空分制氩系统操作优化研究及应用_王利荣.pdf

张杰，等：膏体充填技术在某矿空区治理当中的应用氩是空分设备的主要副产品，市场价格高、用途广（如：飞机、船舶制造、原子能工业和机械工业等）。由于制氩系统操作复杂、工况波动大，不同操作水平对氩纯度和产量影响较大。本文根据精馏原理及换热理论，分析粗氩系统、粗氩液化器和精馏塔启停工况，研究不同操作对氩系统工况的影响，提出了制氩系统的优化操作方法，成果对提高氩系统的稳定性、经济性有极为重要的意义。1空分制氩原理空气是由氮、氧、氩、二氧化碳等气体组成的混合物，各主要组分性质如表 1 所示，氩的体积含量约为 0.93%。利用氩与空气其他组分沸点不同，如：氮、氧、氩的沸点分别为-195.8、-183.1 和-185.9，空分设备制氩系统将空气分离获得氩产品。*收稿日期：2022-06-03作者简介：王利荣（1972-），男，云南昆明人，工程师，主要从事深冷制氧生产技术及冶金、危化品安全技术研究及管理。Apr.2023Vol.52.No.2（Sum 299）2023 年 4 月第 52 卷第 2 期（总第 299 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY空分制氩系统操作优化研究及应用*王利荣（云南铜业股份有限公司西南铜业分公司，云南 昆明 650102）摘要：针对氩系统运行不稳定的问题，分析了空分不同工况及氩系统运行各阶段影响其稳定的因素，采取了如下针对性优化措施：氩馏份控制和粗氩系统工况控制；氮侧压力、热负荷控制操作；精氩塔压力的正常操作；主塔工况稳定操作；回收精氩塔余气操作；精氩塔停机加温操作；临时停机防止氩固化等。优化实现了氩系统不同工况下的稳定运行，使氩提取率从 69%提升到 79%。关键词：空分设备；制氩系统；操作优化；氩馏份；氩提取率中图分类号：TD451文献标识码：A文章编号：1006-0308（2023）02-0177-07Study and Application of Operation Optimization on Air Separation ArgonProducing SystemWANG Li-rong(Southwest Copper Branch,Yunnan Copper Co.,Ltd.,Kunming,Yunnan 650102,China)ABSTRACT：Operation of argon system was unstable,therefore,the relative influence factors of argon system that air separationwith different working conditions and the factors of each operation stage were analyzed,the following optimization measurements weretaken:control of working conditions of argon fraction control and crude argon system;operation control of nitrogen side pressure,heatload;stable operation of working conditions of main tower;residual air recovery of fine argon tower;shutdown heating operation of fineargon tower;temporary shutdown