浅谈节能型液体空分设备的配置及投运

林定标

(浙江海天气体有限公司，浙江 临海 东方大道391号　317000)

1　问题的提出

浙江海天气体有限公司的前身是临海市空气分离气体有限公司，建于1988年，经过19年的发展，从一套50 m3/h空分设备发展到2006年已具有5套350 m3/h和1套550 m3/h空分设备、3套外液化设备、31辆液体槽车、21只低温液体贮罐的专业气体公司。我公司的设备都是国内著名空分设备制造厂的名牌产品，根据多年实践经验，通过对这些先进设备作不断的挖潜改造，我们将350 m3/h空分设备的产氧量提高到了600 m3/h，将550 m3/h空分设备的产氧量提高到了750 m3/h，单位氧能耗不断降低。

随着国民经济的不断发展，液氧、液氮市场需求量日益增长，2006年公司决定再新建一套相当于3 000 m3/h氧、氮同时液化的液体空分设备，我们走访了全国各家空分设备制造厂，但现有产品中都没有我们认为理想的节能型流程。通过与各家空分制造厂洽谈，最终选定一家空分设备厂愿意接受我们设想的节能型液体空分设备的设计、制造。要想液体空分能耗降下来的关键是要有足够的制冷量，能把放空的气氮转为液体，同时利用充足的液氮冷能，改善精馏塔的气液比，增加上塔的回流液，降低上塔污氮气的含氧量，来提高氧的提取率，从而达到节能的目的。

2　新型KDON-3380Y/4180Y型液体空分设备流程

本装置为分子筛净化空气、带高低温增压膨胀机及低温预冷器、污氮中压循环流程。工艺流程图见图1。简述如下：

1.原料空气在空气过滤器中去除灰尘和机械杂质后，进入空气透平压缩机，压缩到～1.1 MPa后，进入空冷塔预冷，再进入两只相互切换使用的分子筛吸附筒，吸附掉空气中的H2O、CO2、C2H2等杂质。

2.净化后的加工空气进入中压主换热器，冷却到一定温度时，进入低温冷冻机温度降至-38℃后又返回中压主换热器，在其中被冷却至饱和后进入下塔参与精馏。另外，根据工况需要，可抽取一部分净化空气进入氧换热器与出塔的产品氧气进行换热，被冷却至饱和后汇入空气进下塔总流路。

3.空气经下塔初步精馏后，在下塔获得液空和纯氮气。从下塔底部抽取液空经液空过冷器过冷后，节流进入上塔上部作为回流液。从下塔上部抽取污液氮经液氧液氮污液氮过冷器过冷后节流进入上塔上部作为回流液。从下塔顶部抽出的纯氮气，进入冷凝蒸发器，与上塔的液氧换热，液氧气化，同时氮气被冷凝。冷凝后的液氮大部分回到下塔顶部作为回流液；小部分依次经液氧液氮污液氮过冷器进行过冷，作为产品去液氮贮槽。另外，出液氮过冷器后的液氮，抽取两路，一路作为冷流回到液氮过冷器，过冷液氮；另一路作为冷流进入液氧过冷器，过冷液氧。两路氮气出过冷器后汇入来自C膨胀机的污氮流路。

1.A循环机；2.B循环机；3.A透平膨胀机；4.D透平膨胀机；5.B透平膨胀机；6.C透平膨胀机；7.主换热器；8.A低温预冷器；9.下塔；10.上塔；11、12、13、14、15.过冷器；16.氧换热器；17.废气换热器；18.B低温预冷器；19.预冷器；20.液化换热器

1)经上塔进一步精馏后，在上塔底部获得产品液氧，依次经液氧液氮污液氮过冷器、液氧过冷器过冷后，作为产品去液氧贮槽。另外，根据工况需要，可从上塔底部上升的氧气流中抽取部分纯氧气，经氧气换热器复热，得到产品氧气。

