浅谈空分设备能耗因素及节能措施

蔡高辉

（江西铜业集团公司 贵溪冶炼厂，江西 贵溪 335424）

1 引言

空分即空气分离，就是将空气中的氧气、氮气及稀有气体（如氩气）等分离出来，以满足冶金、化工等各行业的生产需求。常见的空分技术主要有吸附法、膜分离法及低温法，目前应用最为广泛的是低温空气分离技术［1］。

贵冶制氧区域有4套低温分离空分机组，总设计氧产能为56500Nm3/h，为全厂提供生产所需的氧气。低温分离制氧的工艺过程是先将原料空气液化，再送入分馏塔利用氧、氮沸点之差使之分离，系统流程如图1。空分设备在日常生产中消耗大量电能，4套机组年耗电量在2.85亿kWh左右，电费成本在生产成本中占了95%以上。优化工艺操作，有效降低设备运行能耗，是空分生产中的重要课题。

图1 低温分离制氧流程简图

2 空分设备概括

低温分离空分机组是一个大型的复杂系统，主要由以下子系统组成：压缩系统、预冷系统、纯化系统、膨胀系统、分馏系统、产品输送系统及循环水系统［2］等，其工作过程如下：

压缩系统通过离心压缩机将环境空气进行多级压缩，最终达到空分设备所需的空气压力等级要求；经压缩后的原料空气温度较高，空气预冷系统通过空冷塔换热降低空气的温度，同时可以洗涤其中的酸性物质等有害杂质，保证纯化系统分子筛吸附工作处于最佳状态以及后续空气液化分离的顺利进行；分子筛纯化系统进一步除去空气中的水分、二氧化碳、乙炔等对空分设备运行有害的物质；彻底净化后的空气再与塔内回流气换热之后通过膨胀和节流液化，最终送入分馏塔进行低温分离；生产的氧气和氮气根据各生产单位对产品压力的要求直接低压送出或由氧气压缩机和氮气压缩机进一步加工送出。循环水系统通过冷却水带走工艺介质或换热设备所散发的热量，以保证设备运行安全及工况参数正常，热水经风冷塔冷却再回到循环水池循环使用。

空分机组各生产系统中的主要设备如表1所示。从表中可以看出，空分设备有很多大功率设备，各设备运行功率合计达4万多千瓦。提高设备运行效率，让设备处于最佳工作状态，对降低空分生产总能耗具有重大的意义。

表1 空分机组主要电气设备列表

3 主要设备能耗因素

下面分析空压机、冷冻机、电加热器等耗电占比较大设备的能耗因素。

3.1 空压机

空压机是采用多级压缩多级冷却的离心压缩机［3］，式(1)是离心式压缩机的电耗计算公式，式中ρ为标准状况下空气密度，ρ=1.293kg/m3；Vk为空压机的排气量，m3/h；R’为气体常数，R’=0.278kJ/(kg.K)；T为环境温度，K；P2为排气压力，MPa；P1为进气压力，MPa；ηT空压机的等温效率；ηM为空压机的机械效率。

从式中可以看出，空压机的电耗跟环境温度、进气压力、排气压力、排气量、等温效率以及机械效率有关［4］。

3.2 冷冻机

预冷系统空冷塔先利用冷却水初步降低空气温度，再利用冷冻水二次降温，通过两级冷却使空气温度降至规定值。冷冻机是保证冷冻水供应的关键设备，一套冷冻机组配有多台压缩机，运行时启动的压缩机的台数直接关系到空气预冷工序的能耗，压缩机的启动跟冷冻水进水温度有关。

3.3 电加热器

纯化系统有两台分子筛吸附器，一台吸附时另一台再生。其一个运行周期包括升压、吸附、降压、加热、冷吹五个阶段，各阶段的运行时长及状态切换都由DCS内部程序自动控制。

电加热器是在分子筛再生加热时使用，其运行功率基本固定，纯化工序的能耗主要由加热器的使用时间决定，使用时间越长，所消耗的电能就越多，反之，开启时间越短所消耗的电能就越少。

4 节能措施

从上述分析可知，各设备的运行模式及工艺过程参数是影响设备运行能源的主要因素，改善设备运行条件、优化运行参数可以有效地降低制氧能耗［5］。

4.1 降低空压机能耗措施

理论上降低环境温度，提高进气压力，降低排气压力，降低空压机排气量，提高其等温效率和机械效率都能降低电能消耗［6］。而环境温度为自然条件不可控，机械效率由设计、制造、安装决定不可调，所以空压机运行节能措施主要从以下4方面开展实施：