prevents argon curing and so on.Stable operation of argon system with different working conditions wasrealized by optimization,the extraction rate of argon was increased from 69%to 79%.KEY WORDS：air separation equipment;argon producing system;operation optimization;argon fractions;argon extraction rate表 1空气主要组分性质Tab.1Main components performance of air二氧化碳1.98组分名称氮氧氩常压下密度/（kg/m3）1.251.431.780.03体积分数/%78.1220.950.93沸点/-195.8-183.1-185.9-78.5177Apr.2023Vol.52.No.2（Sum 299）2023 年 4 月第 52 卷第 2 期（总第 299 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY图 2氩系统工艺流程Fig.2Process flow of argon system空分制氩系统是利用低温精馏原理1，在空分装置上塔适当位置抽取氩馏份气，氩馏份气抽口位置与氩馏份中氧、氮组分含量关系如图 1 所示，使氩馏份在粗氩、精氩系统内分别实现氩-氧、氩-氮分离。全精馏制氩系统采用规整填料，分馏能力强，在粗氩塔中就能实现氧含量 10-6级分离，使氧含量降至（12）10-6。2制氩系统简介某企业 16 000 Nm3/h 空分装置于 2002 年 2 月建成投产。该套装置采用分子筛净化、增压膨胀、上塔规整填料、液氧内压缩、全精馏无氢制氩的常温分子筛净化大型内压缩空分流程，氧气、氩气设计产量分别为 16 000 Nm3/h、500 Nm3/h。制氩系统工艺流程采用粗氩塔、粗氩塔除氧、精氩塔除氮的全精馏制氩流程，制氩系统工艺流程如图 2 所示，流程原理为：从上塔抽出的氩馏份气，进入粗氩 I 塔与粗氩塔进行精馏，实现氧氮分离，含氧合格的一部分粗氩气导入粗气氩冷凝器液化，然后进入精氩塔中继续精馏，实现氩氮分离，从而在精氩塔底部得到纯液氩，经 V708 排入液氩贮槽。其中：GAr、LAr 分别为氩馏份抽取管路、富氧液馏份回流管路；LA、GA分别为液空进口、空气出口管路。3氩系统操作优化3.1启动过程操作优化开车初期，主塔氧浓度梯度尚未建立，氩馏份含氮量高，影响粗氩塔工况，延长氩浓度梯度建立时间。上塔主冷侧氧浓度趋于正常时开始投入粗氩塔，开大粗氩排气阀排氮，开启冷凝器液空去上塔回流阀，待粗氩塔内含氮量趋于正常。逐渐增大冷图 1氩馏份各含量与上塔高度的关系Fig.1Relation between each content of argon fractions andtower height178张杰，等：膏体充填技术在某矿空区治理当中的应用图 3粗氩塔系统Fig.3Crude argon tower system1.填料层；2.供氩泵；3.粗氩冷凝器凝器热负荷，使馏份增至正常。在此期间，尽量关小粗氩排气阀，加速氩浓度分布过程。当粗氩塔工况建立正常，开大排放阀，使粗氩排放量增至正常值。启动过程氩馏份含氧量可高于正常值，以便加速建立冷凝器工况。投入过程中应保证冷凝器及粗氩塔液位、粗氩塔阻力平稳，使主塔各塔段回流比波动较小、氩塔投放时主塔工况稳定。粗氩塔建立正常精馏工况后，将氩馏份组分含量调整至正常2。