浅述空分装置节能降耗

　 浅述空分装置节能降耗

　摘要:在氧、氮纯度、产量不受影响的前提下,通过采取改造污氮气放空管道,降低上塔操作压力;利用膨胀机潜力,生产液氧、液氮产品;改进操作工艺,生产高纯液氮,缩短开车时间等措施,充分挖掘3200m3/h空分设备潜力、降低空分设备的综合能耗,使空分设备具备了生产氮气、高纯液氮的能力,取得了较好效益。

　　关键词:中小型空分设备 生产能力 经济效益 增产 降耗 纯化器分子筛 节能降耗 氮气产量 空分装置 膨胀机 分馏塔

　　1 装置概况

　　1.1 装置简介 KDN-3200/100Y空分装置始建于2008年8月,为大重整装置配套装置。装置位于工厂中部,原空分办公室,由苏州制氧机厂、吉化设计院设计,氮气产量3200NM3/h,液氮产品产量为100L/h。

　　KDN-3200/100Y空分装置主要由空气压缩机组、预冷机组、纯化系统、空气分离系统、液氮贮罐、液氮输送系统、氮压机、氮气缓冲罐组成。

　　空分装置生产的氮气主要用于生产装置中做管线吹扫、容器置换、机组密封以及给全公司各生产装置生产使用。储存在储液储罐中的液氮产品可以将其蒸发成气氮输送到中压管网供大用户开停工使用,也可以降低压力向低压管网补充。

　　1.2 工艺流程简述 大气经吸入塔吸入后,经过过滤器,除去机械杂质。经过空气压缩机前缓冲器,进入压缩机,终压至0.55～0.70MPa,至预冷机冷却,进入空气予冷机组蒸发器,将低压空气冷却到8±2℃后,在气液分离器中除去水分,然后,空气进入纯化器,纯化器吸附筒内有13X型分子筛吸附剂,吸附空气中的水份和二氧化碳等杂质,净化后的原料空气经过滤后,经热交换器和液化器冷却,呈现汽液共存的原料空气进入单级精馏塔内。3200m3/h制氧机采用常规的全低压增压透平膨胀机,板翅切换热器,全精馏制氮流程。本装置以空气作原料从中提取氮气,利用各组份的沸点温差,在塔内经多孔的塔板进行汽液接触,从而进行传质传热交换,在塔顶即产生沸点较低的纯氮气,而在塔釜低部则形成富氧液空,液空进入冷凝蒸发器中作为冷源,冷却从塔顶出来进入冷凝蒸发器中的氮气,使之液化。在上塔精馏后,在主冷底部可得富氧液空,在塔上部得到污氮气经板式复热后送入分子筛和水冷塔;在附塔顶部得纯氮气经板式复热后压缩后送往用户大部分作为塔内的回流液使塔内形成正常的精馏工况,一部份作为液氮产品送出供各生产装置使用。

　　1.3 工艺原则流程图(PFD)

　　1.4 成品指标

　　注:气体体积(Nm3)系指在0℃,101.325KPa状态下的体积。

　　2 降低降耗和提高生产能力的措施

　　2.1 改造污氮气放空管道,降低上塔操作压力 根据空分精馏原理,上塔压力的变化引起主冷凝蒸发器内液氧与下塔侧氮气之间的温差变化;上塔压力高,则液氧的汽化温度亦高,这样在下塔压力不变的情况下,主冷内氧氮之间的温差必然缩小,换热量减少,使下塔的回流液减少,必然引起下塔压力增高,使氮气的温度亦提高,从而满足主冷换热对温差的要求。随着下塔的压力提高,空压机的机后压力必然增大,这使空压机轴功率增大,耗电增加。因此,在调节精馏工况时,一定要尽量降低上塔压力。压力降低后,不但可以降低空压机出口压力(即系统压力),而且使上塔的精馏工况趋于优化,有利于氧与氩、氩与氮之间的分离。该设备自投产以来,分子筛再生用污氮气量一直达不到设计值(18000Nm3/h、15KPa),影响分子筛再生效果,导致进塔气体CO2超标。虽经采取提高污氮压力的方法增加流量,但效果不明显,压力提高到25KPa,流量为17000Nm3/h,而且增加了设备能耗。针对污氮气流量低于设计值的现象,我们采取了如下手段增大污氮气量:①对污氮气流量表进行了多次调校,确认流量表没问题。②对污氮气放散阀V106、PIC104进行调校,确保阀门正常。

　　通过以上措施后,污氮气出塔压力、上塔压力、污氮气提取量都无变化。经分析认为可能是由于分子筛污氮放空管道管径细小,导致污氮憋压,无法取出的原因。将原有污氮放空管路从变径处切除,重新焊接大管径管路;同时,将污氮放空消音器去掉,减小污氮管路阻力,以求能在降低污氮压力的前提下,保证分子筛再生污氮气量。经过一天的时间,管道改造工作顺利完成。改造后,经使用验证,分子筛再生污氮压力为15KP时,污氮流量即可达到24000M/H,达到了预期效果。

　　改造后上塔压力降到37KPa、氮气出塔压力为10kPa,空压机机后压力由原来的0.52MPa降低到0.48MPa,经过计算,年节约电费200多万。对节能降耗、保证气体纯度起到了良好的作用。

