蔡高輝

（江西銅業(yè)集團(tuán)公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

空分即空氣分離，就是將空氣中的氧氣、氮?dú)饧跋∮袣怏w（如氬氣）等分離出來，以滿足冶金、化工等各行業(yè)的生產(chǎn)需求。常見的空分技術(shù)主要有吸附法、膜分離法及低溫法，目前應(yīng)用最為廣泛的是低溫空氣分離技術(shù)［1］。

貴冶制氧區(qū)域有4套低溫分離空分機(jī)組，總設(shè)計(jì)氧產(chǎn)能為56500Nm3/h，為全廠提供生產(chǎn)所需的氧氣。低溫分離制氧的工藝過程是先將原料空氣液化，再送入分餾塔利用氧、氮沸點(diǎn)之差使之分離，系統(tǒng)流程如圖1。空分設(shè)備在日常生產(chǎn)中消耗大量電能，4套機(jī)組年耗電量在2.85億kWh左右，電費(fèi)成本在生產(chǎn)成本中占了95%以上。優(yōu)化工藝操作，有效降低設(shè)備運(yùn)行能耗，是空分生產(chǎn)中的重要課題。

圖1 低溫分離制氧流程簡圖

2 空分設(shè)備概括

低溫分離空分機(jī)組是一個大型的復(fù)雜系統(tǒng)，主要由以下子系統(tǒng)組成：壓縮系統(tǒng)、預(yù)冷系統(tǒng)、純化系統(tǒng)、膨脹系統(tǒng)、分餾系統(tǒng)、產(chǎn)品輸送系統(tǒng)及循環(huán)水系統(tǒng)［2］等，其工作過程如下：

壓縮系統(tǒng)通過離心壓縮機(jī)將環(huán)境空氣進(jìn)行多級壓縮，最終達(dá)到空分設(shè)備所需的空氣壓力等級要求；經(jīng)壓縮后的原料空氣溫度較高，空氣預(yù)冷系統(tǒng)通過空冷塔換熱降低空氣的溫度，同時(shí)可以洗滌其中的酸性物質(zhì)等有害雜質(zhì)，保證純化系統(tǒng)分子篩吸附工作處于最佳狀態(tài)以及后續(xù)空氣液化分離的順利進(jìn)行；分子篩純化系統(tǒng)進(jìn)一步除去空氣中的水分、二氧化碳、乙炔等對空分設(shè)備運(yùn)行有害的物質(zhì)；徹底凈化后的空氣再與塔內(nèi)回流氣換熱之后通過膨脹和節(jié)流液化，最終送入分餾塔進(jìn)行低溫分離；生產(chǎn)的氧氣和氮?dú)飧鶕?jù)各生產(chǎn)單位對產(chǎn)品壓力的要求直接低壓送出或由氧氣壓縮機(jī)和氮?dú)鈮嚎s機(jī)進(jìn)一步加工送出。循環(huán)水系統(tǒng)通過冷卻水帶走工藝介質(zhì)或換熱設(shè)備所散發(fā)的熱量，以保證設(shè)備運(yùn)行安全及工況參數(shù)正常，熱水經(jīng)風(fēng)冷塔冷卻再回到循環(huán)水池循環(huán)使用。

空分機(jī)組各生產(chǎn)系統(tǒng)中的主要設(shè)備如表1所示。從表中可以看出，空分設(shè)備有很多大功率設(shè)備，各設(shè)備運(yùn)行功率合計(jì)達(dá)4萬多千瓦。提高設(shè)備運(yùn)行效率，讓設(shè)備處于最佳工作狀態(tài)，對降低空分生產(chǎn)總能耗具有重大的意義。

表1 空分機(jī)組主要電氣設(shè)備列表

3 主要設(shè)備能耗因素

下面分析空壓機(jī)、冷凍機(jī)、電加熱器等耗電占比較大設(shè)備的能耗因素。

3.1 空壓機(jī)

空壓機(jī)是采用多級壓縮多級冷卻的離心壓縮機(jī)［3］，式(1)是離心式壓縮機(jī)的電耗計(jì)算公式，式中ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀況下空氣密度，ρ=1.293kg/m3；Vk為空壓機(jī)的排氣量，m3/h；R’為氣體常數(shù)，R’=0.278kJ/(kg.K)；T為環(huán)境溫度，K；P2為排氣壓力，MPa；P1為進(jìn)氣壓力，MPa；ηT空壓機(jī)的等溫效率；ηM為空壓機(jī)的機(jī)械效率。

