钢铁企业深冷法大型空分氧气升压方法的合理选用

冶金动力16METALLURGICAL POWER制氧钢铁企业深冷法大型空分氧气升压方法的合理选用杨涌源(武汉钢铁设计研究院上海分院,上海201900【摘要】探讨了大型空分的氧气升压的三种方式,重点分析了液氧泵内压缩流程及其优缺点,通过比较内压缩流程和外压缩流程提出了两种流程的合理选用方案。【关键词】氧气升压流程优选【中图分类号】TB654【文献标识码】B【文章编号】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前言弄清问题,因时因地制定方案,以求得投资与能耗随着技术的不断发展,大型空分的氧气升压已的最佳结合点这对于制造厂和用户都是有益的。有多种方式可供选择。这几种方式的投资成本和能2三种氧气升压方法耗也在不断变化中,特别是近3~5年,液氧内压缩为了满足用户的压力要求,钢铁厂氧气升压通流程的工艺和设备得到了较快的发展,除了在用氧常有三种方法压力较高(6~8MPa)的化工企业普遍使用外在中2.1氧压机外压缩流程等用氧压力(3MPa)的钢铁企业也得到了推广。国氧压机外压缩流程见图内宝钢、鞍钢、马钢、本钢等在引进的60000、35000、3.0 MPa43000、20000m3O2/h机组中采用了液氧泵内压缩工艺,从2000年5月到2003年5月由开封和杭氧制造供钢铁企业的10000~20000m302/h机组中内压缩流程的套数也有16套之多,遍布全国15个中型钢铁厂,约占同期钢铁厂建设制氧机总数的25%。这一趋势是否合理是否符合我国国情中等预冷纯化系‖中网用氧压力的钢铁企业在什么情况下采用内压缩流程较合理,这些问题引起了人们的思考,在钢铁和空分行业内部,出现了一些不同的看法。一些经验丰富的大型钢铁企业,在最近引进的特大型空分中图1氧压机外压缩流程仍然坚持氧压机流程并提出了分析论证数据。对这从冷箱出来的低压氧气(约20kPa)经透平氧现象的思考与讨论有利于弄清问题,独立思考,压机升压到2.5~3.0MPa,经贮罐送用户,这是我总Q第3期冶金动力METALLURGICAL POWER国大部分钢铁厂目前采用的流程。有时设置辅助冷从图2可见,内压缩流程与氧压机流程相比,凝蒸发器,利用主冷液氧的静压,提高出冷箱的氧是用增压机和液氧泵代替了氧压机,同时提高了主气压力至50~100kPa,以减少氧压机的压缩比、能换热器的工作压力。耗和投资。但仍属于氧压机流程,它在我国几个大2.3液氧泵+氧压机流程又称部分液氧泵流程)钢铁厂的引进设备上被采用。即用液氧泵和氧压机串联把氧气升压到2.5液氧泵内压缩流程3.0MPa的流程。由图4可见它既有外压缩流程的液氧泵内压缩流程见图2、图3。氧压机,又有内压缩的增压机和液氧泵。只是增压液氧由主冷经液氧泵加压到2.5~3.0MPa经机、氧压机、液氧泵的压缩比都较上述两种流程小主换热器与逆流的中压空气(或中压循环氮气)换它是希望凭借液氧泵和氧压机的最佳结合求得最热汽化后经贮罐送至用户。佳的性能价格比。为了得到使液氧加热汽化的中压空气,需要设3.0 MPa置增压机,如采用氮气循环复热液氧,则需设置循环氮压机,由于氮气比空气冷凝温度低,汽化潜热小,故循环氮压机的流量和压力要高于空气增压机Jll的流量和压力,其吸入压力也低于增压机,使其能耗高于增压机10%以上。它仅适合于有高压氮用户的场合,这样可以合用一台氮压机(如图3)循环氮气不参与精馏,仅用于吸收和传递冷量。对于钢铁预冷纯化系企业的内压缩流程普遍采用的是带空气增压机的内压缩流程。3.0 MPa图4液氧泵+氟压机流程三种氧气升压方法中,能耗最低的是氧压机外压缩流程,液氧泵流程次之,部分液氧泵流程最高。只当氧气终压大于3.5MPa时,部分液氧泵流程能耗才低于液氧泵内压缩流程,但仍高于氧压机外压缩流程。