浅谈40 000 Nm3/h 空分装置的优化设计

张文惠

（天津天钢联合特钢有限公司，天津301500）

0 引言

为全面贯彻落实国家工信委关于控制总量，优化产业结构，淘汰落后工艺技术装备，提高冶金工业发展质量和效益的精神。同时改善现有5 座高炉的能源消耗结构，提高高炉富氧量、减少高炉焦炭用量，达到节能减排的目的。天津天钢联合特钢有限公司（以下简称：联合特钢公司）决定对企业现有空分厂房和设备进行升级改造，逐步淘汰现有的3 套高能耗老空分装置，拟投资建设一套装机容量为40 000 Nm3/h 的空分装置。

1 空分装置设备及工艺概述

1.1 空分装置工艺流程

1.1.1 空气系统

空气经空气过滤器被去除灰尘和其它杂质后[1]，进入空压机进行三级压缩两级冷却，得到0.6 MPa的压缩空气之后送入空冷塔对压缩空气进行洗涤、除去有害物质和降温。压缩空气自预冷系统空冷塔的下部进入，从空冷塔顶部输出。空冷塔用于降温的冷却给水分两段，一段为经循环水池处理过的冷却水供空冷塔下部使用，另一段为经水冷塔与冷水机组相结合冷却后的冷冻水供空冷塔上部使用，满足空气进入纯化系统的所需温度。

空气从空冷塔顶部出来后进入径向式分子筛纯化系统。在纯化系统中压缩空气中的水、二氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物等不纯物质被分子筛吸附。

经纯化系统净化后的空气分两股：一股去增压机；另一股直接进入冷箱，从主换热器底部抽出后送入下塔。

进入增压机的空气经增压后分为三股：一股直接自增压机末端抽出进入冷箱，经主换热器得到冷量后直接送入空分塔下部；一股自增压机末端排出，经过冷凝器冷却后进入膨胀机的增压端进一步增压，增压后送入主换热器，在主换热器中得到冷量后并在主换热器中下部抽出送入膨胀机的膨胀端，经膨胀机的膨胀端膨胀制冷后送入空分塔下部，为空分塔提供冷量；一股在经增压机一级压缩后被提取出为整套空分机组提供所需仪表气源。

1.1.2 氧气系统

经空分塔内压缩产出的低压氧气0.8 MPa（G），可供用户直接使用；或经活塞氧气压缩机压缩后得到3.0 MPa（G）的高压氧气，送往用户的高压氧气管网。

1.1.3 氮气系统

产品氮气分两股进入用户管网。一股来自纯氮塔的氮气，进入氮压机一级压缩送往高压氮气管网；另一股来自下塔顶部的高纯压力氮气，经主换热器复热后送往常压氮气产品管道。

1.1.4 氩气系统

空分装置设置液氩系统，来自上塔中部的氩馏分气经粗氩塔、精氩塔精馏后产出液氩进入液氩储槽，空浴式汽化器汽化后得到氩气进入氩气球罐，供用户使用。

1.1.5 稀有气体

预留了稀有气体抽口，为后续增加稀有气体装置做准备。

1.2 新建40 000 Nm3/h 空分装置性能

新建40 000 Nm3/h 空分装置选用空气加压，径向式分子筛净化，增压透平膨胀机，空分塔上塔、下塔采用规整填料，膨胀空气进下塔全精馏无氢制氩的先进流程[2]；并结合新建项目的用气特点采用氧气内压缩流程（内压缩流程取消氧压机，液氧在冷箱内经液氧泵加压达到所需压力提供给用户[3]），氧气提取率高达99%以上，负荷范围在75%～105%之间可任意调节。联合特钢40 000 Nm3/h 空分设备产品性能指标见表1。40 000 Nm3/h 空分装置简易流程图如图1 所示。

2 新建40 000 Nm3/h 空分机组流程形式及设备选型

2.1 空分装置流程形式的选择

联合特钢公司高炉富氧现采用1.5 Mpa 系统，需减压至0.8 Mpa 才能满足炼铁富氧站需求，减压过程中能源浪费很大。为了降低能源消耗，新建40 000 Nm3/h 空分机组采用氧气内压缩的流程，摒弃外置氧气压缩机，有着投资小、占地面积小、运行能耗低、安全性能高等优点。

