟计
算, 并结合现场数据对模型进行修正, 建立了一个
同实际空分设备操作相接近的空分设备模型, 再反
过来指导实际的操作。
运用以上的操作策略指导宝钢氧气厂空分设备
的操作生产, 使宝钢2 # 空分设备氩平均提取率从
5517 %增加到6711 % , 提高了1114 %; 宝钢4 # 空
分设备氩平均提取率从5915 %提高到6111 % , 增
加了116 % , 宝钢5 # 空分设备氩平均提取率从
3717 %提高到4110 % , 增加了313 %; 宝钢6# 空分
设备氩平均提取率从80 %提高到88 % , 增加了
8 % , 取得了显著的经济效益。
参考文献:
[1 ] 张延平. 空分装置精馏过程的计算机仿真[D] . 北京:
北京科技大学, 1999.
[2 ] 靳瑞安. 宝钢60000m3 / h 制氧机特点、试车与性能考
核[J ] . 深冷技术, 2000 (6) : 18224.
[3 ] 张祉 , 石秉三. 低温技术原理与装置[M] . 北京:
机械工业出版社, 1987.