冶金動(dòng)力16METALLURGICAL POWER制氧鋼鐵企業(yè)深冷法大型空分氧氣升壓方法的合理選用楊涌源(武漢鋼鐵設(shè)計(jì)研究院上海分院,上海201900【摘要】探討了大型空分的氧氣升壓的三種方式,重點(diǎn)分析了液氧泵內(nèi)壓縮流程及其優(yōu)缺點(diǎn),通過比較內(nèi)壓縮流程和外壓縮流程提出了兩種流程的合理選用方案?！娟P(guān)鍵詞】氧氣升壓流程優(yōu)選【中圖分類號(hào)】TB654【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B【文章編號(hào)】1006-6764(2004)03-0016-04Reasonable Selection of Oxygen Pressure Rising Methods of Large AirSeparation Devices Using the Deep Cooling Method for iron steel EnterprisesYANG YongyuanShanghai Branch Institute, Wuhan Institute of Iron Steel Designing Research, Shanghai 201900, China)(Abstract] The three methods for oxygen pressure rising of large air separation devicesare discussed, and the internal compression process for liquid pump and its advantages and shortcomings are analyzed in detail. Based of the internal compression process and external compresion process, the reasonable selection plans of the two processes are put forward(Key words l oxygen pressure rising; process; optimization1前言弄清問題,因時(shí)因地制定方案,以求得投資與能耗隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,大型空分的氧氣升壓已的最佳結(jié)合點(diǎn)這對(duì)于制造廠和用戶都是有益的。有多種方式可供選擇。這幾種方式的投資成本和能2三種氧氣升壓方法耗也在不斷變化中,特別是近3~5年,液氧內(nèi)壓縮為了滿足用戶的壓力要求,鋼鐵廠氧氣升壓通流程的工藝和設(shè)備得到了較快的發(fā)展,除了在用氧常有三種方法壓力較高(6~8MPa)的化工企業(yè)普遍使用外在中2.1氧壓機(jī)外壓縮流程等用氧壓力(3MPa)的鋼鐵企業(yè)也得到了推廣。國氧壓機(jī)外壓縮流程見圖內(nèi)寶鋼、鞍鋼、馬鋼、本鋼等在引進(jìn)的60000、35000、3.0 MPa43000、20000m3O2/h機(jī)組中采用了液氧泵內(nèi)壓縮工藝,從2000年5月到2003年5月由開封和杭氧制造供鋼鐵企業(yè)的10000~20000m302/h機(jī)組中內(nèi)壓縮流程的套數(shù)也有16套之多,遍布全國15個(gè)中型鋼鐵廠,約占同期鋼鐵廠建設(shè)制氧機(jī)總數(shù)的25%。這一趨勢是否合理是否符合我國國情中等預(yù)冷純化系‖中網(wǎng)用氧壓力的鋼鐵企業(yè)在什么情況下采用內(nèi)壓縮流程較合理,這些問題引起了人們的思考,在鋼鐵和空分行業(yè)內(nèi)部,出現(xiàn)了一些不同的看法。