襲鳳君，胥 波，田現(xiàn)德，尚燕平

（萊蕪天元氣體有限公司，山東濟南 271102）

前言

某制氧車間老區(qū)現(xiàn)有4套KDON-21 000/22 000型空分裝置，分別為7#～10#制氧機組，采用常溫分子篩吸附凈化、增壓透平膨脹制冷的全低壓流程。其精餾系統(tǒng)下塔采用篩板塔，上塔、粗氬塔Ⅰ、粗氬塔Ⅱ以及精氬塔均為規(guī)整填料塔。機組分別于2004年、2005年投入使用，至今已連續(xù)運轉(zhuǎn)超過17年，機組效率逐年下降，能耗逐年上升。因此，對現(xiàn)有機組進行技術(shù)優(yōu)化非常有必要。

1 運行現(xiàn)狀

空分塔是進行氧、氮、氬分離的主要設(shè)備，由于長期運行，機組運行單耗逐漸升高，運行工況惡化，其主要表現(xiàn)為以下幾方面。

（1）篩板塔下塔因篩孔直徑的差異，正常運行時阻力高達16.5～19 kPa，調(diào)節(jié)困難，使純氮純度波動較大，變負荷能力較差，易發(fā)生下塔液泛或液漏，進而影響氬系統(tǒng)生產(chǎn)。

（2）塔內(nèi)管道及儀表管路支架因材質(zhì)不同，熱膨脹系數(shù)也不同，導致管路嚴重變形或斷裂，出現(xiàn)泄漏、堵塞等問題，數(shù)據(jù)誤差增大。

（3）由于長時間運行，帶入塔內(nèi)的雜質(zhì)堵塞換熱通道，換熱溫差升高，塔內(nèi)氣體換熱器阻力升高，氧、氮、氬氣體無法正常輸出，塔內(nèi)壓力進一步升高，分離效果降低，產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量無法得到保證。

（4）塔體因多次開、停車，受熱應力的作用，塔體垂直度惡化，不能滿足生產(chǎn)工藝要求。

（5）液氬泵冷卻采用排放冷卻，冷量損失大。氬純度破壞后，進行排液處理，造成產(chǎn)量和冷量損失。

2 改進措施

為優(yōu)化改進空分塔，在進行科學的數(shù)據(jù)分析比較后，結(jié)合實際工藝流程以及國內(nèi)外空分塔優(yōu)化的成功案例，最終確定了最佳的改造及工藝布置方案，該方案可以改善下塔氣液介質(zhì)傳熱傳質(zhì)效果，并提高儀表數(shù)據(jù)采集的準確性。

2.1 篩板塔下塔換型改造

下塔工作原理是以塔內(nèi)的填料或篩板作為氣、液兩相間接觸構(gòu)件的傳質(zhì)設(shè)備，蒸汽上升，液體下流，在填料的表面和空隙內(nèi)充分進行熱質(zhì)交換。

規(guī)整填料下塔有以下優(yōu)點［1］：

（1）與篩板塔相比空隙大，生產(chǎn)能力大，壓降小，持液量小，操作彈性大，幾乎無放大效應，具有很高的傳質(zhì)效率。

（2）可以適應設(shè)計空氣流量70%～120%的流量變化。

（3）在通常情況下其阻力可降低10～15 kPa，進而使空壓機出口壓力下降約10 kPa 左右，減少電能消耗在3%以上。

（4）主塔易于調(diào)整，且運行穩(wěn)定，可以保證純氮純度。

鑒于以上優(yōu)點，將原有的篩板塔下塔更換為不銹鋼孔板波紋規(guī)整填料下塔，改造步驟如下：

（1）拆除原有塔板、漲圈，筒壁內(nèi)表面磨平施工。

（2）裝氣體分布管、下部橫梁、填料支撐格柵；安裝下部25盤填料；安裝下部填料壓圈、分布器、集液盤、收集器、上部填料支承橫梁、支撐格柵；安裝上部25盤填料。

（3）拆除塔內(nèi)平臺；安裝上部填料壓圈、分布器；裝焊主冷下部液氮管，內(nèi)部檢查，封閉人孔管。

2.2 儀表管線優(yōu)化設(shè)計

2.2.1 原有管線敷設(shè)弊端

原有工藝中管道、閥門支架焊接于冷箱壁，采用不銹鋼角鋼、鋼管等。由于管道、塔體與支架材質(zhì)不同，熱膨脹系數(shù)不同，塔體的沉降受到了支架的約束，造成管道變形、拉斷，閥門卡阻等問題。原有管道固定方式見圖1。

圖1 原有管道固定方式

自空分塔至冷箱壁一次閥原有儀表管線中間經(jīng)多次焊接，易造成介質(zhì)泄漏或因焊瘤導致介質(zhì)在流動過程中產(chǎn)生壓降，液體儀表管線U型管段不足，管內(nèi)液體復熱不充分，參數(shù)誤差較大。

