萬立制氧機組增加氮氣產量實踐

2015-12-04 07:15:26于久明楊宗翰馮志超

鞍鋼技術 2015年4期

于久明，楊宗翰，馮志超

（鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司,遼寧朝陽 122000）

鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司能源動力廠制氧作業區配置3臺萬立制氧機，于2008年由鞍鋼集團氧氣分廠移地改造，2010年10月投產，滿足200萬t鋼產能的需要（含富氧3%）。隨著企業生產規模的發展，生產運行對產品氮氣的需求逐漸趨于穩定，從試生產發展到達產、達效，至2012年鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司2臺制氧機生產氧氣用量基本維持在運行狀態，而氮氣用量增大至正常生產水平時，需3臺制氧機組全部運轉。因此，挖掘工藝環節潛力，減少氮氣消耗，增加制氧機組氮氣產量，才能實現節能降耗、滿足公司生產的需要。

1 10000m3/h制氧機組的現狀

鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司能源動力廠制氧作業區現有3套制氧機組，設備型號分別為KDONAr-11000/11000/320、KDONAr-11000/11000/320、KDON-10000/10000，其中1#和2#制氧機組為分子篩流程，由四川空分設備有限公司制造；3#制氧機組為板式切換流程，由杭州杭氧股份有限公司制造，具體設備產能及平衡表見表1。

表1 設備產能及平衡表（m3·h-1）

從表1可以看出，在鋼產量200萬t情況下，需要3套制氧機組運行滿足公司生產用氧、氮、氬的需要,其中1#制氧機組配備的原料空壓機型號為DH80-21型、功率為54 00 kW，沈陽鼓風機廠制造；2#制氧機組配備的原料空壓機型號為VC11-04型、功率為5900kW，日本神戶制造；3#制氧機組配備的原料空壓機型號為DH80型、功率為54 00 kW，沈陽鼓風機廠制造；而如果僅啟動1#、2#兩套制氧機組運行，則氧氣、氬氣均可滿足需求，而氮氣量存在缺口，實際按照分子篩流程進行計算，氧、氮產量比可達1∶2.5，造成實際送出產量不足的原因是1#和2#制氧機組產品氮氣一路送入氮壓機提壓，輸送給用戶，而另一路產品氮氣需與污氮共同進入水冷塔，降低冷卻水溫度，以使空氣進入分子篩的空氣溫度≤15.5℃，利于分子篩吸附空氣中的二氧化碳、乙炔、碳氫化合物，水份等，確保空分塔精餾的安全性。

2 制氧機組增加氮氣產量可行性分析

雖然在全國其他鋼鐵企業中，提高氮氣產量的方法已有先例，但是，鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司能源動力廠要進行改造仍需結合自身生產實際情況。

依據公司生產用能的需要，考慮到降低成本、達到節能、降耗的目的，啟動二套制氧機組氮氣不夠，就要通過對空氣預冷系統改造，將此環節中的氮氣替換出來，用于外送。而冷卻常溫水的原料氣來自空分的部分污氮氣體，其流量為12 000 m3/h、壓力為16.5 kPa（其余污氮應用于分子篩再生和冷箱充氣)和部分產品氮氣，其流量為11 000 m3/h、壓力為16.8 kPa。空氣預冷系統簡易流程圖見圖1所示。

圖1中空分產品氮氣與污氮主要作為冷卻常溫水的原料氣，使來水溫度降低到≤15.5℃。如果把這部分氮氣替換出來，就會影響水溫的變化，導致空氣進入分子篩溫度升高，尤其在夏季環境溫度偏高時，這種現象更為嚴重，使分子篩吸附效果降低，不利于空分塔精餾的安全性。

分子篩流程中，空氣自空壓機Φ630 mm×6 mm管道進入空冷塔AT1101，先同常溫水進行換熱冷卻，由外部供水，經常溫泵1#環水泵（2#環水泵）提壓，流量為125 m3/h，經過塔內的氣液逆流接觸換熱，空氣為減濕降溫過程，傳熱方向均由空氣傳給水；冷卻后再經過低溫泵1#冷水泵（2#冷水泵），流量為30 m3/h，進行二次冷卻，而水的出塔溫度將可能高于進塔空氣露點，塔底的傳質是由水傳給空氣，而塔頂的傳質是由空氣傳給水，故在全塔內傳質方向是不同的。在改變傳質方向的塔截面處，水溫將等于空氣露點,空氣溫度降低≤15.5℃，送入分子篩純化系統進行凈化，而僅通過常溫水無法冷卻至此溫度。空氣進入空冷塔要增加水冷塔，使用氮氣及污氮將常溫水冷卻為低溫水，對水冷塔而言，當未飽和的冷污氮從塔底進入，與塔頂加入的熱水逆流接觸時，污氮在塔內被加熱增濕，水在塔內被冷卻。在塔頂，污氮被加熱的極限是進塔水表面的飽和濕污氮狀態。實際上，由于存在傳遞阻力，污氮出塔溫度將低于進塔水溫，故進塔水的溫度與其表面上的飽和濕度必然大于出塔污氮的溫度和濕度。于是塔頂的傳熱和傳質都是從水傳給污氮。在塔底，水被冷卻的極限是污氮進塔狀態下的濕球溫度，而實際出塔水溫要高于濕球溫度。但因進塔污氮是未飽和的，濕球溫度低于污氮溫度，故出塔水溫將有可能低于進塔污氮溫度。在此情況下，塔底的傳熱由污氮傳給水，而傳質仍然是水傳給污氮。從而可知在全塔內，傳質方向都是由水傳給污氮，故污氮在塔內是增濕過程；而傳熱方向是不同的，在塔內某一截面處改變傳熱方向，此處的污氮溫度等于水溫，但在全塔內仍是冷卻過程。這樣產生低溫水，再使用低溫水冷卻空冷塔空氣，使之達到工藝要求。