一些經(jīng)驗(yàn)豐富的大型鋼鐵企業(yè),在最近引進(jìn)的特大型空分中圖1氧壓機(jī)外壓縮流程仍然堅(jiān)持氧壓機(jī)流程并提出了分析論證數(shù)據(jù)。對(duì)這從冷箱出來的低壓氧氣(約20kPa)經(jīng)透平氧現(xiàn)象的思考與討論有利于弄清問題,獨(dú)立思考,壓機(jī)升壓到2.5~3.0MPa,經(jīng)貯罐送用戶,這是我總Q第3期冶金動(dòng)力METALLURGICAL POWER國大部分鋼鐵廠目前采用的流程。有時(shí)設(shè)置輔助冷從圖2可見,內(nèi)壓縮流程與氧壓機(jī)流程相比,凝蒸發(fā)器,利用主冷液氧的靜壓,提高出冷箱的氧是用增壓機(jī)和液氧泵代替了氧壓機(jī),同時(shí)提高了主氣壓力至50~100kPa,以減少氧壓機(jī)的壓縮比、能換熱器的工作壓力。耗和投資。但仍屬于氧壓機(jī)流程,它在我國幾個(gè)大2.3液氧泵+氧壓機(jī)流程又稱部分液氧泵流程)鋼鐵廠的引進(jìn)設(shè)備上被采用。即用液氧泵和氧壓機(jī)串聯(lián)把氧氣升壓到2.5液氧泵內(nèi)壓縮流程3.0MPa的流程。由圖4可見它既有外壓縮流程的液氧泵內(nèi)壓縮流程見圖2、圖3。氧壓機(jī),又有內(nèi)壓縮的增壓機(jī)和液氧泵。只是增壓液氧由主冷經(jīng)液氧泵加壓到2.5~3.0MPa經(jīng)機(jī)、氧壓機(jī)、液氧泵的壓縮比都較上述兩種流程小主換熱器與逆流的中壓空氣(或中壓循環(huán)氮?dú)?換它是希望憑借液氧泵和氧壓機(jī)的最佳結(jié)合求得最熱汽化后經(jīng)貯罐送至用戶。佳的性能價(jià)格比。為了得到使液氧加熱汽化的中壓空氣,需要設(shè)3.0 MPa置增壓機(jī),如采用氮?dú)庋h(huán)復(fù)熱液氧,則需設(shè)置循環(huán)氮壓機(jī),由于氮?dú)獗瓤諝饫淠郎囟鹊?汽化潛熱小,故循環(huán)氮壓機(jī)的流量和壓力要高于空氣增壓機(jī)Jll的流量和壓力,其吸入壓力也低于增壓機(jī),使其能耗高于增壓機(jī)10%以上。它僅適合于有高壓氮用戶的場合,這樣可以合用一臺(tái)氮壓機(jī)(如圖3)循環(huán)氮?dú)獠粎⑴c精餾,僅用于吸收和傳遞冷量。對(duì)于鋼鐵預(yù)冷純化系企業(yè)的內(nèi)壓縮流程普遍采用的是帶空氣增壓機(jī)的內(nèi)壓縮流程。3.0 MPa圖4液氧泵+氟壓機(jī)流程三種氧氣升壓方法中,能耗最低的是氧壓機(jī)外壓縮流程,液氧泵流程次之,部分液氧泵流程最高。只當(dāng)氧氣終壓大于3.5MPa時(shí),部分液氧泵流程能耗才低于液氧泵內(nèi)壓縮流程,但仍高于氧壓機(jī)外壓縮流程。設(shè)備投資方面,在國外液氧泵流程最預(yù)冷純化系統(tǒng)省氧壓機(jī)流程次之部分液氧泵流程最高。如采用TC國內(nèi)設(shè)備情況將有所改變這將在下面進(jìn)行討論部分液氧泵流程工藝復(fù)雜、設(shè)備多、投資大,在氧氣壓力小于3.5MPa時(shí)能耗最高,不適用于鋼鐵圖2帶空氣增壓機(jī)的液氧泵內(nèi)壓縮流程企業(yè)本文將不予討論3液氧泵內(nèi)壓縮流程及其優(yōu)缺點(diǎn)空氣一D四氧壓機(jī)流程大家比較熟悉,液氧泵內(nèi)壓縮流程壓力氮以前多用于化工企業(yè),故又稱化工型流程。這是因力氧為化工企業(yè)氧氣壓力高(6~8MPa),用氧壓機(jī)操作低壓氮不安全所致。這幾年來由于流程組織的改進(jìn),內(nèi)壓縮流程的提取率升高,使其在單位能耗上與氧壓機(jī)流程的差距得以縮小。加上設(shè)備投資低于氧壓機(jī)流程(國外),設(shè)備操作的安全性好,又可以生產(chǎn)較多的液體產(chǎn)品故發(fā)展較快。