譚 芳，蔣云云

(杭氧集團股份有限公司，浙江 杭州 310004)

1 前 言

低溫液體是深冷空氣分離設(shè)備的副產(chǎn)品，往往儲存在后備貯槽中，用于工業(yè)裝置調(diào)峰或者緊急情況[1]。近年來，越來越多的空分設(shè)備開始生產(chǎn)用于外銷的液體。外壓縮空分流程是當前冶金行業(yè)配套空分的主要流程之一，但是當液體比例高于10%時，外壓縮流程的能耗將大幅度增加。因此，研制配套大液體產(chǎn)品的氧外壓縮空分設(shè)備具有重要意義。

以某氣體公司11 000 m3/h(O2)空分設(shè)備為例，介紹了一種配套大液體產(chǎn)品的氧外壓縮空分設(shè)備。某氣體公司11 000 m3/h(O2)空分設(shè)備為某鋼鐵公司年產(chǎn)600萬t優(yōu)特鋼項目(一期)供應氧氣、氮氣、氬氣等氣體產(chǎn)品。杭氧集團股份有限公司(以下簡稱杭氧)于2020年6月簽訂此項目合同，經(jīng)過一年多的設(shè)備設(shè)計制造和項目建設(shè)，于2021年設(shè)備成功開車。

2 主要性能指標

配套空分設(shè)備的產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 11 000 m3/h(O2)空分設(shè)備產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)

3 流程方案特點

長流程和短流程是鋼鐵行業(yè)兩種典型的生產(chǎn)流程。高爐轉(zhuǎn)爐流程稱為長流程；電爐流程稱為短流程，生產(chǎn)的鋼稱為電爐鋼，它以廢鋼為主要原料冶煉成鋼。相比于長流程，短流程SO2、NOx的排放對環(huán)境更友好，二噁英處理更容易，能耗僅為長流程煉鋼工序的1/9，建設(shè)成本更低、周期更短。2022年工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委和生態(tài)環(huán)境部三部委發(fā)布《關(guān)于促進鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導意見》中重點提到“推進廢鋼資源高質(zhì)高效利用，有序引導電爐煉鋼發(fā)展”，意見要求力爭到2025年，電爐鋼產(chǎn)量占粗鋼總產(chǎn)量的比例提升至15%以上。

某鋼鐵公司年產(chǎn)600萬t優(yōu)特鋼項目(一期)即采用電爐短流程，建設(shè)電爐煉鋼生產(chǎn)線，要求出空分界區(qū)的氧氣壓力為1.8 MPa (G)，氧氣壓力不高、流量小，若采用氧內(nèi)壓縮流程則增壓機匹配困難。因此采用在冷箱外通過氧氣壓縮機壓縮的方式，使得操作的靈活性及裝置的可靠性都有保證。并且抽取大量液體產(chǎn)品，液氧的大量抽取保證了主冷凝蒸發(fā)器液氧中碳氫化合物、氮氧化合物和其他有害雜質(zhì)不積聚，同時設(shè)置分析儀對主冷凝蒸發(fā)器液氧中的碳氫化合物和氮氧化合物進行監(jiān)控，保證裝置安全運行。

該項目的氮氣用途較多，主要用作保護氣，避免在高溫下的金屬被氧氣直接氧化，在量子電爐、除塵(急冷塔)、布袋除塵器、連鑄+模鑄及石灰窯模塊中都需要充入氮氣。因此，相應的氮氣壓力要求和使用特點也不同。根據(jù)氮氣需求的多樣性和復雜性特點，從一次性投資成本和長期運行能耗等方面綜合考慮，氮氣I [4500 m3/h，1.0 MPa(G)]由上塔抽取常壓氮氣復熱后經(jīng)過氮壓機壓縮得到。氮氣II [250 m3/h，1.8 MPa(G)]由液氮泵加壓復熱后送出。該項目的氬氣用于量子電爐和連鑄模塊等弱吹氬工序，向鋼液中吹入惰性氣體氬，氬氣本身不參與冶金反應，具有“氣洗”作用。要求出空分界區(qū)的氬氣壓力為1.6 MPa (G)，采用液氬泵加壓復熱后送出。

從上述設(shè)計參數(shù)考慮，將項目工藝流程與常規(guī)液體空分工藝流程(以空氣循環(huán)為例，下同)進行了對比分析，結(jié)果見表2。本項目工藝流程如圖1所示，常規(guī)液體空分工藝流程如圖2所示。

AF.空氣過濾器；ATC.原料空壓機；AP.循環(huán)粗液氧泵；ArP.產(chǎn)品液氬泵；BT1.高溫膨脹機增壓端；BT2.低溫膨脹機增壓端；C1.下塔；C2.上塔；C701.粗氬塔；C702.精氬塔；E1.主換熱器；E2.過冷器；EH.電加熱器；ET1.高溫膨脹機膨脹端；ET2.低溫膨脹機膨脹端；K1.主冷凝蒸發(fā)器；K701.粗氬冷凝器；K702.精氬冷凝器；K703.精氬蒸發(fā)器；RU.冷水機組；MS.分子篩吸附器；NP.液氮泵；SL.消音器；WC.水冷塔；WC1.高溫增壓后冷卻器；WC2.低溫增壓后冷卻器；WC3.空壓機末級冷卻器；WP.低溫循環(huán)水泵