原有管線隨塔體布置，固定在管道支架上，由于管線較長，經(jīng)多次開、停車，塔內(nèi)珠光砂的沉降以及空分塔的應力導致管路變形嚴重，輸出參數(shù)變化較大。

2.2.2 改進措施

（1）更換設(shè)置不合理管架

將鋁板焊接在塔體上，利用角鋁、鋁管焊接在鋁板上作為管道支架。改造后，支架與塔體、管路膨脹系數(shù)相同，低溫時產(chǎn)生相同的沉降，有效避免了熱應力對設(shè)備造成的損害。

（2）儀表管線優(yōu)化

塔體至一次閥的管線一次成型，中間無焊接點。增加液體管U 型管段的高度，確保液體復熱完全。制作管束夾子將儀表管線固定在箱壁上，確保介質(zhì)在管內(nèi)流通時不產(chǎn)生泄漏且流通阻力較小，提高數(shù)據(jù)的準確性。更改部分引線不合理的儀表管走向，對距冷箱壁距離過遠的儀表引出點等重新布線。

2.3 換熱器更新

原有換熱器由于使用年限過長，反流氣體攜帶的雜質(zhì)將部分介質(zhì)通道堵塞，同時游離水在集聚過程中凍結(jié)在換熱器翅片上，受冷結(jié)冰膨脹后將隔板漲裂，各通道介質(zhì)混合，導致產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量無法保證。原換熱器存在問題情況見圖2。對換熱器進行更換，減少換熱器阻力，提高分離效果。

圖2 改造前換熱器問題圖

2.4 塔體糾偏

2.4.1 塔體偏離的原因分析

空分塔經(jīng)長期運行，低、常溫開車作業(yè)頻繁，塔內(nèi)溫度變化較大（30 ℃～196 ℃），塔體處于自由狀態(tài)，當受到不同應力時塔體會產(chǎn)生傾斜。

2.4.2 塔體偏離的整改

切斷連接塔體的管路，切開塔體底部連接板，利用千斤頂糾正塔體，塞入墊片，測試合格后進行底部焊接，恢復塔體連接管路。

2.5 氬回流管路及單泵回流技術(shù)的應用

2.5.1 原有設(shè)計工藝

原有工藝設(shè)計中工藝氬經(jīng)粗氬塔后，如含氧量≥10×10-6則全部放空。含氧量合格方可投精氬塔，當粗氬中的氮組分含量≤5×10-6后，則能生產(chǎn)出合格的液氬產(chǎn)品。液氬泵的預冷需打開V712 粗氬放空閥，當連續(xù)排出液體后預冷結(jié)束，期間會造成一定的冷量損失。

2.5.2 不合格液氬二次精餾技術(shù)

利用回流管道，將不合格的液體產(chǎn)品進行二次精餾，當純度合格后關(guān)閉V757 液氬回流閥，開氬產(chǎn)品取出閥，則生產(chǎn)出合格液氬。制氬工藝流程圖見圖3。

圖3 制氬工藝流程圖

2.5.3 單泵回流技術(shù)［2］

改造前制氬系統(tǒng)在氬質(zhì)量不達標時，采用排液處理，浪費冷量。改造后提供的液氬循環(huán)管路使得液體冷卻液排放減少。

改造前，備用液氬泵啟動后，在與另一臺液氬泵短時間并聯(lián)時，由于循環(huán)管道內(nèi)液體流量發(fā)生變化，導致一臺或兩臺液氬泵不打液，造成制氬系統(tǒng)工況波動甚至破壞制氬工況，中斷液氬生產(chǎn)。改造后可避免這種情況。

改造后，因為液體冷卻液排出量減少，避免了液體冷卻液蒸發(fā)時工作區(qū)域含氧量的降低，從而避免了給操作人員帶來的不安全因素。單泵回流改造效果圖見圖4。

圖4 單泵回流改造效果圖

3 應用效果

改造實施后，系統(tǒng)整體運行平穩(wěn)，優(yōu)化效果如下：

（1）精餾塔下塔液空液位、下塔阻力、氬純度波動減小，各項參數(shù)得到了優(yōu)化。下塔阻力由原來的18.5 kPa 降至3.2 kPa，平均氧氣產(chǎn)量從19 200 m3/h增加到21 413 m3/h，平均氬氣產(chǎn)量由550 m3/h 提高至580 m3/h，產(chǎn)品產(chǎn)量及質(zhì)量均得到提升。

（2）制氧機變負荷調(diào)節(jié)能力大大增加，氧氣產(chǎn)量調(diào)整范圍由原來的1 000 m3/h 增至2 500 m3/h，對降低氧氣放散率有著極大的意義。

（3）氬泵回流改造，使得氬系統(tǒng)投運時間縮短，氬塔的操作更加便捷，降低了職工勞動強度。

4 結(jié)束語

KDON-21 000/22 000 型制氧機精餾系統(tǒng)改造項目實施至今，機組運行正常，塔內(nèi)各工況參數(shù)穩(wěn)定，產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量都得到了較大提升，經(jīng)濟效益顯著，對同類機組空分塔的優(yōu)化改進具有較好指導意義。