除化工企業(yè)外也在條件適合的鋼鐵企業(yè)使用,以下對(duì)其能耗、安全性、價(jià)格、液體圖3帶循環(huán)氮壓機(jī)的液氧泵內(nèi)壓縮流程產(chǎn)品產(chǎn)量、氧、氬提取率和操作維修幾個(gè)方面進(jìn)行冶金動(dòng)力METALLURGICAL POWER分析kW,寶鋼60000m3/h內(nèi)壓縮流程總能耗為404563.1能耗kW,比同樣條件的外壓縮流程高6.5%,這一數(shù)據(jù)為使加壓液氧汽化并回收其低溫冷量必須要與寶鋼60000m3/h林德的內(nèi)壓縮與APCI的外壓有一股逆向流動(dòng)的壓縮空氣與之換熱。為了保證主縮比較結(jié)果相近。參考圖6的5.9%數(shù)據(jù)筆者以為換熱器中部最小溫差,與之換熱的壓縮空氣的流量就目前的工藝水平和壓縮機(jī)的效率情況,在考慮了和壓力都要高于液氧的流量和壓力,也就是說中壓增壓機(jī)和氧壓機(jī)效率差諸因素之后,內(nèi)壓縮流程的空氣的壓力是由主換熱器中最小溫差決定的。中壓能耗仍然高于外壓縮約6%~6.5%?？諝獾牧髁亢蛪毫Υ嬖谥罴哑ヅ?此時(shí)能耗最內(nèi)壓縮流程總功耗Pa2=常數(shù)73低。提高中壓空氣的流量和壓力都可以提高主換熱220器中的最小溫差。圖5表示最低能耗時(shí)不同壓力的222002200070液氧汽化所要求的最佳空氣壓力。由圖5可見,在2180069壓力2.5~3MPa范圍內(nèi)中壓空氣壓力是氧氣壓力21600的2.2~2.1倍這就是內(nèi)壓縮能耗高的原因。雖然2140021200增壓機(jī)的效率高于氧壓機(jī),但只能縮小能耗的差21000外壓縮流程總功耗距改變不了總的結(jié)果208001.61.82.02.22.42.62.83.03.2氧壓儲(chǔ)罐壓力/MPa7圖633250m3/h空分設(shè)備內(nèi)、外壓縮流程之功耗比較3.2安全應(yīng)該說,外壓縮流程和內(nèi)壓縮流程都是安全的,內(nèi)壓縮流程因其流程特點(diǎn)安全性顯得更好2些。這是因?yàn)?1)液氧泵比氧壓機(jī)著火的可能性更低:氧壓/MPa(2)液氧泵比氧壓機(jī)備用率高;圖5不同壓力的液氧汽化所要求的最佳空氣壓力3)主冷和主換熱器碳?xì)浠衔锓e聚的可能性內(nèi)壓縮流程的能耗高于氧壓機(jī)流程,這一點(diǎn)已更小。被公認(rèn)。至于高幾個(gè)百分點(diǎn)各家說法不一,從2%其中(3),外壓縮流程可以通過設(shè)置循環(huán)吸附器11%不等,因?yàn)樗粏闻c增壓空氣的流量和壓力或定量液氧排放達(dá)到。有關(guān),還決定于流程組織和氧壓機(jī)、增壓機(jī)的效3.3價(jià)格率。只有當(dāng)同一廠商為同一產(chǎn)品規(guī)格在同樣的自然在國外,內(nèi)壓縮設(shè)備投資低于外壓縮流程,這條件下選用同一廠家的壓縮機(jī)時(shí),兩種流程的能耗是因?yàn)閲庋鯄簷C(jī)價(jià)格昂貴,使得增壓機(jī)加液氧泵比較才接近真實(shí)。如參數(shù)文獻(xiàn)[Ⅰ提到的林德為的價(jià)格低于氧壓杋旳價(jià)格。而膨脹杋與換熱器價(jià)格33250m3h空分設(shè)備所做的兩種能耗比較圖〔圖兩種流程相差不大。兩種流程的價(jià)格差只能采用同6)在3kPa時(shí)內(nèi)壓縮流程總功率為22400kW外廠商為同一項(xiàng)目提供的同樣裝備水平的兩種流壓縮流程為21150kW內(nèi)壓縮的能耗高5.9%。筆程價(jià)格差,不能采用在不同項(xiàng)目上的報(bào)價(jià),后者往者還就林德提供的寶鋼60000~m°h內(nèi)壓縮流程和往摻雜有各種商業(yè)目的,而難以反映真實(shí)情況。