4.1.1 提高进口压力

进口压力主要由进口过滤器决定，空气进口过滤器安装有自动反吹扫装置，应定期点检，确保该装置正常运行；另外要定期更换过滤器滤芯及外围滤料，使过滤器的阻力控制在设计范围内。

4.1.2 降低排气压力

在其他因素不变的情况下，降低空压机的排气压力，可以有效地降低空压机的能耗。以5#空分机组为例，设空压机进气压力P1为0.1MPa，若将出口压力P2由1.1MPa下调至1.05MPa，其他参数值不变，则下调后空压机电耗与下调前电耗之比为ln10.5/ln11，结果换成百分数为98.06%，即空压机出口压力下调0.05MPa，电耗可以降低1.94%。

4.1.3 降低排气量

在正常情况下，排气量受空分生产的限制不可能进行大幅度的调整，但空分产品有过剩需要减负荷时，可以适当关小空压机入口导叶降低排气量来降低电耗，在调整导叶的过程中，受“喘振区域”的影响，空气的调节量是有限的。

4.1.4 提高等温效率

在日常操作中，及时调整空气出各级冷却器的温度，确保空气得到充分的冷却，使空压机处于等温压缩，提高空压机的等温效率，降低空压机的电耗。

4.2 降低冷冻机能耗措施

降低冷冻机进水温度，可以减少启动压缩机的台数，从而减少冷冻机的能耗。

冷冻机进水温度是水冷塔出水温度，它由环境温度、水冷塔冷却效率以及冷却塔风机频率等综合决定，可以从以下两个方面操作：

（1）增大氮气和污氮进水冷塔的流量以提高水冷塔效率。

（2）若夏季气温高，可通过调整冷却塔风机频率，降低循环水温度，从而减小水冷塔负荷。

在生产实践中，循环水温度在25℃以下时，4#、5#机组水冷塔的出水温度都可以控制在9℃左右，低于冷冻机温度设定值，在满足空冷塔冷却要求前提下，可停运两套冷冻机组。以4#、5#机组为例，秋冬季可完全停用冷冻机，每小时可节能约406kW。

4.3 降低电加热器能耗措施

电加热器的日常运行时长由纯化系统的运行周期和加热时间决定。运行周期越长，电加热器开启的频率就越低；加热时间越短，电加热器单次运行时长就越短。在不影响分子筛运行安全的前提下，即确保分子筛加热、冷吹氮气出口温度峰值达标，合理调整分子筛运行参数，可以有效地降低电加热器的能耗。

在合理调整分子筛运行参数后，4#、5#两套机组的分子筛电加热器每天运行时长合计由原来的15.8h降低至11.3h，能耗降低了28%。

4.4 其他降耗措施

根据季节不同调整设备运行模式也能有效地降低空分生产的能耗。

目前1#循环水系统中有5台循环水泵，3台小泵（315kW）2台大泵（355kW）。夏季环境气温高，生产所需循环冷却水量大，需运行两台小泵；秋冬季节环境温度低，对循环冷却水量相对要低，运行一台大泵就可以满足生产需求。通过运行模式调整，1#循环水系统在秋冬季可以节约18%的电量。

5 结论

近年来，通过工艺参数调整、技术改造、设备运行模式改进等多种节能措施的开展，贵冶空分生产的能耗也在逐步改善。贵冶制氧年度综合电单耗的计算是空分机组年度耗电总量与氧气总产量之比，其中氧气总产量是各机组气氧产量总和以及外销液体折算成气氧产量两项之和，2015年制氧年度综合电单耗为0.575kWh/Nm3，创历史最好水平。空分机组系统复杂，设备多，是生产中的耗能大户，在日后工作中，还需不断探寻节能降耗新方法，进一步挖掘空分设备的潜力。

［1］陈锦伟. 浅谈空气分离技术的发展和改进[J]. 化工管理,2015(18):63-64.

［2］林军. 大型低温空气分离装置工艺流程浅析[J]. 中小企业管理与科技(上旬刊), 2013(10):302-304.

［3］王学军,葛丽玲,谭佳健. 我国离心压缩机的发展历程及未来技术发展方向[J]. 风机技术, 2015, 57(3):65-77.

［4］李新伟. 离心压缩机节能技术探讨[J]. 石油石化节能, 2014, 4(8):27-28.

［5］王夫龙,刘家海. 优化操作降低空分设备运行能耗[J]. 深冷技术,2010(2):18-22.

［6］蒋旭,厉彦忠. 内压缩流程空分设备的能耗影响因素研究[J]. 真空与低温, 2014, 20(5):307-310.