邯钢16300Nm³/h空分设备氮气增产改造

刘明明 陈利斌 贺鹏

摘 要：本文介绍了邯钢16300Nm3/h空分设备为实现氮气产量增加进行改造的改造方案、改造设计、具体实施过程以及质量验证，为今后16000Nm3/h等级空分同类型技术改造提供一定的借鉴和指导作用。

关键词：空分设备；改造；氮气增产；高纯氧

1 增产改造背景

邯钢气体厂16300 Nm3/h空分设备是杭氧设计、制造的第一套国产16300 Nm3/h等级空分设备，于2000年元月份建成并成功投产，由于当时钢铁企业氮气用量较小，因此在设计时采用氮气和氧气比为1：1的设计思路。随着钢铁企业的发展升级，钢铁企业对氮气需求量不断增加。氮气使用量逐渐加大，已经超过了原有空分设备的氮气生产能力，氮气和氧气产品比由原来的不到1：1增加到接近2：1的比例，在生产组织上为保证氮气需求，需要再运行一套空分設备，这样虽然满足了氮气需求，但氧气会大量放散，显然不是一个最好的生产组织方案。因此，邯钢气体厂提出16300 Nm3/h空分设备氮气增产改造的技术创新项目，目标的是既保证氮气供应，又避免氧气放散，要满足氧气供应的情况下可以更好地进行生匹配，从而建立一种保障性更强、组织性更加灵活的生产组织模式。

2 改造方案

2.1 项目实施前后的主要技术性能与数据

邯钢气体厂原有16300 Nm3/h空分设备性能参数见表一，氮气增产技术改进后的空分设备性能参数见表二。

2.2 技术改造设计

2.2.1改造设计思路

1）要求增加低压氮气的产量并利用原有的空压机、氧压机、分子筛纯化系统、空冷塔、主换热器、下塔以及主冷等设备；

2）为达到氮气产量增加的目的，需对上塔进行改造，并增加冷水机组一套；

3）冷箱利用原有主冷箱板，但需针对改造后的上塔进行相应的改造；

4）新增加设备配套提供一次仪表、变送器、阀门等仪表设备，其余设备利用原有的一次仪表、变送器、阀门；

5）针对高纯氧塔进行改造，由原来的筛板塔改为填料塔，并优化管路，提高高纯氧产量。

2.3 技术改造说明

2.3.1空冷系统

因为工艺上需增加冷水机组，需对冷冻水泵后管道去空冷塔水管进行改造，以便冷水机组的安装和运行。原污氮气进水冷塔阀V1209改为氮气进水冷塔调节阀，作为启车时氮气防空消声器用，同时在正常氮气调峰时回收冷量。

原有的3台冷冻水泵采取开2备1方式运行。原水冷塔底部供水管路由DN100改为DN200。

2.3.2纯化系统

因为纯氮气和污氮气的流路发生变化，改造后的污氮气全部进入分子筛再生用。相应的管道需进行改造，以便装置的正常使用。出冷箱产品氮气总管和氮气产品阀（V104）、氮气产品放空阀（V105）断开，进分子筛污氮管从污氮总管断开，接至原产品氮气总管上。氮气产品阀门（V104）、氮气产品放空阀（V105）、进水冷塔污氮阀（V1209）接至原污氮总管上。并调整相应测点。V1209在阀后断开，作为产品阀使用。

改造后，原产品氮气总管走污氮气，作为污氮气进分子筛总管；原污氮总管走氮气，作为产品氮气总管。原再生气流量计由孔板更改为威力巴流量计。

2.3.3分馏塔

将最上段部分的辅塔替换掉，直径从原来的1，503 mm改为2，653mm，高度增加6，000 mm左右；在标高45，000 mm处开始替换。替换后主塔部分的冷箱需增加一层的高度，并增加相应的钢结构，冷箱内粗氩液化器氮气出口管和精氩冷凝器氮气出口管的汇集管从污氮气出口管断开，上塔氮气出口管、上塔污氮气出口管在标高约44，000 mm处从上塔断开，然后接至替换后的上塔的污氮气、氮气出口位置，再将接至。