3.2运行过程操作优化运行时，从上塔抽出的氩馏份气，从粗氩 I 塔的底部进入作为上升蒸汽，与粗氩塔底部的粗液氩经液氩泵加压后进入粗氩 I 塔上部作回流液，建立精馏工况，生产粗氩气，粗氩气从粗氩 I 塔顶部送出，经粗氩塔底部导入作为上升气体，粗氩塔顶部经过冷后的液空作冷源冷却液化的粗液氩作为回流液，建立精馏工况，实现氧氮分离，含氧量合格的一部分粗氩气导入粗氩冷凝器进行液化，进入精氩塔中继续精馏，其余作为回流液入粗氩塔。粗液氩从精氩塔中部进入，与此同时在精氩塔蒸发器氮侧内利用下塔顶部来的压力氮气作为热源，使精氩塔底部的液氩蒸发形成上升蒸汽，而氮气被冷凝成液氮经节流后返回上塔。来自下塔的液氮进入纯氩冷凝器作为冷源，使精氩塔顶部产生回流液，以保证塔内的精馏，使氩氮分离，从而得到纯液氩。3.2.1氩馏份的控制氩馏份含氩量对氩提取率、氩产量影响较大。当氩馏份含氩过低时，含氧量较高，提纯后氩产品含氧量高；当量氩馏份含氩过高时，含氮量较高，可能导致氮塞。粗氩塔系统流程原理如图 3 所示，其中 701、702 分别为粗氩、塔。粗氩塔上升蒸气为氩王利荣：空分制氩系统操作优化研究及应用179Apr.2023Vol.52.No.2（Sum 299）2023 年 4 月第 52 卷第 2 期（总第 299 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY馏份，下流液为粗氩塔底部氧-氩混合液。设粗氩塔氩馏份入口处塔温为 t0，含氧、氩量分别为ain、bin。氩馏份含氧量较高，部分氧受回流液冷凝为液态，部分氩挥发。氩浓度随塔料层增多而增大，氧浓度随塔料层增多而下降，塔底温度较高，塔顶温度较低。设氩馏份每穿过一层填料浓度为等比变化3，当进入粗氩系统氩馏份含氧量 a0过高时，而空分设备粗氩塔填料层数 n 和 m 是确定的，可能造成出粗氩含氧量较高。当出粗氩塔粗氩含氧量510-6时，必须停运精氩系统或将精氩气放空。当进入粗氩系统氩馏份含氮量过高时，可能出现氮塞，必须停运精氩系统或将精氩气放空。经过分析可知，必须严格控制进入粗氩系统氩馏份的氧、氮含量，才能保证氩系统的正常运行。3.2.2粗氩 II 塔冷凝器热负荷的控制下塔部分液空为粗氩 II 塔冷凝器提供冷量，利用液空与氩馏份的温差将粗氩气冷凝。当液空纯度（含氧量）上升，则汽化温度上升，热负荷减少；此时调整液空回流阀开度，则可改变冷凝器中液空含氧量，调整汽化温度及热负荷。粗氩 II 塔冷凝器热负荷主要与换热温差、流量和液位有关。氩馏份可作为氩-氧二元混合气体，汽化温度随氧含量的增大而增大，其性质如图 4 所示。经过分析可知，当氩馏份沸点随氩含量的增大而减小，粗氩冷凝器的热负荷随换热温差和换热面积的减小而减小。当氩馏份中含氧量较高时，液空温度与氩馏份沸点温度相差较小，氧不易被冷凝，使得出粗氩塔氩馏份含氧量过高。3.2.3液氧、液氮工况对氩提取率的影响16 000 Nm3/h 空分生产主要为冶炼系统供氧，并生产一定液体副产品，各产品产量如表 2 所示。因市场需求，若液氮生产量增加（58）m3/d，液氧、液氩生产量相应减少约（58）m3/d。按主要产品划分，空分生产有液氧、液氩工况。空分生产遵循物料平衡原则和能量守恒定律：当膨胀机效率和膨胀空气量一定时，制冷量（焓降）一定，设备生产液体能力一定。如果增加液氮产量，液氧产量就会相应减少4。根据市场对液氧、液氮需求变化，使得液氧、液氮工况转换，即变工况生产。在氩馏份氧、氮、氩三元混合物中5，氧、氩和氮设计值分别为 90%91%、9%10%、低于0.02%。变工况生产可以通过调整回流液氮和上升氧气量来实现，抽馏口物料组分也不断变化。