綜合分析論證，如果分離出這部分氮氣，最有效的方法就是考慮增設水冷機組冷卻經污氮冷卻的低溫水，使之達到設計要求。經論證分析，該方案具備實施可行性，因此還需結合鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司實際生產參數，經計算進行進一步論證。

3 方案計算

3.1 空氣預冷系統參數

空氣預冷系統參數見表2所示。

表2 空氣預冷系統參數

3.2 熱力計算

（1）冷凝熱計算

干空氣質量流量為：

式中，G1為加工空氣量，G1=59 000 m3/h。

冷凝水量為：

式中，△H為出水冷塔下段空氣與出空冷塔空氣含濕量差值，△H=0.011 kgH2O/kg

冷凝熱為：

式中，γ0為水汽化潛熱，γ0=2 498.3 kJ/kgH2O。

上段空氣顯熱計算如下：

顯熱即空冷塔中水直接換熱帶走的熱量。

上段濕空氣的平均溫度為：

式中，t2a為空氣出空冷塔下段的溫度，℃，t2a=t7+1.5=30.5℃，t7為冷卻水上水溫度，為29℃；t3為空冷塔出口溫度，t3=15.5℃。

濕空氣比熱為：

式中，H為tas溫度下空氣含濕量，H=0.015 kgH2O/kg

空氣出空冷塔下段的溫度為：

顯熱為：

熱負荷（空冷塔上段總熱量）為：

（2）水冷機組測算

上段水溫升為：

即冷凍水進空冷塔水溫為:

式中，t15為空冷塔中段冷凝水回水溫度，為23℃；c為水的比熱容，c=4.2 kJ/（kg·℃）；m為冷凍水進空冷塔水量的質量，m=30 000 kg。

因此，為滿足空冷塔內空氣溫降，水冷塔中水將由29℃降至13.7℃釋放熱量。

在不使用水冷機組情況下，

式中，Qw與空冷塔上段空氣顯熱在將去水冷塔氮氣分離出之后，水冷塔再生氣量降至12 000 m3/h，則：

式中，G4為水冷塔氮氣、污氮總量，為23 000 m3/h。

水出水冷塔溫度為：

因此，需要水冷機組將溫度降至13.7℃，水冷機組制冷量至少為921 991 kJ，即需要256.1 kW的水冷機組。

鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司通過實施改造，經污氮冷卻的低溫水在經過水冷機組冷卻后能夠達到工藝需求；低溫水在空冷塔充分熱交換，最終使空氣進入分子篩溫度≤15.5℃，確保了生產工藝的需要。

4 制氧機組增加氮氣產量的措施及效益

4.1 增氮措施

通過對空氣預冷系統替換氮氣分析確定，該方案滿足公司生產氮氣供給。結合水冷塔本身的流程，綜合考慮決定，在1#和2#制氧機組空氣預冷系統的1#冷水泵、2#冷水泵出口管道增設水冷機組，確保水冷塔水溫進入空冷塔達到≤15.5℃，改造后空氣預冷系統流程示意圖見圖2。圖2中虛線框為新增水冷機組。經過夏季實際檢驗，完全滿足工藝環節的需要，從而使氮氣全部替換出來，因此啟動二套制氧機組可滿足公司生產用能的需要。

每臺制氧機組氮氣設計壓力為16.8 kPa，流量為11 000 m3/h，將去水冷塔的氮氣分離出來，氮氣產量達到22 000 m3/h。由于氮氣產量增加，產品氮氣并網管道閥門由原來的DN250閥門改為DN400閥門,使增加的氮氣產量全部送入管網，并利用產品壓縮機提壓將氮氣輸送給用戶。

空氣預冷系統替換氮氣改造前與改造后產能對比見表3所示。