内压缩流程空分设备氧气纯度调节方法分析

2022-11-26周金城刘江淮王胜利

低温与特气 2022年2期

周金城，刘江淮，王胜利

(安徽马钢气体科技有限公司，安徽马鞍山 243000)

1 前言

马鞍山钢铁股份有限公司(以下简称：马钢)20 000 m3/h液氧内压缩流程空分设备是杭氧设计、制造的。20 000 m3/h内压缩流程空分设备采用空气循环增压、膨胀空气进下塔、液氧内压缩及氮气外压缩、全精馏制氩工艺流程。

空分设备上塔提馏段氧气纯度调节对空分设备精馏工况影响较大。马钢20 000 m3/h液氧内压缩流程空分设备自投入运行，在空分设备开车、运行时对上塔提馏段氧气纯度采用不同调节方法，经过对内压缩流程空分设备上塔提馏段氧气纯度不同调节方法进行分析及实际运用效果比较，认为内压缩流程空分设备氧气纯度调节方法与传统的外压缩流程空分设备氧气纯度调节方法有较大不同。

2 内压缩流程空分设备工艺流程特点

马钢20 000 m3/h液氧内压缩流程空分设备低压空气、中压膨胀空气、高压空气作为加工空气均入下塔参与精馏。中压膨胀空气经膨胀机等熵膨胀入下塔，膨胀空气温度低，膨胀空气为气液混合状态。高压空气在主换热器冷端液化，经高压液空节流阀等焓节流降温、降压导入下塔。因液态膨胀空气、高压液空作为下塔回流液参与精馏，气态膨胀空气、低压空气作为下塔上升蒸气参与精馏，下塔回流比大，下塔塔釜液空中氧氩含量高、下塔顶部液氮中氧含量低。

20 000 m3/h内压缩流程空分设备膨胀空气未入上塔精馏段，上塔精馏段回流比大，污氮气中氧氩含量低，空分设备氧气、氩气提取率较高。

20 000 m3/h内压缩流程空分设备从主冷抽取液氧，经中压液氧泵加压输送至主换热器与高压空气换热，中压液氧气化、复热，输入氧气管网，空分设备不可逆损失较大。

同时，在20 000 m3/h内压缩流程空分设备工艺流程设计中，在上塔提馏段下部抽取一股纯度合格的气态氧气经旁通调节阀V7调节入污氮气总管回收冷量，调节上塔提馏段氩馏分氩含量及氧气纯度，空分设备损失部分氧组分。

3 内压缩流程空分设备氧气纯度调节方法分析

3.1 正流加工空气流量调节方法

3.1.1低压空气流量

低压空气入下塔作为上升蒸气参与精馏，低压空气流量变化直接影响下塔回流比与主冷热负荷。

改变低压空气流量影响下塔回流比，使入上塔提馏段的下塔塔釜液空氧含量发生变化。同时，改变低压空气流量直接影响主冷热负荷，使主冷液氧蒸发量发生变化，上塔提馏段上升蒸气流量变化，上塔提馏段回流比改变，主冷蒸发侧液氧与上塔提馏段气氧纯度变化。

调节入下塔参与精馏的低压空气流量，主冷蒸发侧液氧蒸发量变化明显，上塔提馏段氧气纯度变化幅度较大，氧气纯度运行值易控制。空分设备低压空气流量变化值限制氧气纯度调节范围。

低压空气流量调节方法适用于内压缩流程空分设备热开车、冷开车、运行状态时调节氧气纯度及氩馏分氩含量。

3.1.2中压膨胀空气流量、高压空气流量压力

中压膨胀空气是物料与冷量载体，为空分设备精馏提供部分加工空气及大部分制冷量。中压膨胀空气经气液分离器分离，气态的膨胀空气入下塔作为上升蒸气参与精馏。改变膨胀空气流量，使下塔上升蒸气液化量、回流液体蒸发量发生变化，下塔液空氧含量与主冷热负荷改变，上塔提馏段氧气纯度变化。

高压空气以液体形式直接入下塔，作为下塔回流液参与精馏。改变高压空气流量，直接导致下塔下部回流液体流量改变，使下塔下部回流比发生变化，下塔塔釜液空氧含量与入上塔提馏段液空流量变化，上塔提馏段氧气纯度变化。

调节入下塔的中压膨胀空气流量、高压空气流量压力，上塔提馏段回流比变化幅度较小，调节氧气纯度精馏时间长，氧气纯度运行值不易控制。

中压膨胀空气流量与高压空气流量压力调节方法不适用于内压缩流程空分设备正常运行状态时氧气纯度调节。

3.2 氧气流量调节方法

改变内压缩流程空分设备氧气流量，使从主冷中抽取入主换热器的液氧流量发生改变，在主换热器中与液氧换热的高压空气流量压力发生变化，入上塔提馏段进行精馏的下塔液空氧含量及液空流量变化，上塔提馏段氧气、氮气组分平衡状态改变，氧气纯度变化。