变工况操作时上塔回流液氮和上升气氧发生变化，应以氩馏份含氧量为基准，否则会影响制氩系统工况。变工况操作时，当液氮取出量增加，上塔液氮回流比减小，富氩区上移，氩馏份含氧量增大。粗氩冷凝器换热温差缩小，热负荷缩小，氩提取率和纯度降低。液氧工况时，上塔回流液氮充分，降低污氮含氩量，提高氩提取率。液氮工况时，上塔顶部回流液氮较少，气氧、气氩冷凝不足，污氮含氩量较高，氩损失较多。实际操作中，液氮工况时氮含量低于 0.02%，避免过多氮进入粗氩塔，导致粗氩工况波动，甚至氮塞。空分设备变工况操作可以调节上塔回流液氮量和上升气氧量，实现液氧、液氮工况相互转移。对制氩系统操作进行优化，可以提高氩产量，但应防止馏份含氮量过高，影响氩系统正常生产。图 4氩馏份性质随氩含量的变化Fig.4Argon fraction performance change along with theargon content change表 2各产品产量Tab.2Yield of each product液氮03产品液氧液氩产量/（m3/d）1216180张杰，等：膏体充填技术在某矿空区治理当中的应用3.2.4主塔变负荷操作对粗氩塔的影响因冶炼系统减负荷生产，空分装置必须减负荷。空分减负荷生产会造成系统工况不稳定，氩系统工况激烈恶化，操作较难控制，轻者减产、重则氮塞。变负荷操作时，膨胀空气旁通量的变化是导致氧提取率变化的主要原因6。加工空气量与膨胀空气旁通量的关系：VK=VS+BV（1）（1）式中：VK为加工空气量，m3/h；VS为分离空气量，m3/h；VB为膨胀空气旁通量，m3/h。分离空气量与氧气量的关系：VS=VOyOO2-yON2yOK-yON2()（2）（2）式中：VS为分离空气量，m3/h；VO为氧气产量，m3/h；yOO2为氧气中含氧量，%；yON2为氮气中平均含氧量，%；yOK为空气中含氧量，%。空分减负荷运行时，主塔空气量减少，冷凝蒸发器热负荷减小，液氮冷凝量、液氧蒸发量减少，富氩区下移，氩馏份氮含量增加。减负荷会影响进入粗氩冷凝器的冷源液空纯度，导致其饱和温度改变，改变粗氩冷凝器换热温差，影响粗氩冷凝器的热负荷。粗氩塔热负荷变化时，氩馏份量及组分变化，调整粗氩冷凝器液空蒸发量可控制氩馏份量。粗氩冷凝器热负荷减少时，减少进粗氩塔氩馏份量，使氩产量降低；粗氩塔热负荷增大时，增加进入粗氩塔氩馏份，富氩区下移，氩馏份回流比及含氮量增加。当氩馏份含氮量超过 0.5%时，超过精氩塔的排氮能力，可能出现不同程度氮塞。70%变负荷工况主要参数如表 3 所示。主塔满负荷时原料空气含氩总量、氩馏份取出量分别为 726 Nm3/h、17 100 Nm3/h。主塔负荷降到 70%时，原料空气含氩总量、氩馏份取出量分别为 507 Nm3/h、119 700 Nm3/h。原料空气含氩量减少，氩馏份取出量没有等比例降低，氩馏份含氩浓度将下降，而取出量保持不变，造成出粗氩塔氩馏份的含氧量持续上升。同时，粗氩 I 塔底部回流液含氧量较高，从而影响到富氩区组分，氩馏份含氩量降低。当氩馏份含氩量较低时，粗氩 II 塔含氧量上升，提高氩馏份就会增加含氮量。粗氩含氧量一直上升，氩馏份取出量相对较高，氩馏份含氮量增加，从而加重氩系统的氮塞程度，氩系统被迫停产。减负荷运行结果表明，氩馏份含氩量稳步提高，含氧量稳步下降，装置运行平稳，达到了 70%负荷氩产量。3.2.5停机过程操作优化空分设备制氩系统正常停机时，剩余液体应尽量打到主塔排放，因主塔压力高或排液阀大，易排放，故循环液氩泵一般工作到跳死才停止。空分设备进行非正常停机时，如供气停止、供电停止、透平膨胀机发生故障、切换设备发生故障、仪表空气中断等，应及时停运循环液氩泵。