表1 40 000 Nm3/h 空分装置设备产品性能指标

图1 40 000 Nm3/h 空分装置简易流程图

与联合特钢公司现有空分机组外压缩流程相比，内压缩流程取消了氧压机，直接从空分装置冷箱内生产出中高压氧气供给用户，即经内压缩产出的低压氧气0.8 Mpa，可供炼铁富氧站直接使用。内压缩流程不仅节约了设备投资、运维及能耗等费用，制冷能力也高于外压缩流程，所以内压缩流程制氧设备液体生产能力较大。

联合特钢公司现有空分装置氧电单耗为0.84 kWh/m3，而新建40 000 Nm3/h 空分装置氧电单耗为0.76 kWh/m3，按照平均电价 0.685 元/kW·h 计算，新建40 000 Nm3/h 空分装置年可节约电费2505.4 万元，经济效益非常可观。

2.2 充分利用联合特钢公司现有资源，达到节能减排的效果

（1）依托联合特钢现有“1×65 MW 发电机组能源环保改造项目”多余蒸汽，将新建空分装置纯化系统的加热器确定为电加热、蒸汽加热串并联形式，既充分回收利用了厂区的富余蒸汽，又降低了空分装置的整体能耗，为企业节约了成本，减少了对环境的排放量。

电加热器单台额定功率为2 500 kW，分子筛吸附器的使用周期为4 小时（每天6 个周期），每个周期电加热器工作2 小时，每日耗电共计约2 500×2×6×2=60 000 kWh，工业用电价格按照0.65 元/（kW·h）计算，年节约电费约为1 404 万元。

（2）40 000 Nm3/h 机组循环水池补水选用厂区污水处理站处理过的来自天津市宁河区污水处理站的工业新水。空冷塔等设备产生的生产废水排入厂区生产废水处理站，经处理后再回用于现有场区的各生产工序，循环利用，达到生产水不外排的效果。

（3）新建40 000 Nm3/h 空分项目拟采用新型消雾型冷却塔以替代传统机械通风冷却塔，达到节能环保、降低成本的效果。根据地区特征，按照全年平均蒸发量为1.5%、收水率20%，平均工业用水价6.5元/m3计算，年运行小时按照8 600 小时计算，年节水收益约62 万元。

2.3 40 000 Nm3/h 空分装置配套机组及性能介绍

新建机组所配备的设备均采用国内外先进的设备生产厂家，具有整体配置经济合理、能耗低、运行安全等特点。下面从安全运行、节能降耗、可靠稳定等几方面对40 000 Nm3/h 机组设备进行介绍及分析。

2.3.1 空压机系统

功能：空压机作为空分装置的心脏，主要为本套机组提供低压原料空气；增压机为本套机组提供膨胀及内压缩汽化的气源。

技术特点：空压机和增压机均采用离心式压缩机，电机拖动；空压机自带叶轮清洗系统，实现叶轮除垢便捷化。

2.3.2 预冷、纯化系统

功能：冷却和洗涤原料空气及吸附空气中水份、二氧化碳、碳氢化合物及氮氧化合物等杂质。

技术特点：为保证装置预冷系统内部的最优匹配，提高整体运行效率，采用立式、径向流吸附器，使气流分布更均匀、吸附效率更高。

2.3.3 制冷系统

功能：为本装置提供所需的冷量。

技术特点：具有完善的仪表连锁保护功能；双膨胀流程可以有效的增加产冷量，且调节范围大。

2.3.4 精馏系统

功能：作为空分装置的核心部位，其作用是利用氧、氮、氩的特性进行精馏。

技术特点：采用成熟先进的工艺技术、运用国际一流的设计软件进行模拟计算，并结合联合特钢公司实际的运行管理和反馈数据。

3 结语

新建空分装置充分结合目前空分行业的优点，在保证了整套机组的安全可靠性的同时，也充分利用了联合特钢公司现有的资源，完成了对联合特钢公司原有的3 套老机组的升级换代。项目于2018年3 月底开工建设，并于2019 年7 月18 日一次性联动开车成功，产出用户所需合格的氧、氮、氩等气体产品。项目的投运，满足了高炉强化冶炼对富氧的需求，降低了钢铁冶炼过程中的能耗，节约了企业的运营成本。综上所述，40 000 Nm3/h 空分机组的投运，不仅对联合特钢的节能减排有着重大的意义，也对天津地区的环保效益有着深远的意义。