江 群，周晨皓，董振寧，張 秦

（寶鋼股份能環(huán)部制氧分廠，上海 200941）

1 前言

在全低壓空分設備中，為了維持設備在低溫下工作需要產生冷量，而產冷的主要辦法是靠空氣在膨脹機中膨脹作功產冷。如果這一部分空氣只去冷卻加工空氣后排出裝置，就會使這部分作為制冷工質的空氣中的氧、氮組分得不到分離，以致氧提取率低而不經濟。實踐證明這部分空氣可以適量地進入上塔參與精餾，因上塔精餾段有較充裕的回流液，所以既可以保證產品純度，又可以在同樣的加工空氣量的條件下，顯著地提高氧氣產量。這股膨脹空氣被稱為“吹入上塔膨脹空氣”或“拉赫曼導氣”，對上塔工況的影響甚大，膨脹空氣進上塔量過低，影響氧提取率；過高，將影響氬的生產，因此，膨脹空氣進上塔的量的控制尤為重要。

2 背景

寶鋼5#制氧機是于1994 年從美國APCI 公司引進，于1998 年投入運行，是當時世界上先進的制氧機設備之一，上塔采用規(guī)整填料塔，主冷采用膜式蒸發(fā)冷凝器。氬利用全精餾制氬技術，因此，對上塔抽取氬餾分中氮含量要求較高，如略高就會引起粗氬塔的氮塞。主要制冷設備膨脹機是增壓膨脹機，出膨脹機后一部分氣體作為拉赫曼氣體入上塔參與精餾，膨脹空氣進上塔的量占加工空氣量的24％，為保證PSA 分子篩正常運行必須有145000 m3/h 污氮作為再生分子篩用氣，另一部分作為膨脹機出口的旁通氣體與上塔出來的污氮氣成為分子篩再生氣總污氮的來源。

2.15#制氧機產品產量低原因分析

由于5#機組上塔采用規(guī)整填料塔，塔身高，為保證液氮能正常打入上塔，進過冷器的液氮較少，使得上升的液氮過冷度較小，由此使得上塔精餾段富余冷量較小。另外，膨脹機的制冷量與入口溫度有關，入口溫度越高單位制冷量越大，為保證膨脹機的單位制冷量，以減少膨脹量來提高提取率，即防止膨脹機帶液，膨脹機的出口溫度達－180℃以上，因此，導入上塔的拉赫曼導氣較上塔導氣入口的溫度高得多，使得上塔的熱負荷增加，為保證產品氮氣的純度只能降低氮氣的產品產量，由于氮產品的減少，為保證氬餾份中只含微量的氮，以防氬塔氮塞只有相應減少氧的產量。

2.2 數(shù)據(jù)介紹

我們日常操作的加工空氣量為310000m3/h，膨脹空氣量為76000m3/h，進上塔拉赫曼導氣為38000m3/h，為防止粗氬塔氮塞，必須控制污氮純度達35000×10-6O2左右，由此使得上塔抽取的氬餾份中含氧純度達95%以上，產品氮氣產量為92000 m3/h，產品氧氣產量為47000m3/h，液氧產量為1600m3/h，液氮產量為1000m3/h，液氬產量為1150m3/h，由此可計算出P S A分子篩的再生氣、儀表用氣等達167250m3/h左右，有相當?shù)臍饬勘蛔鳛閺U氣從污氮排放口被排放。

2004年6月2日相關操作數(shù)據(jù)如下：

空氣量：311024m3/h

膨脹空氣進上塔量：33198m3/h

污氮純度：33980×10-6

氧氣量：46589m3/h

中部O2純度：95.3%

氬氣量：1096m3/h

由于提高了污氮純度造成氬餾份中含氧量增加，增加了一級粗氬塔的負荷，為保證出一級塔的含氧量只有相應減少餾份，使二級粗氬塔能正常工作，而餾份的降低又造成上塔工作量的增加，使氬濃縮區(qū)偏離抽取口，造成餾份中含氬量減少，直接影響了氬產品的生產量。

3 膨脹空氣量對主塔的影響

膨脹空氣進上塔量是有一定的限制的，超出極限就會使分離產品純度降低，能耗增大，氧提取率下降，更有可能影響氬的生產。從理論上講，在有限的塔板數(shù)的前提下，允許進入上塔的最大膨脹空氣量應取決于上精餾塔的最小回流比。我們對送入上塔的膨脹空氣量，綜合考慮回流比、塔板數(shù)、氧、氮及液空純度等諸因素的影響，以便在既保證產品純度和不使氧提取率下降過多,又不致過多地增加能耗的情況下，送入適量的膨脹空氣。