　　2.2 充分利用膨胀机的潜力,生产液氧、液氮 该套空分设备送入上塔的膨胀空气设计量是3200Nm3/h,实际上由于膨胀机效率高、空分塔绝热效果好、以及复热不足冷损小等原因,膨胀量在2200Nm3/h左右时即可保证冷量平衡。因此,我们认为可以充分利用膨胀机的潜力,适当增加膨胀量生产液体产品,以满足生产和市场对液氮、液氧、液氩的需求。在将膨胀空气量提高至17000Nm3/h后送入上塔参加精馏,由于膨胀空气有一定的过热度,吹入大量的过热气体会导致膨胀空气进塔处塔板液体大量蒸发,影响精馏效果。为保证产品纯度,通过调节纯液氮调节阀HV2和污液氮调节阀HV6开度,在液氮纯度合格、满足下塔精馏的前提下,尽量将阀门开大,增加上塔下流液,改善精馏条件,使产品纯度不影响的情况下,每天可多生产液体产品6m3,提高了经济效益

　　2.3 改进纯化器再生工艺流程

　　2.3.1 纯化器再生气源加温改用空气 在石油化工等企业,以生产氮气为主。氧气大部分放空且具备了压缩风系统的企业,在氮气需求紧张的情况下,可以用压缩风代替氮气对纯化器进行加温再生,既增大了氮气产量,保证用氮装置的安全生产;同时又节约了资源费用。

　　2.3.2 纯化器吹冷时氮气旁通 纯化器再生加温完吹冷时,氮气要经过灼热的加热炉,使很大一部分冷量消耗在加热炉的炉体上,既要多消耗氮气又要多耗电。在加热炉前后各装一只截止阀将吹冷的氮气隔开,再焊一条管线加上一只旁通阀,这样吹冷的氮气就绕开加热炉,直接进入纯化器,达到了迅速降温的目的。由于单纯吹冷大大缩短了时间,同时加热炉仅加热不进行强迫冷却,避免了频繁的过冷过热,从而延长了加热炉的寿命。另外由于加热炉不进行强迫冷却,其保温性能亦较好。下次加温时,温度上升较快,从而提高了加热再生纯化器的速度,缩短了纯化器再生时间,也在一定程度上节约了电能。

　　2.4 减少空分设备冷量损失 空分设备的冷损主要表现在四个方面:复热不足(即热交换不完全)损失(Q2),跑冷损失(Q3),液态产品取出冷量损失(Q0),塔内泄漏损失(Q1)。因此,空分设备的总冷损失为Q总=Q0十Q1+Q2+Q3。根据能量守恒原理,在稳定工况下,空分设备的产冷量应该与装置总冷损平衡。而空分设备的产冷量在没有外加冷源的条件下,是由压缩空气等温节流效应△HT与膨胀机的产冷量Qe两部分组成。因此:△HT+Qe=Q0+Q1+Q2+Q3。

　　由上式可知,减少冷量损失,可以减少制冷量,从而提高空分系统运转的经济性。由于各种客观条件的限制,冷损是不可能完全消除的,但可以采取一定的措施来减少。

　　复热不足冷损的控制 热端温差是指正流空气进塔温度与各股流气体出塔温度的算术平均值之差。热端温差越大冷损也就越大,因此,应尽可能地缩小热端温差。中小型空分设备的热端温差设计值为5~7℃。①热端温差扩大的几种原因:膨胀量过多;热交换器表面被二氧化碳、水分和油脂冻结造成换热效果差;产品氧气、氮气及馏分气分配不当;进塔正流空气温度偏高;温差带缩短等。②采取的措施:正确控制膨胀量;加强空压机组的脱水,纯化器工作正常。在生产周期末,就进行加温吹除。若是油脂在热交换器中积聚过多,则在加温后用四氯化碳进行脱脂处理;及时调整氧、氮气及馏分气出塔阀门的开度;检查调整空压机、纯化器冷却水量(压力、温度),确保冷却效果,预冷机组保持正常运行。

　　2.5 采用液空反充技术,缩短开车时间 对多机组的来说,一台(套)空分设备开车进入积液阶段后,可方便的利用其他机组生产的液氮进行反充,以缩短开车时间,减少机组的无功损耗。

　　2.6 灵活掌握用气,及时调整负荷 根据外网用户用气情况,及时调整装置负荷,在满足用气的情况下停止氧、氮压缩机的运行,降低了单位电耗。采取降低管路阻力损失,减少有效能损失,减少压缩机冷却器温差带来的有效能损失,主冷液面在保证全浸的安全要求下,尽量降低,以缩小主冷温差,从而达到减少因传热温差引起的有效能损失,控制热端温差,降低热交换不完全冷损,使单位电耗降低。

　　3 经济效益分析

　　3200Nm3/h空分设备采取相应措施后,现有的实际生产能力见表2-7

　　3.1 生产液体多创效益:p3K

　　液氧:2×1.14×300天×850元=58.14万元

　　液氮:4×0.81×300天×800元=77.76万元

　　3.2 采用液氧反冲技术后每次开车节约电费(空压机电机为10800kW)

　　热开车时:(30小时-18小时)×10800kW×0.5元/kW=64800元

　　冷开车时:(15小时-5小时)×10800kW×0.5元/Kw=54000元

　　以每年一次热开车,三次冷开车计算,每年可节约电费:

　　64800+3×54000=226800元

　　通过一年的实践证明,实施的改进措施是可行的,也是成功的,每年仅上述几项就能多创效益340余万元以上。

　　参考文献:

　　[1]张祉?v,石秉三主编.制冷及低温技术.上中下册.北京:机械工业出版社.

　　[2]陈允恺等编著.小型空气分离设备基础知识.北京:机械工业出版社,1993.385页.

　　[3]杭州制氧机研究所.深冷技术,1988~1999.

　　[4]《新编制氧工问答》.李华治.冶金工业部.