從式中可以看出，空壓機(jī)的電耗跟環(huán)境溫度、進(jìn)氣壓力、排氣壓力、排氣量、等溫效率以及機(jī)械效率有關(guān)［4］。

3.2 冷凍機(jī)

預(yù)冷系統(tǒng)空冷塔先利用冷卻水初步降低空氣溫度，再利用冷凍水二次降溫，通過兩級冷卻使空氣溫度降至規(guī)定值。冷凍機(jī)是保證冷凍水供應(yīng)的關(guān)鍵設(shè)備，一套冷凍機(jī)組配有多臺壓縮機(jī)，運(yùn)行時(shí)啟動的壓縮機(jī)的臺數(shù)直接關(guān)系到空氣預(yù)冷工序的能耗，壓縮機(jī)的啟動跟冷凍水進(jìn)水溫度有關(guān)。

3.3 電加熱器

純化系統(tǒng)有兩臺分子篩吸附器，一臺吸附時(shí)另一臺再生。其一個運(yùn)行周期包括升壓、吸附、降壓、加熱、冷吹五個階段，各階段的運(yùn)行時(shí)長及狀態(tài)切換都由DCS內(nèi)部程序自動控制。

電加熱器是在分子篩再生加熱時(shí)使用，其運(yùn)行功率基本固定，純化工序的能耗主要由加熱器的使用時(shí)間決定，使用時(shí)間越長，所消耗的電能就越多，反之，開啟時(shí)間越短所消耗的電能就越少。

4 節(jié)能措施

從上述分析可知，各設(shè)備的運(yùn)行模式及工藝過程參數(shù)是影響設(shè)備運(yùn)行能源的主要因素，改善設(shè)備運(yùn)行條件、優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)可以有效地降低制氧能耗［5］。

4.1 降低空壓機(jī)能耗措施

理論上降低環(huán)境溫度，提高進(jìn)氣壓力，降低排氣壓力，降低空壓機(jī)排氣量，提高其等溫效率和機(jī)械效率都能降低電能消耗［6］。而環(huán)境溫度為自然條件不可控，機(jī)械效率由設(shè)計(jì)、制造、安裝決定不可調(diào)，所以空壓機(jī)運(yùn)行節(jié)能措施主要從以下4方面開展實(shí)施：

4.1.1 提高進(jìn)口壓力

進(jìn)口壓力主要由進(jìn)口過濾器決定，空氣進(jìn)口過濾器安裝有自動反吹掃裝置，應(yīng)定期點(diǎn)檢，確保該裝置正常運(yùn)行；另外要定期更換過濾器濾芯及外圍濾料，使過濾器的阻力控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

4.1.2 降低排氣壓力

在其他因素不變的情況下，降低空壓機(jī)的排氣壓力，可以有效地降低空壓機(jī)的能耗。以5#空分機(jī)組為例，設(shè)空壓機(jī)進(jìn)氣壓力P1為0.1MPa，若將出口壓力P2由1.1MPa下調(diào)至1.05MPa，其他參數(shù)值不變，則下調(diào)后空壓機(jī)電耗與下調(diào)前電耗之比為ln10.5/ln11，結(jié)果換成百分?jǐn)?shù)為98.06%，即空壓機(jī)出口壓力下調(diào)0.05MPa，電耗可以降低1.94%。

4.1.3 降低排氣量

在正常情況下，排氣量受空分生產(chǎn)的限制不可能進(jìn)行大幅度的調(diào)整，但空分產(chǎn)品有過剩需要減負(fù)荷時(shí)，可以適當(dāng)關(guān)小空壓機(jī)入口導(dǎo)葉降低排氣量來降低電耗，在調(diào)整導(dǎo)葉的過程中，受“喘振區(qū)域”的影響，空氣的調(diào)節(jié)量是有限的。

4.1.4 提高等溫效率

在日常操作中，及時(shí)調(diào)整空氣出各級冷卻器的溫度，確?？諝獾玫匠浞值睦鋮s，使空壓機(jī)處于等溫壓縮，提高空壓機(jī)的等溫效率，降低空壓機(jī)的電耗。

4.2 降低冷凍機(jī)能耗措施

降低冷凍機(jī)進(jìn)水溫度，可以減少啟動壓縮機(jī)的臺數(shù)，從而減少冷凍機(jī)的能耗。

冷凍機(jī)進(jìn)水溫度是水冷塔出水溫度，它由環(huán)境溫度、水冷塔冷卻效率以及冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率等綜合決定，可以從以下兩個方面操作：