AC.空冷塔；AF.空氣過濾器；ATC.原料空壓機；AP.循環(huán)粗液氧泵；ArP.產(chǎn)品液氬泵；BAC.空氣循環(huán)壓縮機；BT1.高溫膨脹機增壓端；BT2.低溫膨脹機增壓端；C1.下塔；C2.上塔；C701.粗氬塔；C702.精氬塔；E1.主換熱器；E2.過冷器；EH.電加熱器；ET1.高溫膨脹機膨脹端；ET2.低溫膨脹機膨脹端；K1.主冷凝蒸發(fā)器；K701.粗氬冷凝器；K702.精氬冷凝器；K703.精氬蒸發(fā)器；RU.冷水機組；MS.分子篩吸附器；NP.液氮泵；SL.消音器；WC.水冷塔；WC1.高溫增壓后冷卻器；WC2.低溫增壓后冷卻器；WC3.空壓機末級冷卻器；WP.低溫循環(huán)水泵；WP1.常溫循環(huán)水泵；WP2.低溫循環(huán)水泵

表2 不同流程的綜合對比分析

4 主要配置機組及設(shè)備特點

4.1 空氣壓縮系統(tǒng)

原料空氣壓縮機采用杭州杭氧透平機械有限公司研制生產(chǎn)的6級齒輪式壓縮機(6TYC108)，為電機驅(qū)動，結(jié)構(gòu)型式為水平剖分式，末級排氣壓力為2.8 MPa (A)。常溫常壓濕空氣直接經(jīng)空壓機六級壓縮，不設(shè)中抽空氣，相當于空壓機與增壓機集成在一個機器上，節(jié)省投資成本的同時也降低了設(shè)備的運行維護成本。

4.2 空氣冷卻系統(tǒng)

原料空氣壓縮機配置6臺冷卻器，其中末級冷卻器采用常溫循環(huán)水和低溫循環(huán)水冷卻。在末級冷卻器中，空氣首先與常溫循環(huán)水換熱進行初步冷卻，再與來自水冷塔并經(jīng)冷水機組進一步冷卻的低溫水作進一步熱質(zhì)交換，空氣被冷卻到所需溫度后出末級冷卻器，進入分子篩吸附系統(tǒng)。

常溫循環(huán)水來自循環(huán)水系統(tǒng)，與空氣換熱后返回循環(huán)水系統(tǒng)；低溫循環(huán)水來自低溫循環(huán)水系統(tǒng)，首次外界供水直接進入水冷塔下部，通過水冷塔和冷水機組降溫后，經(jīng)低溫水泵加壓后進入空壓機末級冷卻器后段，與空氣進行熱質(zhì)交換后返回水冷塔的上部，在水冷塔內(nèi)與從冷箱出來的污氮氣進行熱質(zhì)交換，被冷卻后從塔的下部流出，形成閉式低溫水循環(huán)系統(tǒng)。污氮氣經(jīng)水冷塔頂部直接放空。同時設(shè)置水冷塔補水管線進行部分低溫循環(huán)水的置換，以保證閉式循環(huán)中的水質(zhì)滿足使用要求。

本項目創(chuàng)新性的采用閉式低溫水循環(huán)系統(tǒng)，達到取消空冷塔的目的，進一步節(jié)約了靜設(shè)備的投資成本。

4.3 分子篩吸附系統(tǒng)

分子篩吸附系統(tǒng)采用長周期、雙層床凈化技術(shù)(活性氧化鋁+分子篩)，吸附器是成對交替使用的，一只工作時，另一只被再生。吸附器的再生一般分四步進行：降壓、加熱、吹冷、升壓。吸附器在降壓和升壓時，由于本項目分子篩采用高壓設(shè)計[工作壓力2.8 MPa(A)]，工作壓力高，為了避免分子篩床層受到壓力波動的沖擊，切換閥門采用特殊設(shè)計的三桿閥，并控制好降壓和升壓時的速率。

吸附器為立式容器，單層筒體外絕熱結(jié)構(gòu)。分子篩支撐柵架進行多重防漏設(shè)計和疲勞度分析，防止混床。再生加熱器采用2臺電加熱器，一用一備模式提高系統(tǒng)的可靠性。

4.4 精餾塔系統(tǒng)

精餾塔系統(tǒng)是空分設(shè)備的核心系統(tǒng)，主要特征如下：

1.高、低溫膨脹機組的增壓端采用串聯(lián)增壓型式，選用進口產(chǎn)品，壓比大、效率高、性能可靠。同時采用國產(chǎn)膨脹機作為備機，大幅度提高裝置的可靠性。膨脹機組采用先進的設(shè)計及加工軟件進行性能及流道設(shè)計與流道加工，葉輪采用三元流葉輪，使透平膨脹機具有最高的運行效率。