在内压缩流程空分设备正常运行状态下进行变负荷操作时，改变氧气流量，主冷液氧蒸发量变化值较小，上塔提馏段上升蒸气流量变化幅度小，上塔提馏段氧气纯度运行值变化不明显。

同时，改变氧气流量必须对入下塔参与精馏的高压空气流量压力进行相应调节，以保持主换热器热端温差、中部温度稳定。上塔提馏段液空进料口处的回流液体氧含量、流量变化幅度小，上塔提馏段氧气纯度进行调节的精馏时间较长，氧气纯度变化量小，氧气纯度运行值不易控制。

氧气流量调节方法不适用于内压缩流程空分设备正常运行状态时调节氧气纯度。

在内压缩流程空分设备热开车及冷开车调纯、运行状态变负荷时，调节从上塔提馏段直接抽取旁通入污氮气总管纯度合格的气态氧气流量，上塔提馏段回流比变化幅度较大，氧气纯度及氩馏分氩含量调节时间短，氧气纯度及氩馏分氩含量运行值易控制，但氧气提取率降低。同时，上塔提馏段直接抽取旁通入污氮气总管的气态氧气流量值限制氧气纯度调节范围。

旁通氧气流量调节方法适用于内压缩流程空分设备热开车、冷开车、运行状态时调节氧气纯度。

3.3 氮气、污氮气、液氮产品流量调节方法

3.3.1氮气、污氮气流量

改变内压缩流程空分设备产品氮气、污氮气流量，直接改变了上塔物料平衡、组分平衡。同时改变了上塔压力，使主冷热负荷变化，主冷液氧蒸发量发生变化，上塔回流比变化，上塔精馏段氮气纯度、污氮气氧含量与上塔提馏段氧气纯度、氩馏分氩含量均变化。

在内压缩流程空分设备操作中，调节上塔精馏段抽取的氮气、污氮气流量，上塔精馏段、提馏段氧、氮、氩组分再次建立组分平衡状态时间短，上塔提馏段氧气纯度、氩馏分氩含量变化幅度大，氧气纯度运行值易控制且稳定。

氮气、污氮气流量调节方法适用于内压缩流程空分设备热开车、冷开车、运行状态时调节氧气纯度。

3.3.2液氮产品流量

改变内压缩流程空分设备从主冷冷凝侧抽取的液氮产品流量，使主冷冷凝侧换热面积发生变化，主冷液氧蒸发量发生变化，上塔提馏段上升蒸气流量改变，上塔提馏段氧气纯度变化。

调节主冷冷凝侧抽取的液氮产品流量，主冷热负荷变化明显，上塔提馏段氧气纯度变化幅度明显，氧气纯度运行值易调节。液氮产品纯度与产量限制氧气纯度调节范围。

液氮产品流量调节方法适用于内压缩流程空分设备热开车、冷开车、运行状态时调节氧气纯度。

3.4 主冷液位调节方法

改变主冷蒸发侧液氧液位，使主冷蒸发侧液氧换热面积、主冷温差改变，主冷热负荷发生变化，主冷液氧蒸发量变化，上塔提馏段上升蒸气流量改变，上塔提馏段氧气纯度变化。

调节主冷蒸发侧液氧液位，上塔提馏段上升蒸气流量变化幅度较大，氧气纯度变化量较大，氧气纯度调节时间较短，氧气纯度易调节且稳定。主冷安全运行值限制氧气纯度调节范围。

主冷液位调节方法适用于内压缩流程空分设备热开车、冷开车时调节氧气纯度。

3.5 粗氩塔工况调节方法

3.5.1氩馏分流量

通过改变粗氩冷凝蒸发器热负荷，改变从上塔提馏段抽取入粗氩塔进行精馏的氩馏分流量，使上塔提馏段上升蒸气流量发生变化，上塔提馏段回流比变化，上塔提馏段氧气纯度变化。

调节粗氩冷凝蒸发器热负荷，上塔提馏段抽取入粗氩塔精馏氩馏分流量变化明显，上塔提馏段氩馏分抽口处上升蒸气中氩、氮、氧组分含量变化明显，主冷液氧及上塔提馏段氧气纯度变化值较小，氧气纯度运行值不易控制。在空分设备正常运行时，为保持粗氩塔精馏工况、液氩纯度及产量稳定，粗氩冷凝蒸发器热负荷不需做较大幅度调节。

氩馏分流量调节方法不适用于内压缩流程空分设备氧气纯度调节。

3.5.2循环粗氩泵负荷

通过改变循环粗氩泵回流阀开度及变频器负荷，使循环粗氩泵负荷改变，循环粗氩泵从粗氩Ⅱ塔塔釜抽取经粗氩Ⅰ塔输入上塔提馏段的富氩液氧流量改变，上塔提馏段回流液体流量变化，直接影响上塔提馏段回流比，氧气纯度发生变化。

调节循环粗氩泵负荷，经粗氩Ⅰ塔入上塔提馏段的富氩液氧流量变化明显，富氩液氧流量值易控制，上塔提馏段回流比变化量较大，氧气纯度及氩馏分氩含量调节时间短。粗氩Ⅱ塔塔釜液位安全运行值限制氧气纯度及氩馏分氩含量调节范围。

