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宝钢30000NM3/h空分设备的技改及效果李杨中冶南方工程技术有限公司动力室湖北武汉市青山区冶金大道12号，邮编430080摘要：介绍了宝钢3#30000m3/h空分设备改为分子筛流程的设备增设、更新、修复的基本情况，比较了改造前后的运行状况。改造后的空分设备，稳定性和安全性明显改善，而且氧气、氮气的产量增幅达14.14％和15.87％，新增氩气产量为300m3/h。关键词：大型空分设备；切换板翅式；分子筛吸附；改造；效果宝钢3#30000m3/h空分设备由日本神户制钢所提供，为切换板翅式流程，设备于1987年5月建成投产。其主要技术参数为：氧气产量（NM3/h）：30000纯度（％）99.6氮气产量（NM3/h）：30000纯度（％）99.999液氧产量（NM3/h）：600纯度（％）99.6液氮产量（NM3/h）：100纯度（％）99.999液氩产量（NM3/h）：400纯度（％）99.999氧提取率（％）：85.1单位制氧能耗（KWh/NM3）：0.4561987年6月该设备顺利通过考核，各项指标均已达到并略有超过。投产初期设备运行状况较好，自1990年开始，设备开始逐步恶化，到1997年10月该设备共发生需停车处理的事故达12次之多。特别是1991年元月保冷箱大开裂，珠光沙喷出事故发生后使冷箱内设备受损，一些管道变形，使事故频率大幅增加，一些主要技术指标下降和能耗增高如：氧气产量（NM3/h）：30000降至27000氮气产量（NM3/h）：30000降至28000氧提取率（％）：85.1降至73单位制氧能耗（KWh/NM3）：从0.456升至0.52设备事故的频繁发生使宝钢全厂的氧、氮、氩等能源介质的稳定和可靠供应发生了问题。严重威胁着从炼钢到轧钢各主体车间的生产。故宝钢3#空分设备的改造工作迫在眉睫。此外3#空分设备工艺落后，能耗高，可靠性差，改造更是势在必行。3#空分设备的技术改造有两种方案可供选择：（1）改为分子筛流程，即在空气进入冷箱前增设分子筛吸附器以除去水分和二氧化碳，此时冷箱内部的可逆式热交换器可作为主热交换器使用。液空和液氧吸附器可取消，其他流程基本不变。（2）改为带增压膨胀机的分子筛流程，它在上述方案的基础上将氮气膨胀改为空气膨胀。空气经增压机增压后提高压力到～900Kpa，从而减少膨胀空气量，提高氧提取率。为此，冷箱内部流程和设备需做相应修改。虽然改为带增压膨胀机的分子筛流程可提高氧、氮、氩的产量，降低单位能耗，进一步提高设备的可靠性，但投资和改造工期相应增加。经过反复论证，决定3#空分设备的技术改造按第一方案实施。1998年4月与杭州制氧机（集团）有限公司签订了合同。1998年5月，改造工程开始施工，1998年10月底，主体工程施工完毕，1998年11月9日顺利出氧，1998年11月20日考核试车通过。1技术改造的主要措施宝钢3#30000NM3/h空分设备技术改造工程主要包括增设分子筛吸附器、空气冷却塔和水冷却塔的更新、冷箱内部主换热器板式单元的更换及修复、主冷凝器板式单元的更换、冷箱内部主要工艺管道和全部仪表管道的更新设计。1.1增设分子筛吸附器根据工艺的要求，在分子筛吸附系统中，主要增加了以下几种设备：（1）分子筛吸附器型式：卧式双层床吸附器数量：二台处理空气量：177500Nm3/h空气进口温度：11℃空气出口温度：16℃工作压力：0.62Mpa(A)空气出分子筛CO2含量：1PPm分子筛型号：UOP－13XAPG三氧化二铝型号：球形Ф3mm～5mm（2）再生蒸汽加热器型式：双管板蒸汽加热器数量：一台加热氮气量：～30000Nm3/h加热氮气进口温度：～28℃加热氮气出口温度：～165℃蒸汽耗量：峰值3.15t/h平均0.92t/h蒸汽压力：1.27～1.57Mpa(G)（3）氮气升压机型式：离心式数量：2台(一用一备)流量：～35000Nm3/h进口压力：3Kpa(G)出口压力：13Kpa(G)电机功率：200kw为了确保空分装置的安全运行，在液氧循环吸附系统中应设置保护吸附器，考虑到现有液氧吸附器和液氧泵运行良好，加之当液氧送罐时需保持系统压力的统一，因此仅取消了液空吸附器，而将现有的其中一个液氧吸附器作为保护吸附器使用，并使用液氧泵循环。另一个液氧吸附器和液氧泵作为备用。将可逆切换式流程改为分子筛净化流程后，由于污氮需为分子筛再生使用，污氮流路阻力与可逆切换式流程相比有所增加，从而提高了上塔压力，导致主空压机排压增加，为此在污氮去分子筛再生前设置鼓风机，用来提高污氮压力，克服分子筛系统的再生阻力。1.2空气冷却塔和水冷却塔的更新由于工况的改变，原空冷塔和水冷塔已无法满足工艺的要求，故需对其进行更换。