據(jù)武鋼60000m3h氧壓機(jī)流程的能耗進(jìn)行了詳細(xì)的資料分析國外內(nèi)壓縮流程較之外壓縮流程價(jià)格低比較。60000m/h內(nèi)壓縮流程能耗按寶鋼數(shù)據(jù),3%~4%。如由國內(nèi)廠商成套對(duì)于15000m3/h~60000m3/h外壓縮流程能耗在武鋼數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,30000m3h的空分,按目前大多數(shù)用戶的要求,即換算成與寶鋼六萬產(chǎn)品的規(guī)格,水溫、氣溫條件一氧壓機(jī)國內(nèi)供貨,空壓機(jī)、增壓機(jī)、液體泵國外采致即將40000m3/h中壓氮?dú)獬隹趬毫τ?.IMPa購,則情況發(fā)生了變化,由于增壓機(jī)加液氧泵的價(jià)修正到0.8MPa3.0Ma高壓氮?dú)庥?0000m3/h格高于氧壓機(jī),使內(nèi)壓縮流程投資高于外壓縮流程修正到24000m3/h空壓機(jī)能耗按32℃水溫和蘇約10%~12%爾壽的效率進(jìn)行了修正,修正后的總能耗為379913.4液體產(chǎn)品產(chǎn)量總Q第3期冶金動(dòng)力METALLURGICAL POWER氧壓機(jī)流程的膨脹空氣進(jìn)上塔,當(dāng)液體產(chǎn)品增率較高,而 Linde和 Praxair認(rèn)為內(nèi)壓縮的氬提取率加到某一數(shù)值后,上塔不能吸納增加的膨脹量,這較高。國內(nèi)主要空分廠商兩種流程的氬提取率相部分的膨脹空氣必須旁通入污氮管道不參與精餾,近。寶鋼 Linde的60000m3/h和揚(yáng)子石化20000從而使氧提取率下降。故這種流程的液體產(chǎn)品m/h內(nèi)壓縮空分的氬提取率為85%和89%。因此(LOX、LON、LAr)產(chǎn)量通常取氧氣產(chǎn)量的5%,最大可以認(rèn)為兩種流程的氧與氬的提取率相當(dāng)。為8%。開二臺(tái)膨脹機(jī)時(shí)可達(dá)13%~15%但提取率3.6操作與維護(hù)下降。內(nèi)壓縮流程的增壓膨脹空氣液化后進(jìn)下塔參氧壓機(jī)的操作與增壓機(jī)加液氧泵的操作工作與精餾不存在旁通問題。故在膨脹機(jī)足夠大時(shí)可量與難易程度相當(dāng)。氧壓杋流程的空分操作不受氧以得到較大的液體產(chǎn)量。如揚(yáng)子石化20000m3/h壓機(jī)出口壓力影響,而內(nèi)壓縮流程的空分工況直接內(nèi)壓縮空分的液體產(chǎn)量在設(shè)計(jì)工況時(shí)為氣氧產(chǎn)量與氧氣管網(wǎng)的壓力有關(guān),再者當(dāng)氧氣過剩時(shí),前者的33%。放散的是低壓氧氣,后者放散的是泵后的中壓氧3.5氧與氬的提取率氣。設(shè)備維護(hù)方面氧壓機(jī)因精度和安全要求高故兩種流程氧提取率的數(shù)值相近,都可以達(dá)到維護(hù)工作量大于増壓機(jī)加液氧泵的內(nèi)壓縮流程%~99%,關(guān)于氬提取率,世界主要空分廠商的4內(nèi)壓縮流程和外壓縮流程的比較看法不一。APCI和法液空認(rèn)為氧壓機(jī)流程的氬提取兩種流程的比較分析結(jié)果見表1。表1內(nèi)壓縮流程與外壓縮流程的比較項(xiàng)目內(nèi)壓縮流程外壓縮流程備注能耗約106%100%安全性壓氧系統(tǒng)和主冷凝器安全次之價(jià)格:國外設(shè)備96%-97100%空壓機(jī)、增壓機(jī)、液氧泵引進(jìn)110%~1液體產(chǎn)品占氧氣產(chǎn)量的百分比可達(dá)30%~40%5%~8%開兩臺(tái)膨脹機(jī)時(shí)外縮流程可達(dá)13%~15%氧提取率氬提取率80%-89%工藝流程較復(fù)雜簡單操作方便性內(nèi)壓縮流程空分操作受供氧壓力變化的影響維護(hù)工作量大氧壓機(jī)維護(hù)工作量大于增壓機(jī)加液氧泵占地相近相近如增壓機(jī)和空壓機(jī)合為一體則內(nèi)壓縮占地小5兩種流程的合理選用可節(jié)省投資與能源。