日照钢铁精品基地空分工程设计特点

郭 强，陈盛文

（山东省冶金设计院股份有限公司，山东 济南250101）

1 前 言

日照钢铁精品基地年产铁水810 万t，粗钢850 万t，热轧钢材810 万t。选用冶金制造长流程工艺路线，主要建设内容包括2 台500 m2烧结机、2 座5 100 m3炼铁高炉、4 座210 t 转炉炼钢车间、1条2 050 mm热轧带钢生产线、1条3 500 mm炉卷生产线、1条4 300 mm 宽厚板生产线、1条80万t推拉式酸洗机组生产线、1条2 030 mm酸轧联合生产线等，以及配套的码头和铁路运输设施、原料制备设施、电站和矿渣等综合利用设施及其他公用辅助设施等。为配合设施生产，同时建设了2×60 000 m3/h空分装置及配套附属设施。

2 空分装置主体设施

本空分装置为全低压分子筛净化吸附、空气增压，氧氮泵内压缩，带增压透平膨胀机制冷，采用规整填料塔及全精馏无氢制氩的工艺流程，如图1 所示。

60 000 m3/h空分装置性能参数如表1所示。

图1 空分工艺流程

3 空分工程设计特点

3.1 工艺流程

1）空分装置采用全低压分子筛净化吸附、空气增压透平膨胀机制冷、全精馏无氢制氩、产品氧气内压缩、产品氮气外压缩、氩气内压缩的工艺流程，运行可靠、流程先进、操作方便、设备配置合理、安全低耗。

2）空气预冷系统采用污氮气、氮气冷却循环水，操作弹性好，充分利用干燥污氮气及多余氮气。空冷塔结构采用必要、可靠的防液泛措施，防止雾状游离水带入分子筛吸附系统。

3）分子筛吸附系统采用立式活性氧化铝+分子筛双层结构的分子筛吸附器，长周期切换。吸附剂和切换阀门使用寿命长，系统切换损失小，床层阻力小，并有防止分子筛吹翻措施和可能吹翻的处理措施。再生加热器采用节能型蒸汽加热器（电加热器备用）。

4）分馏塔的上塔（低压塔）、氩塔采用规整填料塔，降低了塔的阻力，氧、氩提取率进一步提高。

5）透平膨胀机采用增压机制动工艺，从而减少了膨胀空气量，使精馏塔上塔工况稳定。

6）空分装置设计时考虑常压液氩贮槽汽化氩气的回收。贮槽汽化的氩气进入氩气冷凝回收器，被液氮冷凝后作为液氩产品回到液氩贮槽；被汽化的氮气返回冷箱污氮气管道，回收冷量。

表1 空分装置性能参数

3.2 主要设备设计及选型

1）空分设备中采用全精馏无氢制氩技术，取消了加氢脱氧工序，使工厂设计中制氧主厂房中的偏跨厂房布置大为简化，且节省了厂房面积。运行可靠、流程先进、操作方便、设备配置合理、安全低耗。

2）关键设备均采用国际和国内知名品牌，主空压机选用阿特拉斯、空气增压机选用西门子、氮压机选用阿特拉斯、氧气增压机选用杭氧，保证了设备可靠运行。

3）主空压机电机功率为2×30 000 kW，采用变频电机，其他采用软启，减小对主电网冲击。并分别采用机旁/集中操作模式，可实现设备远传启停控制和运行状态监控。

4）氧气增压机采用透平氧压机，技术可靠，安全性好。

5）分子筛采用立式结构，管道采用两环的布置形式，底部环形管道与顶部环形管道高差18 m，并且管道内气体介质的温度和压力交替变化。设计采用CAESARⅡ软件进行管道应力分析，设置合理的弹簧支架及固定支架。

6）电机所需的循环冷却水采用闭路循环系统，无外排［1］。厂区各建构筑物的生活和清洁用水集中回收，集中处理，达到污水零排放。

7）装置中的主冷及粗氩冷凝器实行1%的液体排放，防止碳氢化合物等危险杂质积聚。

8）装置具有变工况运行的能力，达到装置的最经济运行工况。

3.3 自动化设计特点

根据生产和工艺需要，为2套60 000 m3/h 空分系统各设置1套DCS系统，完成压缩机主厂房及空分系统、循环水系统及外部综合管线过程的集中监视和控制。该自动化系统由操作员站、DCS 及I/O站组成［2］。DCS 及操作员工作站间用以太网连接，DCS 和I/O 站间以总线方式连接。I/O 站或DCS 到现场元件间的连接以控制电缆连接。其中操作员站集中于制氧控制室。

3.3.1 操作员站

操作员站与现场控制站之间相互通讯，实现以下功能：1）生产过程参数显示，流程图画面、报警画面、历史趋势曲线显示。2）控制操作方式选择：即机旁手动控制、HMI 手动控制、自动控制。3）通过人机对话，修改设定值或直接操作控制设备的运行等。4）生产报表打印及报警打印等。

3.3.2 DCS及I/O站

现场控制站是实现过程控制的核心设备，提供与生产过程的I/O 接口，执行过程控制，数据采集，参数运算等，再把经过运算的控制信号通过I/O 模件输出至现场的执行机构，从而实现对生产过程的PID控制，顺序控制、逻辑联锁控制等。本工程DCS的控制功能主要有：过程温度、压力、流量、物位、分析等数据的采集与处理；温度、压力、流量、液位、阻力等控制；空压机的联锁控制和防喘振控制；冷却塔控制；分子筛纯化的时序控制；氧气透平压缩机的起停控制；氮压机的联锁控制和防喘振控制等；各泵的运转控制。

4 运行效果

设备运行稳定，自投产以来空分装置未发生过故障停机。设备能耗降低，当量单位制氧能耗（内压缩）0.55 kW·h/m3。运行成本降低，制氧厂定员30人。