2)从上塔顶部抽取的低压污氮气经液空过冷器分别进入B、C低温膨胀机，膨胀制冷。B膨胀机膨胀后的污氮气经液氧液氮污液氮过冷器，由中压主换热器复热出冷箱后分成两路：一路经A循环压缩机压缩至1.15 MPa，冷却后进入A高温膨胀机增压机，压缩至～1.73 MPa并冷却后进入中压主换热器，冷却到一定温度时，进入低温冷冻机冷却到-38℃后又返回中压主换热器，被冷却到-108.5℃后，大部分进入A高温膨胀机膨胀，经液氮污液氮过冷器，与来自B膨胀机的污氮气汇集，构成一循环流路，为液体空分设备提供冷量，而另一部分污氮在出中压主换热器后继续进入液氮污液氮过冷器液化，至过冷状态经节流后进入上塔塔顶作为回流液；另一路污氮气进入废气增压冷却器及B低温膨胀机增压机增压并冷却，由三通阀控制经废气增压冷却器降温后直接进入分子筛吸附筒，或经回热器、电加热器作为分子筛的再生气体。C膨胀机膨胀后的污氮气经液氧液氮污液氮过冷器，由中压主换热器复热后出冷箱，经C低温膨胀机增压机增压，进入水冷塔作为冷气源。

3)从A循环压缩机前导出和补充部分污氮气进入B循环压缩机，B循环缩压机将污氮压缩到1.2 MPa冷却后进入D高温膨胀机增压机，压缩至～1.7 MPa并冷却后进入预冷机，冷却后进入液化冷箱中的液化换热器，其中大部分进入D高温膨胀机膨胀，在液化换热器复热后回到循环压缩机进口，为液体空分设备提供冷量。而另一部分污氮在出液化换热器后，经节流后进入上塔塔顶，作为回流液。

从图1可以看出，该套空分设备采用的是返流膨胀流程，并将传统的空分流程与液化流程有机地结合在一起，舍弃了传统液化设备液化氧气时需配备的氧压机，减少了投资、降低了能耗。

3　装置优点

该套空分设备流程，是笔者结合自身在空分行业多年的运行经验，经过多次的交流和沟通，最终与空分设备制造厂合作完成流程的组织。相比同等规模的其他设备，该套设备具有如下优点。

3.1　能耗低

流程中设置一回热器，让来自空分塔的再生污氮回收空压机压缩后空气的热量，将污氮加热至将近100℃，再配以二级电加热器，调整好加热时间，即可节约近2/3的电耗，在切换时间内达到最优的节能效果。

实际运行中，整套装置的装机容量为6 100 kW，实际氧氮液体平均能耗仅为1.15 kW/Nm3，比1.20 kW/Nm3的设计能耗要低。

3.2　工期短

该设备分馏塔采用工厂分段组装、分体运输，并在出厂前完成试压、焊缝检验等工作。整个分馏塔分为三块：主冷箱、副冷箱和液化冷箱，各冷箱内塔器、换热器等均已安装就位，管道连接完毕，到达施工现场后，由大型吊车完成冷箱的拼装。冷箱就位、连接完毕后即进行各冷箱之间的管道连接、精馏塔垂直度校正等工作。此过程保证了分馏塔的安装质量，同时也大大缩短了施工周期。

3.3　工况多

为随时适应市场变化，该流程灵活地设置了多种工况。设备主配一套循环氮气压缩机，外配一套外液化装置，便于变工况运行。装置主要性能指标见表1。

表1　装置的主要性能指标Table 1　Main performance indicators of liquid ASU

注：设计工况为补充一台ZH15000-6型循环氮气离心机与一台预冷器的性能指标。

4　试运转发现的问题及改进

尽管我们采用了先进的设备和控制系统，但调试阶段还是发现了很多问题，经过不断的摸索和实践，问题一个个地得到了解决。到目前为止，该套设备已正常运行了三个月。试运转发现的主要问题及改进列述如下：