3.1 上塔最大膨脹量計算

式中，Mmax——上塔允許最大膨脹量；

yB——空氣組成；

yA——氣氮平均純度；

yK——氧氣純度；

XE——液空純度；

XD——液氮平均純度；

a——平均液氮節(jié)流氣化率；

yA——污氣氮純度；

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XA——與yA相對平衡的液相濃度；

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Xc、yc——液空節(jié)流后的液、氣組成。

3.2 膨脹空氣量的控制

從最大膨脹量計算公式中可見，進入上塔的允許膨脹量主要與上、下塔取出的產品純度及入上塔的過冷度有關。產品純度低、允許膨脹量增加。氧、氮產品純度通常是用戶的要求。為了減少不可逆分離功損失，降低能耗，在滿足工藝要求的條件下，不應過分地追求產品的高純度，否則，提取率降低，能耗增大。入上塔液體的過冷度增加，這使上塔的回流比增加，即上塔具有更富余的回流比，精餾潛力更大，也就表現(xiàn)出允許進塔的膨脹量增加。但膨脹后的氣體不允許達到飽和或出現(xiàn)液體，膨脹后氣體要保持過熱狀態(tài)。膨脹后氣體溫度與相應壓力下飽和溫度之差為膨脹后氣體過熱度。顯然，過熱度增加，允許進塔的最大膨脹空氣量減少。

3.3 膨脹量調整試驗

一般允許送入上塔的膨脹空氣量是15%～25%的加工空氣量。在實際運轉中，如果進上塔的膨脹量超過設計值，將使氮純度下降，氧的提取率降低。而部分空氣旁通時，雖然這部分空氣中的氧全部沒有回收，但是進塔參加精餾的空氣的提取率可保持較高的值。通過在5#制氧機操作試驗得到：在33198m3/h的膨脹空氣量進入上塔，污氮純度為33980×10-6O2；當28178m3/h的膨脹空氣量進入上塔，則污氮純度為16000×10-6O2。

由此可見，雖然進上塔膨脹空氣比原來少了，但是氧產量反而略有提高，且污氮純度下降，使氬餾分中的含氬量上升，有利于氬產量的提高。在操作中，由于拉赫曼導氣即進上塔膨脹空氣量的減少，上塔精餾段熱負荷降低，從而使得上塔精餾段工況改善，因此，在確保P S A分子篩的再生氣量的情況下，就能相應增加產品氮氣量，由于氮產量的增加相應的產品氧產量也得到增加。

由于上塔精餾段熱負荷的減少，污氮純度可以相應降低，從原來的33980×10-6O2降至16000×10-6O2，但如此操作可能使得粗壓塔氮塞。2010年，為防止中部純度和污氮純度偏低導致粗氬塔氮塞，從而影響氬的生產，經過試驗摸索，決定把氧氣產量相對減少一些，使得2010年的污氮純度控制在27000×10-6O2左右，故而氬的產量也同步降低，但氬產量仍有1300m3/h以上。最終使得氬餾份中含氧量降低，保證了氬餾份量的正常抽取，既降低了上塔的工作量，又使得氬餾份的抽取口氬濃度進一步濃縮，并可以相應提高氬產量。

4 效果檢查

2010年通過對膨脹空氣進上塔的量進行控制后，雖然與2006年相比有所增加（防止氮塞），將進上塔的膨脹空氣量從33198m3/h減至32657m3/h左右，但與實施前2004年相比，污氮純度也從33980×10-6O2降至27000×10-6O2，氬產量增加效果明顯，如表1所示。

表1 膨脹量調整前后主要數(shù)據(jù)對比

4.12005年5#制氧機氬氣和相對應的氧、氮、氬年平均小時產量

2005年5#制氧機氬氣和相對應的氧、氮、氬年平均小時產量如表2。

表22005年5#制氧機氬氣和相對應的氧、氮、氬年平均小時產量

4.22010年5#制氧機氬氣和相對應的氧、氮、氬年平均小時產量

2010年5#制氧機氬氣和相對應的氧、氮、氬年平均小時產量如表3。

通過減少5#制氧機膨脹空氣進上塔量，我們可以看到加工空氣量雖然稍有所下降，但產量卻明顯增加。

表32010年5#制氧機氬氣和相對應的氧、氮、氬年平均小時產量

5 結語

對于不同空分設備，膨脹空氣量的增減對產量的影響不盡相同，因此，對增壓空氣膨脹部分膨脹空氣入上塔、全精餾制氬流程的空分設備，在生產操作過程中，要綜合考慮到上塔精餾段的富余冷量，合理調整拉赫曼導氣量，有利于提高制氧機產品的提取率。