循环粗氩泵变负荷调节方法较适用于内压缩流程空分设备热开车、冷开车时调节氧气纯度。

3.6 液空氧含量调节方法

内压缩流程空分设备从主冷中抽取部分液氧经液氧泵加压输入主换热器气化、复热，制取产品氧气。改变下塔塔釜液空氧含量，使上塔提馏段氧、氮组分平衡工况改变，主冷液氧及上塔提馏段氧气纯度发生变化。

调节下塔液空氧含量，下塔及上塔提馏段氧、氮组分达到平衡工况精馏时间较长，上塔提馏段氧气纯度调节时间长，氧气纯度变化量较少。

液空氧含量调节方法较适用于内压缩流程空分设备热开车、冷开车时调节氧气纯度。

4 内压缩流程空分设备热开车氧气纯度调节方法运用实例

在马钢20 000 m3/h内压缩流程空分设备热开车调纯阶段，对氧气、氮气纯度及氩馏分氩含量进行调节。根据空分设备精馏工况变化，运用不同氧气纯度调节方法，将氧气纯度调节分为3个阶段。

第1阶段：在氧气、氮气纯度均未合格时，调节氧气纯度。

启动中压液氧泵，根据氧气纯度升幅，逐步将氧气流量、高压空气流量压力增至大于低报警值小于正常运行值，以减少入上塔提馏段液空流量，降低上塔提馏段回流比。同时，根据主塔物料、组分平衡原理，调节氮气放空阀、污氮气压力调节阀，分步将氮气流量、污氮气压力值调至正常运行值，使氧气纯度运行值升高。

根据下塔阻力变化，分步将低压空气流量增至正常运行值。同时调节中压膨胀空气流量，保持主冷液位稳定，以此提高主冷热负荷，增加上塔提馏段上升蒸气流量。同时，根据液空氧含量，逐步增大液氮节流阀、污液氮节流阀开度，将下塔液空氧含量升至正常运行值，使上塔提馏段氧气纯度升至正常运行值。

第2阶段：调节氮气纯度、氩馏分氩含量，保持氧气纯度稳定。

根据下塔顶部液氮纯度与上塔顶部氮气纯度差值，调节液氮节流阀，使氮气纯度合格。同时在下塔顶部液氮纯度合格时，根据液氮纯度变化，开启液氮产品调节阀Ⅴ8，逐步增加液氮产品流量，提高主冷蒸发侧液氧蒸发量，减少上塔提馏段氩馏分抽口处回流液体、上升蒸气中氩氮组分含量，降低氩馏分氩含量，使氧气纯度大于正常运行值。

根据氧气纯度与污氮气氧含量变化，逐步将氧气流量、高压空气流量压力增至正常运行值。同时，根据氩馏分氩含量变化，调节旁通氧气流量调节阀Ⅴ7，提高上塔提馏段回流比，使上塔提馏段氩富集区移至正常运行区域，将氧气纯度调至正常运行值。

第3阶段：粗氩塔投运时，调节氧气纯度稳定。

在氧气、氮气纯度及氩馏分氩含量达到正常运行值时，粗氩塔投运，是将已建立物料、组分、冷量平衡状态的主塔过渡至主塔、粗氩塔均达到物料、组分、冷量平衡状态。因上塔提馏段氩馏分氩含量变化0.1%，氧气纯度变化1%，氩馏分氩含量变化率大于氧气纯度变化率。在粗氩塔投运阶段，根据上塔提馏段氩馏分氩含量变化，调节氧气纯度。

在粗氩塔初步投运时，根据上塔提馏段氩馏分氩含量变化，逐步开启粗氩冷凝蒸发器液空进液阀，逐步提高粗氩冷凝蒸发器热负荷，使氩馏分抽取量逐步增加。因下塔塔釜液空导入上塔提馏段流量减少，逐步使主冷液位降至大于低报警值小于正常运行值，使上塔提馏段上升蒸气液化量降低、回流液体蒸发量增加，将氩馏分氩含量减至小于正常运行值，控制氧气纯度运行值升幅小。在粗氩Ⅱ塔塔釜液位升至正常运行值时，启动循环粗氩泵，根据上塔提馏段氩馏分氩含量变化，调节循环粗氩泵回流阀开度、变频器负荷，调节输入上塔提馏段富氩液氧流量，逐步使主冷液位提高，使上塔提馏段上升蒸气液化量增加、回流液体蒸发量降低，提高氩馏分氩含量，控制氧气纯度运行值降幅小。

在粗氩塔工况建立进行粗氩纯度调节时，根据粗氩Ⅱ塔塔釜液位变化，减小循环粗氩泵回流阀开度、增大循环粗氩泵变频器负荷，提高输入上塔提馏段富氩液氧流量，将主冷液位升至正常运行值。同时调节污氮气压力调节阀、旁通氧气流量调节阀，使上塔提馏段上升蒸气液化量增加、回流液体蒸发量降低，将氩馏分氩含量增至正常运行值，使氧气纯度减至正常运行值。