鞍钢氧气厂3 套35000m3 / h 空分设备, 采用分
子筛净化、增压膨胀和全精馏无氢制氩内压缩流
程。其分子筛纯化系统采用立式径向流结构, 如图
1 所示; 氧化铝、分子筛由外向内双层布置; 配有
蒸汽加热器和电加热器, 正常时使用蒸汽加热器,
电加热器只作特殊情况再生用; 采用DCS 系统控
制, 运行时分为吸附、隔离高压、卸压、放空、加
热、冷吹、隔离低压、升压、并行和切换10 个
步骤。
2003 年4 月, 3 套35000m3Ph 空分设备顺利投
产后, 存在分子筛吸附器升压后出口空气温度升高
和空冷塔阻力升幅较大等问题, 采取相应措施后,
实现了分子筛纯化系统和整个空分设备长期稳定
运行。
1 延长分子筛吸附器的并行时间, 降低分
子筛纯化系统出口空气温度峰值
鞍钢氧气厂35000m3 / h 空分设备空气出分子筛
纯化系统后分为两路, 一路进入主换热器, 冷却后
与膨胀空气汇合进入下塔; 另一路去增压机, 增压
后在主换热器中与高压氧换热, 液化后进入精馏
塔; 上塔设有一个PID 控制模块AIC1716B , 可根
据氩馏分氧含量自动增减进冷箱空气量。
3 # 、4 # 35000m3 / h 空分设备投产后, 分子筛吸
附器切换时空气出分子筛纯化系统的温度上升到
36 ℃左右, 多次发生主塔工况波动和粗氩塔氮塞
故障。
分子筛在再生结束后进行升压时, 会产生大量
的吸附热。升压结束后进入并行步骤后, 大量的吸
附热逐渐随空气进入冷箱。此时分子筛纯化系统出
口空气(由两组分子筛吸附器的空气混合组成) 温
度开始升高, 上升到一定程度后开始走平, 并行结
束后空气(仅为刚刚再生完的分子筛吸附器出口空
气) 温度继续升高。
分子筛吸附器升压后出口空气温度升高, 使进
入空气增压机的气体温度也升高, 增压机的工作能
力下降, 压缩空气流量降低, 使进入精馏塔的液空
量减小3000m3 / h 左右, 同时在总的出分子筛纯化
系统的空气量不变的情况下, 也会使进入下塔的空
气量增加3000m3 / h 左右, 使塔内回流比减小, 氧
纯度上升, 氩馏分氧含量上升; 温度回落时工况又
会向相反的方向变化。由于升压过程中引起的进塔
空气量的变化也会对空分工况造成较大影响, 在两
者的同时作用下, 空分工况会产生较大波动, 氩馏
分氧含量的变化幅度会较大。由于AIC1716B 的
PID 参数设定较适应于正常工况, 空气量的增减对
氩馏分氧含量的影响又具有一定的滞后性, 所以当
工况波动大时较难实现有效控制, 如操作员调节不
及时, 便会由于氩馏分氧含量的降低发生粗氩塔氮
塞事故。
分子筛吸附器升压后的出口温度上升是分子筛
纯化系统工作的正常现象, 无法xxxx, 但可采
取一定措施减小其影响。经分析, 认为分子筛吸附
器在加热和冷吹阶段各参数基本正常, 无需调整,
只有通过延长两组分子筛吸附器的并行时间, 来达
到降低空气峰值温度的目的。由于分子筛吸附器并
行时其出口空气是由两组分子筛吸附器的空气混合
构成的, 其中1 组分子筛吸附器空气温度的升高对
混合后空气温度的影响是有限的, 并行时间延长
后, 刚升压结束的1 组分子筛吸附器的吸附热会更
多的在并行阶段释放, 从而减少其在并行结束后释
放的吸附热, 进而达到降低切换时分子筛纯化系统
出口空气温度峰值的目的。
经将并行时间由4min 延长至14min 后, 切换
时分子筛纯化系统出口温度峰值在31 ℃左右, 工
况波动减小, DCS 可自行调节, 无需人为干预, 也