（1）增大氮?dú)夂臀鄣M(jìn)水冷塔的流量以提高水冷塔效率。

（2）若夏季氣溫高，可通過調(diào)整冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率，降低循環(huán)水溫度，從而減小水冷塔負(fù)荷。

在生產(chǎn)實(shí)踐中，循環(huán)水溫度在25℃以下時(shí)，4#、5#機(jī)組水冷塔的出水溫度都可以控制在9℃左右，低于冷凍機(jī)溫度設(shè)定值，在滿足空冷塔冷卻要求前提下，可停運(yùn)兩套冷凍機(jī)組。以4#、5#機(jī)組為例，秋冬季可完全停用冷凍機(jī)，每小時(shí)可節(jié)能約406kW。

4.3 降低電加熱器能耗措施

電加熱器的日常運(yùn)行時(shí)長由純化系統(tǒng)的運(yùn)行周期和加熱時(shí)間決定。運(yùn)行周期越長，電加熱器開啟的頻率就越低；加熱時(shí)間越短，電加熱器單次運(yùn)行時(shí)長就越短。在不影響分子篩運(yùn)行安全的前提下，即確保分子篩加熱、冷吹氮?dú)獬隹跍囟确逯颠_(dá)標(biāo)，合理調(diào)整分子篩運(yùn)行參數(shù)，可以有效地降低電加熱器的能耗。

在合理調(diào)整分子篩運(yùn)行參數(shù)后，4#、5#兩套機(jī)組的分子篩電加熱器每天運(yùn)行時(shí)長合計(jì)由原來的15.8h降低至11.3h，能耗降低了28%。

4.4 其他降耗措施

根據(jù)季節(jié)不同調(diào)整設(shè)備運(yùn)行模式也能有效地降低空分生產(chǎn)的能耗。

目前1#循環(huán)水系統(tǒng)中有5臺循環(huán)水泵，3臺小泵（315kW）2臺大泵（355kW）。夏季環(huán)境氣溫高，生產(chǎn)所需循環(huán)冷卻水量大，需運(yùn)行兩臺小泵；秋冬季節(jié)環(huán)境溫度低，對循環(huán)冷卻水量相對要低，運(yùn)行一臺大泵就可以滿足生產(chǎn)需求。通過運(yùn)行模式調(diào)整，1#循環(huán)水系統(tǒng)在秋冬季可以節(jié)約18%的電量。

5 結(jié)論

近年來，通過工藝參數(shù)調(diào)整、技術(shù)改造、設(shè)備運(yùn)行模式改進(jìn)等多種節(jié)能措施的開展，貴冶空分生產(chǎn)的能耗也在逐步改善。貴冶制氧年度綜合電單耗的計(jì)算是空分機(jī)組年度耗電總量與氧氣總產(chǎn)量之比，其中氧氣總產(chǎn)量是各機(jī)組氣氧產(chǎn)量總和以及外銷液體折算成氣氧產(chǎn)量兩項(xiàng)之和，2015年制氧年度綜合電單耗為0.575kWh/Nm3，創(chuàng)歷史最好水平。空分機(jī)組系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備多，是生產(chǎn)中的耗能大戶，在日后工作中，還需不斷探尋節(jié)能降耗新方法，進(jìn)一步挖掘空分設(shè)備的潛力。

［1］陳錦偉. 淺談空氣分離技術(shù)的發(fā)展和改進(jìn)[J]. 化工管理,2015(18):63-64.

［2］林軍. 大型低溫空氣分離裝置工藝流程淺析[J]. 中小企業(yè)管理與科技(上旬刊), 2013(10):302-304.

［3］王學(xué)軍,葛麗玲,譚佳健. 我國離心壓縮機(jī)的發(fā)展歷程及未來技術(shù)發(fā)展方向[J]. 風(fēng)機(jī)技術(shù), 2015, 57(3):65-77.

［4］李新偉. 離心壓縮機(jī)節(jié)能技術(shù)探討[J]. 石油石化節(jié)能, 2014, 4(8):27-28.

［5］王夫龍,劉家海. 優(yōu)化操作降低空分設(shè)備運(yùn)行能耗[J]. 深冷技術(shù),2010(2):18-22.

［6］蔣旭,厲彥忠. 內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備的能耗影響因素研究[J]. 真空與低溫, 2014, 20(5):307-310.