设备投资方面,在国外液氧泵流程最预冷纯化系統省氧压机流程次之部分液氧泵流程最高。如采用TC国内设备情况将有所改变这将在下面进行讨论部分液氧泵流程工艺复杂、设备多、投资大,在氧气压力小于3.5MPa时能耗最高,不适用于钢铁图2带空气增压机的液氧泵内压缩流程企业本文将不予讨论3液氧泵内压缩流程及其优缺点空气一D四氧压机流程大家比较熟悉,液氧泵内压缩流程压力氮以前多用于化工企业,故又称化工型流程。这是因力氧为化工企业氧气压力高(6~8MPa),用氧压机操作低压氮不安全所致。这几年来由于流程组织的改进,内压缩流程的提取率升高,使其在单位能耗上与氧压机流程的差距得以缩小。加上设备投资低于氧压机流程(国外),设备操作的安全性好,又可以生产较多的液体产品故发展较快。除化工企业外也在条件适合的钢铁企业使用,以下对其能耗、安全性、价格、液体图3带循环氮压机的液氧泵内压缩流程产品产量、氧、氩提取率和操作维修几个方面进行冶金动力METALLURGICAL POWER分析kW,宝钢60000m3/h内压缩流程总能耗为404563.1能耗kW,比同样条件的外压缩流程高6.5%,这一数据为使加压液氧汽化并回收其低温冷量必须要与宝钢60000m3/h林德的内压缩与APCI的外压有一股逆向流动的压缩空气与之换热。为了保证主缩比较结果相近。参考图6的5.9%数据笔者以为换热器中部最小温差,与之换热的压缩空气的流量就目前的工艺水平和压缩机的效率情况,在考虑了和压力都要高于液氧的流量和压力,也就是说中压增压机和氧压机效率差诸因素之后,内压缩流程的空气的压力是由主换热器中最小温差决定的。中压能耗仍然高于外压缩约6%~6.5%。空气的流量和压力存在着最佳匹配,此时能耗最內压缩流程总功耗Pa2=常数73低。提高中压空气的流量和压力都可以提高主换热220器中的最小温差。图5表示最低能耗时不同压力的222002200070液氧汽化所要求的最佳空气压力。由图5可见,在2180069压力2.5~3MPa范围内中压空气压力是氧气压力21600的2.2~2.1倍这就是内压缩能耗高的原因。虽然2140021200增压机的效率高于氧压机,但只能缩小能耗的差21000外压缩流程总功耗距改变不了总的结果208001.61.82.02.22.42.62.83.03.2氧压储罐压力/MPa7图633250m3/h空分设备内、外压缩流程之功耗比较3.2安全应该说,外压缩流程和内压缩流程都是安全的,内压缩流程因其流程特点安全性显得更好2些。这是因为(1)液氧泵比氧压机着火的可能性更低:氧压/MPa(2)液氧泵比氧压机备用率高;图5不同压力的液氧汽化所要求的最佳空气压力3)主冷和主换热器碳氢化合物积聚的可能性内压缩流程的能耗高于氧压机流程,这一点已更小。被公认。至于高几个百分点各家说法不一,从2%其中(3),外压缩流程可以通过设置循环吸附器11%不等,因为它不单与增压空气的流量和压力或定量液氧排放达到。有关,还决定于流程组织和氧压机、增压机的效3.3价格率。只有当同一厂商为同一产品规格在同样的自然在国外,内压缩设备投资低于外压缩流程,这条件下选用同一厂家的压缩机时,两种流程的能耗是因为国外氧压机价格昂贵,使得增压机加液氧泵比较才接近真实。如参数文献[Ⅰ提到的林德为的价格低于氧压杋旳价格。而膨胀杋与换热器价格33250m3h空分设备所做的两种能耗比较图〔图两种流程相差不大。两种流程的价格差只能采用同6)在3kPa时内压缩流程总功率为22400kW外厂商为同一项目提供的同样裝备水平的两种流压缩流程为21150kW内压缩的能耗高5.9%。笔程价格差,不能采用在不同项目上的报价,后者往者还就林德提供的宝钢60000~m°h內压缩流程和往掺杂有各种商业目的,而难以反映真实情况。据武钢60000m3h氧压机流程的能耗进行了详细的资料分析国外内压缩流程较之外压缩流程价格低比较。