不会出现粗氩塔氮塞故障。
2 延长分子筛吸附器升压时间, 控制空冷
塔阻力
空分设备空冷塔阻力过高时, 由于空冷塔填料
前后有较大的压力降, 使空气流经填料后流速增
加, 存在着将水带进分子筛纯化系统的危险, 所以
空分设备大多设有空冷塔阻力的高联锁。鞍钢氧气
厂35000m3 / h 空分设备空冷塔设有3 个阻力测量
点, 当其中两个同时超过315kPa 且保持5min 时,
空分系统将联锁停车。2003 年4 月, 3 # 35000m3 / h
空分设备顺利投产, 但一直存在着分子筛吸附器升
压时, 空冷塔阻力升幅较大的问题, 特别是空分设
备满负荷工作时, 分子筛吸附器升压时空冷塔阻力
经常达到315kPa 以上。
分子筛吸附器升压时, 由于要向刚再生结束的
1 组分子筛吸附器充气, 将使流经空冷塔的空气流
量增加4000m3 / h 左右, 空冷塔阻力有一定幅度的
上升是必然现象, 但如达到几乎使空分设备联锁停
车的程度, 说明升压过程进行得过快。
经分析, 认为分子筛吸附器升压速度过快应该
是由于分子筛吸附器升压时均压阀KV1211 打开过
快引起的。后在DCS 组态中, 将该阀门打开速度
减小, 将升压时间由7min 延长至9min , 使分子筛
吸附器升压速度变小后, 前述情况不再发生, 分子
筛吸附器升压时空冷塔阻力保持在3kPa 以下。
同时, 这一调整也弱化了由于分子筛吸附器的
升压导致进冷箱空气量的波动, 减小了分子筛吸附
器切换时空分工况的波动。
3 改进分子筛蒸汽加热器系统, 减少蒸汽
用量
蒸汽在加热器中与污氮换热, 当蒸汽为过热状
态时, 换热有两种形式: 显热换热和潜热换热。显
热换热时, 蒸汽无相变, 温度逐渐降低; 潜热换热
时, 其由饱和蒸汽逐渐液化成液体, 但温度不变。
由于潜热换热是蒸汽逐渐液化的过程, 在这一过程
中会释放大量的冷凝潜热, 所以其换热效果要比显
热换热好得多。
3 # 、4 # 35000m3 / h 空分设备分子筛蒸汽加热
器, 蒸汽进入加热器与来自上塔的污氮换热, 冷凝
后进入气液分离器, 再以液体状态返回加热器与污
氮换热后被排放掉。由于鞍钢氧气厂使用的蒸汽均
采用过热蒸汽, 蒸汽温度经常在230 ℃左右, 节流
到018MPa 后为199 ℃, 蒸汽进入蒸汽加热器后与
污氮的换热首先要经历一个显热换热的过程, 当温
度降至170142 ℃ (蒸汽在018MPa 下对应的饱和温
度) 时进行潜热换热, 而后又是一个显热换热的
过程。
在5 # 35000m3 / h 空分设备设计时, 添加了1 套
蒸汽减温装置, 就是在出蒸汽加热器的冷凝水管线
上增加了1 个储水罐和1 台水泵, 根据入加热器的
蒸汽温度, 将冷凝水适量注入到蒸汽管路, 使其处
于饱和状态, 这样蒸汽一进入再生加热器后即处于
潜热换热, 延长了潜热换热的过程, 使蒸汽的用量
减少。同时, 由于蒸汽温度的降低, 减小了蒸汽加
热器的工作温度变化幅度, 减小了装置热应力, 延
长了使用寿命。
4 结束语
在工业企业中, 保证设备的稳定运行非常重
要。空分设备在运行中会不断暴露出各种问题, 虽
然有些问题即使不予处理也不一定会造成生产故障
或事故, 但毕竟存在着安全隐患。只有对出现的问
题进行有效处理, 对空分设备不断进行优化, 才能
实现装置的长期稳定运行。
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