改造后，原上塔污氮气出口管走产品氮气，作为产品氮气出口管；原上塔氮气出口管走污氮气，作为污氮气出口管。

原膨胀空气旁通污氮管线，由连接到原污氮气管线更改为连接到原氮气管线。

上塔安全阀由原污氮气管更改为连接到原氮气管线上，其位置下移至标高5300mm平台。

更换高纯氧塔，并改造相应管路及支架。取消高纯氧塔到主冷的回流管线。保留高纯氧塔的下部抽口，碳氢化合物含量升高时有高纯氧蒸发器底部抽口直接排放掉。原V602、V603阀改为波纹管调节阀。高纯氧蒸发器底部管路出冷箱增加排放管路，增加波纹管手动截止阀。

高纯氧蒸发器热源由压力氮气改为进下塔压力空气，冷凝后液空回出下塔液空管道。

粗氩冷凝器出口处增加一气液分离装置。

粗氩液化器氮气管线增设一调节阀（DN80）及一压力控制测点，以利调节。

原上塔，粗氩I、II塔上分析点，已无存在必要，且留在冷箱内存在安全隐患，现场割除，塔上接口用板封堵。

为满足氮气用量负荷的变化，新增氮气产品阀V107（DN600）与原氮气产品阀V104并联控制。

原氮气总管上孔板流量计更改为威力巴流量计。

原氮气放空阀V105和氮气放空消声器利旧。

因冷箱加高，原粗氩液化气吊架需更改，并同时更改相应管道。

因冷箱加高，顶层密封气管道需相应上移。

预留原15000空分粗液氩进粗氩II塔入口的管路及冷箱接口。

更换冷箱内铝质仪表管。

2.3.4膨胀机系统

为降低增压空气进冷箱的温度，从而降低通过板式附加段的污氮气温度，以免影响分子筛系统正常运行，原膨胀机增压端后冷却器改用从冷冻机过来的冷冻水，水量为33t/h。

2.3.5其他

所有改动后的管道、阀门重新编号，标定。检查相关的测点、连锁控制点。

除新增的测点外，改造涉及到的测点变动，根据清单，在DCS卡件上进行接线调换。

3 改造方案实施

3.1 冷箱内施工

3.3.1低温环境引压管路更换安装

1）为防止引压管路内气相介质的冷凝，引压管路敷设时必须至少离开低温设备或管道500mm以上，若实施有困难，可以在引压管路外局部扎绝热材料。

2）为补偿引压管路在低温下冷缩变形，与设备或管道、阀门刚性连接的引压管路应具备足够的伸缩补偿能力。

3）对低温的液位测量，要特别注意液相引压管的敷设。从取压点到冷箱壁一次阀门采取整根铜管敷设，中间不留接头。

4）引压管路必须用托架或角钢保护，使其不受外力的影响，并采取绑扎或其他有效的紧固办法，防止管路不稳定。

5）角钢或托架不仅在其跨距内应有足够的强度和刚性，以承受绝热材料的重量負荷，其结构还必须适应温度变化所产生的热胀冷缩影响。

6）全部配管结束后，仪表管应随工艺管一起进行试压试验，仔细检查引压管路各个连接处和管路的畅通性，保证管路不漏不堵。

3.3.2变形管道的改造及管架整改

邯钢气体厂16300 Nm3/h制氧建造于1998年，距今已有14年历史，虽有过几次大加温但整体运行状态良好。近年由于钢厂安排，该套空分仅用作备机，停车、开车较为频繁，这对空分整体性能影响较大。且14年前的设计理念，无法满足先进设备的生产运行需要，现借该项目氮气改造的机会，对冷箱内情况进行了详细检查，发现较多问题，为了使本套空分改造后，能保证正常生产运行达到提高氮气产量等目的，需对变形管道及不合格管架进行整改。

对于严重变形管道及弯头进行更换，不合理的管线进行重新设计。

增加、修改多处支架、托架，以确保冷箱内容器、阀门、管道的支撑合理。

3.3.3堵塞设备膨胀空气氧气换热器、液氮液空过冷器的吹除

空分改造中，我厂技术人员发现上塔污氮管道破裂（破口直接约8公分），又由于本套空分在过去运行时氧气产量不达标；故对膨胀空气氧气换热器及液空液氮过冷器进行管道开口检查。