3.3粗氩液化器操作优化3.3.1启动过程操作优化在投入粗氩液化器时，先开 V705 阀通入粗氩气，压力稳定后再开 V711 通入冷源，调整中应保证粗氩冷凝器氮侧压力不低于 90 kPa，防止粗氩液化器压力过低，造成氩固化7。3.3.2运行过程操作优化运行过程中，从粗氩塔抽取的一部分粗氩气进入粗氩液化器，被来自下塔并经节流的液氮作为冷源液化，然后进入精氩塔中继续精馏。如果进入粗氩液化器 K704 粗氩气含氮量较高时，应调节 V712 阀将粗氩气放空。如果粗氩液化器液位太高，可适当减小粗氩气进口阀门 V705，减少粗氩气进入量。如果粗氩系统微微氮塞时，表 3变负荷工况主要参数Tab.3Main parameters of variable loadworking conditionsNm3/h原料空气含氩总量726参数氧气量氩馏份取出量粗氩量满负荷16 00017 10051070%负荷11 20011 970357507王利荣：空分制氩系统操作优化研究及应用181Apr.2023Vol.52.No.2（Sum 299）2023 年 4 月第 52 卷第 2 期（总第 299 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY可适当开大 V710，增大氮循环量。3.3.3停机过程操作优化空分临时停车时，需将粗氩液化器液氮侧液氮全部排放，防止液化器压力降低时液氮侧向氩侧提供冷量，使氩气固化堵塞冷凝器及管道8。3.4精氩塔操作优化3.4.1启动过程操作优化精氩塔启动前应该满足以下要求：主塔、粗氩塔稳定在设计工况；精氩塔已彻底吹扫冷却；粗氩气含氧量低于 5 10-6；机器、仪表和安全阀均已校好，随时可以投入使用；所有阀门灵活好用，处于关闭状态；液氩储槽准备就绪。启动精氩塔时，应打开精氩塔余气放空阀、吹除阀、精氩塔底液氩输送阀和液氩吹除阀，对精馏塔进行冷却。启动时应注意精氩塔压力变化、处理好上下塔关系，防止超压。启动精氩系统具体操作步骤如下：粗氩气含氧量低于 210-6时，将粗氩导入精氩塔；逐渐开大精氩冷凝器纯氮、污氮管网阀和精氩冷凝器液氮调节阀，待精氩冷凝器出现液位并缓慢上升到设计值时，精氩冷凝器液氮调节阀投自动；精氩蒸发器液位上升到设计值 10%后，打开液氩排放阀，排掉全部液体，确保精氩纯度；若纯氩含氧量低于 3 10-6，精氩蒸发器液位上升到100 mm 后，渐渐开大精氩蒸发器压力氮调节阀，使塔内阻力接近设计值，将精氩蒸发器压力氮调节阀投自动；液氩的氧、氮含量达到要求，且蒸发器液位达到 1 200 mm 时，打开液氩储槽调节阀。3.4.2运行过程操作优化正常运行时，粗液氩从精氩塔中部进入进行精馏。在精氩塔底部液氩蒸发形成上升蒸汽和在精氩塔顶部液化的回流液在精氩塔内建立精馏工况，使氩氮分离，从而在精氩塔底部得到纯液氩。调节精馏塔回流比能调节氩纯度9，来自主塔下塔的氮气是精氩蒸发器热源，过冷后的液氮是精氩冷凝器冷源，在动态热平衡下，难以通过调节精氩蒸发器和冷凝器的负荷来调整回流比，只有液氩的取出量和尾气的放散量才能真正调整回流比。为确保精氩塔的压力稳定在一个正常值，精氩蒸发器和冷凝器的热负荷必须同时匹配调整，改变精馏塔的精馏强度，调整过快会造成精氩塔工况大幅波动。精氩系统操作如下：稳定塔内阻力是稳定精氩塔工况的前提，开大精氩蒸发器压力氮调节阀时，上升蒸汽量增加，塔内阻力增加；开大精氩冷凝器液氮调节阀时，冷凝器液氮液面上升，冷凝液回流量增加，阻力也相应增加；当塔内压力过高时，开大精氩冷凝器液氮调节阀，使液氮液位上升，回流量增加，塔内压力恢复正常；同时，开大精氩余气调节阀，排放不凝性气体10，使压力恢复正常；定期开关或经常微开纯氩蒸发器不凝气排放阀，排除不凝性气体（氖氦气）；氩纯度可通过调节余气流量来实现，开大精氩塔余气调节阀可降低液氩中含氮量；若液氩中含氧量过高，需打开精氩蒸发器液氩排放阀，排放部分液体，然后重新积液；操作时应防止精氩塔出现负压，导致大气中水分吸入使管道出现冰堵现象。