1．该设备所配套的循环氮气离心机的放空回流阀采用的是电动蝶阀，由于该阀动作不灵敏，操作难度大，容易引起离心机喘振而跳机。因此，我们在离心机出口管道上另安装一条回流管道，设置气动蝶阀，在启动时先全开此阀，保证离心机进口压力稳定，使其自身气流形成一个循环，不让原装的电动蝶阀动作，先让机器稳定地运行起来，而后缓慢打开出口总阀，配合膨胀机的调节，逐步形成系统的循环，最后缓慢关小气动蝶阀至全关，完成离心机的启动。建议今后配套的循环离心机回流阀采用气动蝶阀，以确保阀门调节的灵活性，进一步提高设备的稳定性。

2．膨胀机紧急切断阀应采用可调气动薄膜调节切断阀，在膨胀机启动前缓慢开启，可降低打开紧急切断阀时气流对膨胀机的冲击，减少气流的波动，同时可在膨胀机可调喷嘴出现故障时作为临时的调节装置使用。

3．空分残液排放管在冷箱内汇合，再引去废液池。在试运行时发现废液池有液体漏出，却无法判断哪些废液排放阀漏液，只能扒塔检漏。因此，笔者建议塔内残液排放管应单独引出冷箱，再汇合至总管去废液池，各残液排放阀应装在冷箱外，当其中某个阀门漏液时，可及时发现、及时检修。

4．空冷塔使用的填料为多面球，在生产、运输、装填等过程中，因自身质量问题或挤压等原因，难免会造成损坏，装填后导致空冷塔内阻力大，流体情况复杂。当塔内阻力达到一定值时，冷却水积留在空冷塔上部，不能及时回到塔底。当塔底水位低于报警水位时，控制系统将不断加大对空冷塔的补水量，最后导致大量的游离水被空气带出空冷塔，进入纯化系统，若不能及时发现将带来严重后果。根据设备厂建议，在销售淡季将改装规整填料，以避免事故的发生。

5　实际运转数据及操作要点

该套空分设备土建施工于2007年2月开始，基础施工一个半月即全部完成。分馏塔于2月开始工厂组装，并于4月中旬完成，4月18日运抵现场，一天时间即完成就位。全套设备于2007年6月中旬完成安装，历经2个月。经过半个月的吹扫、试压、裸冷与调试，于7月2日出氧成功。整套设备启动，只需4h即可出液氧，6h时即可出液氮，纯度达标。

经过不断的工况调整，我们总结出一套完整的调试方案，目前已连续正常运行3个月，各项指标均已达标，特别是液氧产量超过10%。目前运行得到的实际参数与设计指标比较如表2所列。

调试中，为了充分地提高氧气提取率，在确保污液氮含氧量控制在1%(设计点)的前提下，尽可能开大污液氮送上塔阀，增加上塔回流液，提高回流比，根据液氧纯度(控制在99.6%～99.7%)，尽量关小下塔产品液氮送出阀，确保上塔有足够的回流液和冷量。通过对污液氮送上塔阀和产品液氮送出阀的调节，将污氮气含氧量控制在0.1%～0.5%。如此调整控制，大大提高了氧提取率。目前，国内液体空分设备的污氮含氧量一般为1%～3%。

表2　空分设备设计与实际参数比较Table 2　Comparison of design and actual parameters of liquid ASU

正常运行过程中，要让所有设备尽量运行在最佳状态。对于低温预冷器，控制氟利昂的进口压力在0.1 MPa(A)左右，尽量降低其蒸发温度，使原料空气和循环污氮气出蒸发器后的温度降至-38～-39℃，提高机器的工作效率。对于返流膨胀机，全关膨胀机进口前的旁通阀，使两台返流膨胀机满负荷运行，充分发挥其作用，为装置提供尽可能多的冷量。

6　结　论

KDON-3380Y/4180Y型液体空分设备设计先进、设备投资省、建设周期短、操作简单方便，工况灵活多变、节能效果显著，对气体市场有着很强的适应能力。运行的效益，使我们更加认识到，起初我们对新上液体空分设备的配置要求是正确的。作为专业气体企业，配置新空分设备，必须根据实践经验，有创新的思路，同时要按空分原理，用理论指导实践，不断探索运行规律，才能实现新上项目又好、又快、又省，有利于提高企业竞争力。该套空分设备非常适合企业对外投资，现场制气制液，在国内空分行业将有很好的发展前景。