将氧换热器入口管道割开，发现换热器内部沟槽有珠光砂，证明换热器通道内确实有珠光砂存在。对比之前过冷器管道开孔时拍摄的照片，确定过冷器内同样存在珠光砂。堵塞的设备严重影响了氧氮气产品产量。由于堵塞设备在塔内，更换设备难度大、费用高；且设备制作周期长，严重影响改造进度，故为保证空分的正常稳定运行，产品气体产量达标，我厂决定对两台设备经行吹扫。

吹扫气源为空压机压缩后空气，流量为30000 Nm3/h，吹扫方法为关闭与吹扫设备相通的其他流路的阀门，以分子筛V1250阀门为空气进口，以换热器氧通道出口及过冷器V203阀门为两台设备的吹除出口。每次吹除为五分钟，中断一分钟，以此持续10次脉冲式吹除。

空分改造完投入运行后，氧氮产品产量均达到设计要求，设备吹除达到预期目的。本次吹除共消耗费用为：临时管道及材料消耗费用3万元，空压机电耗6000元，人工费用2000元，共计3.8万元。如对设备进行更换需设备及安装费80万。以此节省设备更换费用76.2万元。

4 改造质量验证和综合效益

2012年10月12日冷水机调试完毕，达到设计温度。2012年10月15日0：30分启动膨胀机进行裸冷，16日8点裸冷结束停空压机和膨胀机，空气进下塔温度TI1：-106℃，主冷温度-99℃，粗氩塔和高纯氧无结霜。2012年10月22日上午开始装砂，采用气体送方式进行装填，11月7日装砂结束。2012年10月31日0：30分启动膨胀机； 2012年11月9日16：00分精氩合格。调试结束，氧气、氮气、氩气、高纯氧产品合格，达到设计指标。

改造后空分设备调试的性能与数据如下：

4.1 改造后氮气产量增加对生产的影响

随着钢铁企业的发展升级，钢铁企业对氮气需求量不断增加。氮气使用量的加大，已经超过了原有空分设备的氮气生产能力，氮气和氧气产品比由原来的不到1：1增加到接近2：1的比例，在生产组织上为保证氮气需求，需要再运行一套空分设备，这样虽然满足了氮气需求，但氧气会大量放散，显然这种组织方案是不可取的。因此，本次改造后，氮气产品增加了30000m3/h，单套空分氧氮产品比例达到了3：1，实现了既保证氮气供应，又避免氧气放散，要满足氧气供应的情况下可以更好地进行生匹配，从而建立一种保障性更强、组织性更加灵活的生产组织模式的目标。

4.2 操作中空分调整弹性变强

本次改造对上塔、粗氩液化器氮气出口管、精氩冷凝器氮气出口管等的更改及新增氮气产品阀V107（DN600）与原氮气产品阀V104并联控制，以及对部分设计部合理管路的改造更换，使得空分运行正常操作中的操作弹性大幅度加强，大大降低空分运行中“氮塞”事故的发生，使生产的稳定性得到更好的保证。

4.3 氮气纯度的改变及氧气提取率的提高

本次改造后，纯氮产量大幅度提高，污氮产量降低。纯氮气在纯度方面，含氧设计数值由过去的10PPM降低到5PPM，而实际运行中，含氧实际数值在0.1-0.3PPM以内。污氮气含氧由过去的1%-3%降低为5PPM。氮气纯度的提高，提升了空分氧提取率两个百分点。

4.4 高纯液氧纯度及产量的提高

改造前，本套空分设计有高纯氧塔，但由于原设计存在一定缺陷，且塔器本体设计偏小，故过去高纯氧并为真正提取出来。经过对本次对高纯氧系统进行技术改造后，经近期运行状况看，高纯氧纯度达到甚至超过了99.9995%，且纯度无波动。高纯氧产量达到30 Nm3/h，换算了液体约为0.9 Nm3/d，且高纯液氧还有很高的继续提取的空间。从产量和纯度方面达到并超越了改造设备初衷。按现今高纯液氧每立方3200元的价钱算，年创效100万元。

参考文献：

[1] 李化治.制氧技术[M].北京：冶金工业出版社，2007.

[2] 毛绍融，朱朔元等.现代空分设备与操作原理[M].杭州：杭州出版社，2005.

作者简介：

刘明明（1985-），男，汉族，河北邯郸人，本科，助理工程师，研究方向：制氧。