3.4.3余气回收1）回收槽车充装中氩排放气。在充装过程中，部分液氩吸收环境、充装软管、槽车内的热量汽化，所以槽车在充装中要放空卸压。为减少氩充装放空损失，可适当提高充装压力，提高输送液氩过冷度，回收放空氩气；2）回收低压液氩贮槽放空损失。由于液氩贮槽日蒸发率相对稳定，可将此部分放空氩气返回氩精馏系统（或精氩系统）。也可以设置氩换热器，利用压力液氮将氩液化回收；3）确保真空度与绝热层厚度。为减少槽车、液氩贮槽的汽化损失，应确保槽车、液氩贮槽的真空度，输送管道绝热层的包裹厚度等。3.4.4停机过程操作优化当空分设备精氩塔正常停机时，低温液体不允许在容器内低液位蒸发，必须将精氩冷凝器、182张杰，等：膏体充填技术在某矿空区治理当中的应用蒸发器和塔内液体排放干净，关闭所有阀门。临时停车时，应注意精氩塔压力变化，防止精氩冷凝器内液氮将气氩固化或部分固化11，造成管路堵塞。4系统优化后效果分析通过一系列的空分制氩系统工况优化调整，对制氩系统生产影响相当显著。根据系统工况的不同，对制氩系统进行相应的优化调整，以求达到最优化生产。结果表明，当负荷变动不太大时，氩系统工况近似满足线性变化。当主塔满负荷时原料空气含氩总量、氩馏份取出量分别为 726Nm3/h、17 100 Nm3/h；当主塔负荷降到 70%时，原料空气含氩总量、氩馏份取出量分别为 507Nm3/h、119 700 Nm3/h，实现了制氩系统生产的最优化。通过系统优化，开停机操作更加顺畅，系统稳定性更好，生产效率大幅提升，16 000 空分氩提取率大幅攀升，远远超过了设计 69%的提取率，达到了 79%，效率提升达 14.5%，液氩产量平均每天在原产量基础上增产 1.6m3。事实证明，只要不断探索新方法、解决新问题，操作水平会不断提高，设备潜力也会得到充分发挥。5结 语1）换热温差、粗氩流量和液位是粗氩冷凝器热负荷的主要影响因素；2）负荷变动不太大时，氩系统工况近似满足线性变化；3）应根据粗氩气含氮量控制粗氩液化器热负荷；启停机时，应严格控制氩系统压力变化，防止系统超压或粗氩液化器氩固化；4）应根据遵循物料平衡和能量平衡为原则平稳操作，保证氩纯度和产量。参考文献：1 毛绍融，朱朔元，周智勇.现代空分设备技术与操作原理M.杭州：杭州出版社，2005.2 李化治.制氧技术M.北京：冶金工业出版社，20013 孙全海.全精馏制氩塔最小回流比和最小理论塔板数的计算J.深冷技术，2000（6）：10-11.4 徐福根，万建余，王立.空分设备变负荷调节主要参数的关系及计算J.深冷技术，2006（7）：38-46.5 徐文灏.一组氧-氮-氩三元系统汽液平衡关联式及其应用J.深冷技术，1992（5）：1-18.6 刘建洲.730 t/d 空分设备粗氩塔故障现象及原因分析J.深冷技术，2003（5）：46-48.7 李培颖.粗氩冷凝器堵塞故障分析及处理J.深冷技术，2007（1）：45-47.8 王练兵.一次粗氩塔氩固化的处理J.深冷技术，2006（1）：49-50.9 王洪洋.鞍钢氧气厂法液空三万五制氧机精氩塔精氩含氮高时的操作方法J.气体分离，2010（1）：45-47.10 赵高峰，陈治国.精氩塔不凝气排放止回阀的影响及处理J.深冷技术，2006（3）：58-59.11 陈伟，查辅国，费维民.4500 m3/h 空分设备精氩塔冻结原因与分析J.深冷技术，2003（5）：37-39.王利荣：空分制氩系统操作优化研究及应用183