即将空气冷却塔分为上，下两段，下段用工业水冷却将空气冷却到30℃～35℃，上段用经水冷却塔和冷冻机冷却的低温水将空气冷却到10℃～12℃。空气冷却塔和水冷却塔均在原址对旧塔拆除后新建。1.3冷箱内部设备及管道的修复、更换和更新设计①可逆板式换热器板式单元的更换及修复可逆板式换热器共有五个单元发生泄漏，其中两个通道层泄漏面积大于50％的板式单元被更换，另外3个单元进行了修复。②主冷凝凝蒸器板式单元的更换主冷凝器运行已近十年，曾由于碳氢化合物的富集等原因多次发生微爆，引起主冷凝器板式单元的多次开裂，这次改造更换三个已发生泄漏的单元。③冷箱内部分工艺管道更新设计冷箱内一些工艺管道在原来所发生的空分事故中已不同程度变形和受损，且原管道设计受力不合理。其工作状态的应力已超过设计应力，影响空分装置的安全运行。这次技改共更新设计冷箱内部工艺管道12根，另有12根≥200的工艺管道进行了应力分析。④冷箱内全部仪表管道的更新设计主冷箱内部仪表管道变形、扭曲严重，且原设计的管径偏小，壁厚偏薄，是一个潜在的危险，故利用这次技改进行全部的更新设计。更新设计的仪表管道总长约1200米。2技术改造的效果3#空分设备经技术改造投入正常运行后，经测定、核算和评估，与改造前相比，该套空分装置运行有下列明显的改善：2.1清除水分和二氧化碳的能力增强改造前后的水分、二氧化碳含量见下表：表1:H2O、CO2含量测定结果（空气进下塔前）H2O含量（PPM）CO2含量（PPM）切换板式流程101分子筛流程50.1由表中运行数据可以看出分子筛在吸附水分和二氧化碳方面其效果显著。2.2空分装置运行的安全性得到提高众所周知，空分装置能否安全运行主要取决于进空分塔的加工空气中不饱和碳氢化合物的含量。实践证明UOP-13XAPG分子筛对加工空气中的碳氢化合物具有很好的吸附能力，根据分析测定，改造前后有明显的差别。改造前液氧泵运行状态下主冷液氧中碳氢化合物含量见表2。表2：改造前液氧泵运行状态下主冷液氧中碳氢化合物含量(PPM)时间CH4C2H4C2H6C2H2总计97.11.2035.360.220.10.0535.7397.11.2330.720.660.10.0531.5397.11.2434.730.550.10.0535.4397.11.2531.700.530.10.0532.3897.11.2623.400.50.10.0524.0597.11.2723.050.220.10.0523.42平均29．830.450.10.0530.42改造后液氧泵停运状态下主冷液氧中碳氢化合物含量见表3：表3：改造后液氧泵停运状态下主冷液氧中碳氢化合物含量(PPM)时间CH4C2H4C2H6C2H2总计99.4.921.580.180.10.0521.9199.4.1021.140.220.10.0521.5199.4.1420.660.150.10.0520.9699.4.1623.140.210.10.0523.5099.4.2014.520.070.10.0514.7499.4.2117.530.10.10.0517.78平均19.760.160.10.0520.07由表2、表3可清楚的看出，UOP-13XAPG分子筛除对烷类吸附能力差外，对其余不饱和烃类吸附能力很强。因此，在液氧泵不运行的情况下，液氧中的碳氢化合物含量普遍低于改造前液氧泵运行情况下的含量，平均降低约34%，从而有效地提高了空分装置运行的安全性。2.3空分装置运行的稳定性得到提高由于改造取消了自动切换阀，原可逆式热交换器的8～9分钟切换一次的操作改为分子筛吸附器的每隔4小时切换一次的操作，切换频率相差约30倍，明显减少了因阀门多和阀门频繁动作而导致的故障停车，使空分装置运行平稳。2.4经济效益提高宝钢3＃空分装置改造前后运行数值见表4：表4：宝钢3＃空分改造前后运行数值（考核结果）项目合同值改造前运行值改造后运行值氧气：产量（Nm3/h）纯度（％O2）3000099.62700099.63090099.616液氧：产量（Nm3/h）纯度（％O2）60099.660099.661199.652氮气：产量（Nm3/h）纯度（PPmO2）30000102800010324442.056液氮：产量（Nm3/h）纯度（PPmO2）10010100101800.431粗氩：产量（Nm3/h）纯度（PPmO2）4502.5――――――3002.292由表4可看出氧气、氮气的产量增幅达14.44%和15.87%，液氧、液氮产量增幅达1.67%和80%。随着国内气体市场的进一步发展，大型空分设备改造的经济效益是明显的。3结论：1.用分子筛流程改造板式切换流程的空分设备，是以提高设备运行的安全性、稳定性为目标的十分有效和简便的改造方法。2.大型空分设备改造的经济效益是明显的。可以得到投资少、收效快的效果。说明用先进技术对老设备行进改造是企业挖潜增效的重要手段。