仼何工藝方案的選用都需經(jīng)過方案比較決定5.2鋼鐵企業(yè)引進(jìn)大型空分時(shí),應(yīng)對(duì)兩種流程進(jìn)取舍。方案比較時(shí)普遍遵循的原則是行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。是否采用內(nèi)壓縮流程,應(yīng)比較節(jié)(1)安全、可靠、環(huán)保;省投資額和每年能源消耗增加的費(fèi)用。如外壓縮節(jié)(2)節(jié)省投資與能源省的能耗節(jié)省使其增加的投資可在5年之內(nèi)回收3)因地制宜仍可采用外壓縮流程。如回收年限大于5年,可考由以上分析可見內(nèi)壓縮流程與外壓縮流程都慮采用內(nèi)壓縮流程。很成熟,操作上也都是安全、可靠的,都能滿足安5.3當(dāng)鋼鐵企業(yè)有較多的液體需求,或有多種供全、可靠、環(huán)保的原則。由于工藝流程不同,只在投氧壓力,或出現(xiàn)遠(yuǎn)大于3.0MPa的供氧壓力,或在資、能耗、安全、操作、維護(hù)等方面存在程度上的差電價(jià)低廉的場合……遇到這些情況,無論國產(chǎn)或異。在液體產(chǎn)品的產(chǎn)量方面上差異更大些。引進(jìn)設(shè)備都可考慮采用內(nèi)壓縮流程根據(jù)2和3項(xiàng)的分析結(jié)果以及節(jié)省投資、能源5.4我國目前的電價(jià)水平和機(jī)械設(shè)備配套能力和因地制宜的原則筆者提出以下看法內(nèi)壓縮流程僅適合于用氧壓力超過臨界壓力(5.135.1鋼鐵企業(yè)選用國內(nèi)配套空分時(shí),目前情況應(yīng)kPa的化工企業(yè)和需要液體產(chǎn)品較多的場合。選用外壓縮流程。這樣既符合安全、可靠、環(huán)保,又(下轉(zhuǎn)第23頁)總Q第3期冶金動(dòng)力METALLURGICAL POWER5.17若液氬中含氮量高,可開大V751,通過調(diào)節(jié)們認(rèn)為3.0MPa級(jí)的膨脹機(jī)我們國內(nèi)完全可以過廢氣放空量來降低,若液氬中含氧量高,可通過調(diào)關(guān)進(jìn)一步改進(jìn)會(huì)更好整Ⅴ6開度或調(diào)整粗氬塔工況來保證。6.5采用增壓機(jī)中抽進(jìn)膨脹機(jī)的流程,希望在二5.18分子篩充壓、泄壓時(shí)一定要緩慢,不能產(chǎn)生者之間的工藝管道上加裝緊急放散閥和膨脹機(jī)增壓力波動(dòng)。壓端回流閥〔也是調(diào)速閥)聯(lián)動(dòng),以確保膨脹機(jī)事故6存在的問題和有待改進(jìn)的方面停車時(shí)不會(huì)波及增壓機(jī)停車6.1由于開車調(diào)試階段頻繁開停車和8個(gè)月的運(yùn)6.6儀控系統(tǒng)的變送器最好選用進(jìn)口產(chǎn)品,在自行,空壓機(jī)已偏離性能曲線44次,分子篩切換時(shí)因動(dòng)化程度高的情況下尤其重要。變送器輸出信號(hào)不受溫度的改變,空壓機(jī)排氣量控制不好,近期經(jīng)庫穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致各種事故。有一次膨脹機(jī)自動(dòng)停車查了帕公司售后服務(wù)的工程師逐一將44次偏離記錄刪好長時(shí)間才找出原因,就是因?yàn)橛蛪旱淖兯推鬏敵龀諌簷C(jī)又恢復(fù)了最佳性能曲線運(yùn)行。