60000m/h内压缩流程能耗按宝钢数据,3%~4%。如由国内厂商成套对于15000m3/h~60000m3/h外压缩流程能耗在武钢数据的基础上,30000m3h的空分,按目前大多数用户的要求,即换算成与宝钢六万产品的规格,水温、气温条件一氧压机国内供货,空压机、增压机、液体泵国外采致即将40000m3/h中压氮气出口压力由1.IMPa购,则情况发生了变化,由于增压机加液氧泵的价修正到0.8MPa3.0Ma高压氮气由20000m3/h格高于氧压机,使内压缩流程投资高于外压缩流程修正到24000m3/h空压机能耗按32℃水温和苏约10%~12%尔寿的效率进行了修正,修正后的总能耗为379913.4液体产品产量总Q第3期冶金动力METALLURGICAL POWER氧压机流程的膨胀空气进上塔,当液体产品增率较高,而 Linde和 Praxair认为内压缩的氩提取率加到某一数值后,上塔不能吸纳增加的膨胀量,这较高。国內主要空分厂商两种流程的氩提取率相部分的膨胀空气必须旁通入污氮管道不参与精馏,近。宝钢 Linde的60000m3/h和扬子石化20000从而使氧提取率下降。故这种流程的液体产品m/h内压缩空分的氩提取率为85%和89%。因此(LOX、LON、LAr)产量通常取氧气产量的5%,最大可以认为两种流程的氧与氩的提取率相当。为8%。开二台膨胀机时可达13%~15%但提取率3.6操作与维护下降。内压缩流程的增压膨胀空气液化后进下塔参氧压机的操作与增压机加液氧泵的操作工作与精馏不存在旁通问题。故在膨胀机足够大时可量与难易程度相当。氧压杋流程的空分操作不受氧以得到较大的液体产量。如扬子石化20000m3/h压机出口压力影响,而内压缩流程的空分工况直接内压缩空分的液体产量在设计工况时为气氧产量与氧气管网的压力有关,再者当氧气过剩时,前者的33%。放散的是低压氧气,后者放散的是泵后的中压氧3.5氧与氩的提取率气。设备维护方面氧压机因精度和安全要求高故两种流程氧提取率的数值相近,都可以达到维护工作量大于増压机加液氧泵的内压缩流程%~99%,关于氩提取率,世界主要空分厂商的4内压缩流程和外压缩流程的比较看法不一。APCI和法液空认为氧压机流程的氩提取两种流程的比较分析结果见表1。表1内压缩流程与外压缩流程的比较项目内压缩流程外压缩流程备注能耗约106%100%安全性压氧系统和主冷凝器安全次之价格:国外设备96%-97100%空压机、增压机、液氧泵引进110%~1液体产品占氧气产量的百分比可达30%~40%5%~8%开两台膨胀机时外缩流程可达13%~15%氧提取率氩提取率80%-89%工艺流程较复杂简单操作方便性内压缩流程空分操作受供氧压力变化的影响维护工作量大氧压机维护工作量大于增压机加液氧泵占地相近相近如增压机和空压机合为一体则内压缩占地小5两种流程的合理选用可节省投资与能源。仼何工艺方案的选用都需经过方案比较决定5.2钢铁企业引进大型空分时,应对两种流程进取舍。方案比较时普遍遵循的原则是行技术经济分析。是否采用內压缩流程,应比较节(1)安全、可靠、环保;省投资额和每年能源消耗增加的费用。如外压缩节(2)节省投资与能源省的能耗节省使其增加的投资可在5年之内回收3)因地制宜仍可采用外压缩流程。如回收年限大于5年,可考由以上分析可见内压缩流程与外压缩流程都虑采用内压缩流程。很成熟,操作上也都是安全、可靠的,都能满足安5.3当钢铁企业有较多的液体需求,或有多种供全、可靠、环保的原则。由于工艺流程不同,只在投氧压力,或出现远大于3.0MPa的供氧压力,或在资、能耗、安全、操作、维护等方面存在程度上的差电价低廉的场合……遇到这些情况,无论国产或异。在液体产品的产量方面上差异更大些。