2.采用雙層立式主冷、浴式全浸操作，增加主冷的循環(huán)倍率，防止碳氫化合物等在主冷換熱表面析出。

3.冷箱內(nèi)的精餾塔全部采用填料塔，阻力低，分離效率高，提高了氧提取率，降低了空分設(shè)備的能耗。

4.冷箱內(nèi)換熱器采用鋁制板式換熱器，安全可靠、換熱效率高。主換熱器采用一體板式，提高了操作的便捷性。

5.為便于維護和檢修，循環(huán)粗液氧泵設(shè)置單獨冷箱，冷箱內(nèi)重要的高壓、低溫冷閥設(shè)置必要的隔倉。冷箱內(nèi)過濾器設(shè)置單獨隔箱；板式冷箱設(shè)置單獨冷箱;中壓氬換熱器帶單獨隔箱。

6.高壓節(jié)流閥門從流程上精心設(shè)計節(jié)流閥前后壓差，以降低每級節(jié)流壓差，減小流速，延長閥門使用壽命，減少管系振動。在高壓差大口徑自動閥和特殊的通過閥上設(shè)置旁通閥，防止高速氣流對設(shè)備、閥門和管路造成損害，尤其對氧氣管路更可起到事故防范作用。

7.設(shè)置液體回灌精餾塔的管線，以縮短空分設(shè)備的啟動時間，在液體回灌的情況下啟動時間可以縮短至24 h以內(nèi)。

4.5 后備系統(tǒng)

空分設(shè)備設(shè)置了液體貯存及后備系統(tǒng)，配置了3 000 m3的液氧、4 000 m3的液氮貯槽及各類規(guī)格等級的后備液體泵及空浴式汽化器。同時配置一臺10 m3的液氮真空貯槽，為裝置提供開車時所需的儀表用氣。

當空分故障停車或卸載時，啟動后備液體泵及空浴式汽化器，為下游用氣裝置提供保障。

5 項目特點

本項目為大液體產(chǎn)品的氧外壓縮空分設(shè)備，液體產(chǎn)量大，液氧和液氮產(chǎn)品總量已占到氣氧產(chǎn)量的100%。與常規(guī)的液體空分相比，本項目在流程工藝方面進行了創(chuàng)新設(shè)計。

1.原料空氣壓縮機從常壓直接壓縮至2.8 MPa(A)送出，不設(shè)置中抽空氣，相當于把常規(guī)液體空分流程中的空壓機和增壓機集成在同一臺機器上，降低了設(shè)備成本。

2.壓縮機六級壓縮配置六級冷卻，末級冷卻器采用常溫水和低溫水共同冷卻，取消了空冷塔，降低了設(shè)備成本；低溫水閉式循環(huán)設(shè)計，由水冷塔和冷水機組降溫后送入末級冷卻器后段進行換熱，最后回到水冷塔頂部。通過設(shè)置水冷塔補水管線來滿足循環(huán)水的置換及消耗，這種工藝配置方式降低了公用工程水耗。

3.分子篩吸附器采用高壓設(shè)計，降壓速率及筒體壁厚的設(shè)計進行了特殊考慮，同時空壓機出口空氣壓力高，空氣含濕量比常規(guī)空分低，降低了分子篩系統(tǒng)的水處理能耗；分子篩吸附器在高壓下工作，吸咐二氧化碳等雜質(zhì)效果好，吸附劑使用量減少，吸附劑更換成本低，再生運行能耗低。

4.采用本項目工藝流程的主換熱器較常規(guī)液體空分流程的主換熱器噸位少，節(jié)省了換熱器設(shè)備的成本。

5.原料空氣壓縮機及冷卻系統(tǒng)的配置相對于常規(guī)液體空分設(shè)備要少，裝置占地面積比同等級的液體空分設(shè)備要少20%以上。

6 結(jié)束語

2021年11月本項目裝置開始開車調(diào)試，運行結(jié)果表明產(chǎn)品產(chǎn)量及純度均達到了設(shè)計要求，目前裝置運行情況良好。

11 000 m3/h(O2)空分設(shè)備項目是杭氧首次采用壓縮機從常壓壓縮至2.8 MPa(A)，分子篩吸附器高壓設(shè)計是該新型工藝流程正式投入運用的一次大實踐，該套空分設(shè)備在壓縮系統(tǒng)、預冷系統(tǒng)、分子篩系統(tǒng)、膨脹機系統(tǒng)上進行了技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計，通過合理匹配上述各個系統(tǒng)之間的耦合，達到最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟指標，且實際運行情況良好。

本項目從理論研究、方案對比、計算模擬到配套單元部機的設(shè)計，再到最后的順利實施，進一步增強了杭氧空分設(shè)備在市場中的競爭力，帶來良好的經(jīng)濟效益和社會效益。