信號(hào)波動(dòng),瞬間低于油壓停車值而接通停車信號(hào)6.2冷水機(jī)組對(duì)水質(zhì)要求太苛刻,造成蒸發(fā)器壓導(dǎo)致膨脹機(jī)進(jìn)口閥緊急切斷,回流閥全打開,造成力低而頻繁自停被迫清洗。而工藝管道又無旁通,膨脹機(jī)停車的事故。形成要想檢修冷水機(jī)組就必須全停氮水預(yù)冷系統(tǒng)7結(jié)束語的狀況,后來我們利用停機(jī)時(shí)間自行加裝了旁通水青鋼的這套內(nèi)壓縮流程的萬立制氧機(jī)經(jīng)過8管將冷水機(jī)組短路個(gè)月的運(yùn)行實(shí)踐證明是成功的。2002年11月由開6.3冷水機(jī)組擔(dān)負(fù)著膨脹機(jī)后冷卻器的冷卻和空封空分集團(tuán)有限公司在青島召開的″空分新技術(shù)研冷塔的部分冷卻仼努,造成裝機(jī)容量太大討會(huì)"上與會(huì)專家一致給予好評(píng)。結(jié)論是青鋼這套450RT)青鋼下一套1.5萬制氧機(jī)在流程上已取制氧機(jī)在工藝流程組織、熱力及精餾計(jì)算、單體設(shè)消了冷水機(jī)組去膨脹機(jī)后冷卻器這一路,而改由公備設(shè)計(jì)、全精餾制氬、氧氬產(chǎn)品提取率、能耗指標(biāo)等共循環(huán)水冷卻,冷水機(jī)組因此負(fù)荷可減少而采用小方面達(dá)到或接近國際內(nèi)壓縮流程的先進(jìn)水平。機(jī)型(約160RT)。收稿日期:003-12-056.4膨脹機(jī)的絕熱和潤滑以及推力的平衡還需進(jìn)作者簡介:史作詢(1951-)男,1970年畢業(yè)于南京工學(xué)院(東南大一步研究和改進(jìn),青鋼的萬立制氧機(jī)開車所遇到的力工程系工業(yè)熱工(制氧)專業(yè)高級(jí)工程師現(xiàn)從事氧氣廠生困難就是膨脹機(jī)。當(dāng)然經(jīng)過了這些事件和磨難我產(chǎn)管理工作。(上接第19頁)工業(yè)氣體1999年論文集,1999.1565.5隨著精餾組織和換熱器設(shè)計(jì)的改進(jìn),內(nèi)壓縮31楊紹軍,大型空分兩種典型工藝流程C1.工業(yè)氣體199論和外壓縮的能耗差距還會(huì)進(jìn)一步縮小,同時(shí)隨著大文集,19916型空分空壓機(jī)、增壓機(jī)國產(chǎn)化率的提高,國內(nèi)配套4]馬大方.武鋼60000m3/h制氧機(jī)空分流程與主冷型式選擇C].氣體分離科技網(wǎng)第十三次全網(wǎng)大會(huì)論文集,2003.37的內(nèi)壓縮流程價(jià)格將會(huì)逐漸接近或低于外壓縮流51倪劍剛.內(nèi)壓縮還是外壓縮—對(duì)如何選擇大型空分設(shè)備的程。這就是說內(nèi)壓縮流程具有旺盛的生命力,隨著些看法[C].氣體分離科技網(wǎng)第十三次全網(wǎng)大會(huì)論文集情況的不斷變化,內(nèi)壓縮流程將來仍有可能在鋼鐵2003.96企業(yè)得以推廣。I6]袁力.20000m3/h空分設(shè)備內(nèi)壓縮流程特點(diǎn)介紹[J.深冷技術(shù)19986參考文獻(xiàn)收稿日期2003-11-20I江楚標(biāo),陳明敏.內(nèi)壓縮流程與常規(guī)流程的比較[C.大型空分作者簡介楊涌源(1939-)男,1963年畢業(yè)于浙江大學(xué)化工系,總新技術(shù)交流會(huì)論文集999.36I2]計(jì)虎掌.大型液氧內(nèi)壓縮中壓空分流程主要參數(shù)分析計(jì)算[C1設(shè)計(jì)師教授級(jí)高工現(xiàn)從事鋼鐵設(shè)計(jì)研究工作