引进设备都可考虑采用内压缩流程根据2和3项的分析结果以及节省投资、能源5.4我国目前的电价水平和机械设备配套能力和因地制宜的原则笔者提出以下看法内压缩流程仅适合于用氧压力超过临界压力(5.135.1钢铁企业选用国内配套空分时,目前情况应kPa的化工企业和需要液体产品较多的场合。选用外压缩流程。这样既符合安全、可靠、环保,又(下转第23页)总Q第3期冶金动力METALLURGICAL POWER5.17若液氩中含氮量高,可开大V751,通过调节们认为3.0MPa级的膨胀机我们国内完全可以过废气放空量来降低,若液氩中含氧量高,可通过调关进一步改进会更好整Ⅴ6开度或调整粗氩塔工况来保证。6.5采用增压机中抽进膨胀机的流程,希望在二5.18分子筛充压、泄压时一定要缓慢,不能产生者之间的工艺管道上加裝紧急放散阀和膨胀机增压力波动。压端回流阀〔也是调速阀)联动,以确保膨胀机事故6存在的问题和有待改进的方面停车时不会波及增压机停车6.1由于开车调试阶段频繁开停车和8个月的运6.6仪控系统的变送器最好选用进口产品,在自行,空压机已偏离性能曲线44次,分子筛切换时因动化程度高的情况下尤其重要。变送器输出信号不受温度的改变,空压机排气量控制不好,近期经库稳定会导致各种事故。有一次膨胀机自动停车查了帕公司售后服务的工程师逐一将44次偏离记录删好长时间才找出原因,就是因为油压的变送器输出除空压机又恢复了最佳性能曲线运行。信号波动,瞬间低于油压停车值而接通停车信号6.2冷水机组对水质要求太苛刻,造成蒸发器压导致膨胀机进口阀紧急切断,回流阀全打开,造成力低而频繁自停被迫清洗。而工艺管道又无旁通,膨胀机停车的事故。形成要想检修冷水机组就必须全停氮水预冷系统7结束语的状况,后来我们利用停机时间自行加装了旁通水青钢的这套内压缩流程的万立制氧机经过8管将冷水机组短路个月的运行实践证明是成功的。2002年11月由开6.3冷水机组担负着膨胀机后冷却器的冷却和空封空分集团有限公司在青岛召开的″空分新技术研冷塔的部分冷却仼努,造成裝机容量太大讨会"上与会专家一致给予好评。结论是青钢这套450RT)青钢下一套1.5万制氧机在流程上已取制氧机在工艺流程组织、热力及精馏计算、单体设消了冷水机组去膨胀机后冷却器这一路,而改由公备设计、全精馏制氩、氧氩产品提取率、能耗指标等共循环水冷却,冷水机组因此负荷可减少而采用小方面达到或接近国际内压缩流程的先进水平。机型(约160RT)。收稿日期:003-12-056.4膨胀机的绝热和润滑以及推力的平衡还需进作者简介:史作询(1951-)男,1970年毕业于南京工学院(东南大一步研究和改进,青钢的万立制氧机开车所遇到的力工程系工业热工(制氧)专业高级工程师现从事氧气厂生困难就是膨胀机。当然经过了这些事件和磨难我产管理工作。(上接第19页)工业气体1999年论文集,1999.1565.5随着精馏组织和换热器设计的改进,内压缩31杨绍军,大型空分两种典型工艺流程C1.工业气体199论和外压缩的能耗差距还会进一步缩小,同时随着大文集,19916型空分空压机、增压机国产化率的提高,国内配套4]马大方.武钢60000m3/h制氧机空分流程与主冷型式选择C].气体分离科技网第十三次全网大会论文集,2003.37的内压缩流程价格将会逐渐接近或低于外压缩流51倪剑刚.内压缩还是外压缩—对如何选择大型空分设备的程。这就是说内压缩流程具有旺盛的生命力,随着些看法[C].气体分离科技网第十三次全网大会论文集情况的不断变化,内压缩流程将来仍有可能在钢铁2003.96企业得以推广。I6]袁力.20000m3/h空分设备内压缩流程特点介绍[J.深冷技术19986参考文献收稿日期2003-11-20I江楚标,陈明敏.内压缩流程与常规流程的比较[C.大型空分作者简介杨涌源(1939-)男,1963年毕业于浙江大学化工系,总新技术交流会论文集999.36I2]计虎掌.大型液氧内压缩中压空分流程主要参数分析计算[C1设计师教授级高工现从事钢铁设计研究工作