上海中远化工有限公司

KDONAr-10300/20000/320空分装置改造

  摘要

上海中远化工有限公司氧气厂的5^#空分装置是杭州制氧机厂1988年生产的全低压切换流程式的第三代空分，总体设计生产能力为每小时生产10000Nm³氧气，纯度为99.6%；每小时生产11000Nm³氮气，纯度为99.9995%。其自1989年完全建成并投入运行以来，已经连续使用了近十四年，考虑到该系统现在的状况，结合用户用气情况的变化，并达到降耗的目的，我们与开封空分设备集团公司合作，对其进行了改造。

关键词：空分塔；换热器；膨胀机；分子筛；设备，改造

1        改造的思想

1．1改造前的状况 

该空分装置是我厂最主要的空分装置，故在这十四年中，开动率很高，而又因其采用的是切换式流程，这种流程对设备有交替性的冲击，极易引起主要设备切换板翅换热器的疲劳损伤。而经过这十四年的连续运转，该空分装置的切换板翅式换热器经我方和杭氧技术人员联合检查，确定其已经到达了使用寿命极限，不仅侧通道有大量串气、泄漏，而且直通道也存在这种情况，修复已很困难，就是修复后也很难保证其可靠性（请杭氧修复过的二个切换板翅式换热器仅使用了不到二个多月，就又发生了泄露，也证明了这一点）。

2．1改造的目的 

该系统的原始设计是能生产99.6%纯度的氧气和含氧5PPm以下的氮气的，但经过多年的使用，其空分装置的关键设备精馏塔部分也有很大程度的老化。特别是上塔有很长一段塔体已扭曲变形，起码导致了十几块塔板失去精馏能力，使该装置已不可能生产原设计产量和质量的产品了，最明显的特征就是，该塔在设计产量下氧气质量只能达到98.9%~99.2%，而无法提高。而我公司最主要的用户宝钢集团不锈钢项目投产以后，其要求我们的总管氧气质量要达到99.6%以上的纯度，因此如不对该设备进行较大规模的改造是很难满足钢厂要求的。

3．1改造的构思

 该空分系统长期以来运行时，原料空气压力一直低于设计压力。而要使其达到设计工况，原料空气压力要提高0.03MPa左右，这将使我厂的生产成本和工艺电耗有一个较大的增加，再考虑到其原设计时较低的氧提取率（约86%），如不进行较大规模的改造，就是不考虑该装置的老化，也很难形成市场竞争力了。

宝钢不锈钢分公司在和我公司谈判2008年1月1日以后的供气合同时，明确提出要将我公司提供的氮气纯度提高到99.999%以上。这样一来，我厂现有的3^#空分装置生产的氮气（其纯度为99.99%）将无法继续供应不锈钢分公司使用，而一旦3^#空分装置生产的氮气（生产能力为每小时产16000Nm³氮气）退出供应，依照我厂现有的空分装置状况，完全无法满足不锈钢分公司的氮气需求（缺口有7000Nm³/hr）。而新上空分装置的周期为一年半，现在已经赶不上新的供应合同生效时间了，故只有在现有空分装置中改造，才有可能在2008年1月1日完成项目，满足钢厂的新要求。但在2008年1月1日以前，为了保证钢厂的供给，并使机组搭配合理、高效，3^#、4^#空分装置必须处于运行状况，无充足时间停下来改造，而5^#空分装置基本处于停车备用的状态，有充足的改造时间。另外，根据装置的设备状况，2^#、3^#、4^#、5^#空分装置中，5^#空分装置主体设备最新，可利用的程度最高，投资较小，改造难度也是最小的。

  基于以上考虑，我们对5^#空分装置进行了一次较为彻底的改造，以满足生产和销售的需要，并消除其因设备老化而带来的不可靠性，。

2   改造情况

由于这次改造仅涉及到空分装置，原料压力空气及产品压出系统不变动，而考虑到其改造前后原料压力空气用量不变，而我厂的产品压出系统尚有少许余量，完全能满足其改造后的要求，故在改造中可以不必考虑原料压力空气及产品压出系统。

我们考虑到要使该套设备改造后的可靠性、能耗、经济技术指标能达到生产上的要求并满足钢厂的供气条件和数量，就必须将该套空分装置改造为新型的分子筛流程，并采用增压透平膨胀机，填料上塔等一些最新空分技术，使该套装置整体技术等级基本上升级换代到第五代空分的水平。我们初步估计，按照现有改造后的第五代空分的平均水平，改造后该装置的氧提取率可达到94%以上，氧气产量为11000Nm³/hr,质量99.6%；氮气22000Nm³/hr以上，质量含氧5PPm以下；系统运行周期二年,这样不仅能满足我们生产上的需要，还能使产品单位能耗有一个较大的降低，产生一定的经济效益。

2.1 空气预冷、氮水预冷系统

    由于分子筛流程和切换流程的差别，该系统原有的设备在这次改造中基本上不能重新利用，故该部分均需要重新更换。空气预冷系统更新了空冷塔、氮冷塔、水泵等设备，并添置冷冻机。其中空冷塔采用二段冷却的整体式填料塔，下部为热段，用外界提供的冷却水，将空气温度降到30℃；上部为冷段，用冷冻水将空气继续冷却到5℃左右出塔。为了改善传热效果，并防止水分的雾沫夹带，开空在此采用了新型的列槽式水分布器，其不仅大大改善了水的分布情况，且由于增大了空气流通面积，使空气阻力和流速大幅下降，效果十分显著。另外，我们考虑到上海地区的水质问题，特将冷冻水设计成闭式循环，其在空冷塔中部收集起来，送往氮冷塔，而不与空冷塔下部的冷却水相混合，这样既保证了流进冷冻机的水的质量，又方便了水质的处理。而氮冷塔系统则用装置生产的多余氮气和污氮气冷却循环冷冻水，从而回收冷量。并能在冷冻机临时故障停车时，用加大氮气入塔量的方法，短期顶替冷冻机的作用，维持生产。冷冻机组我们则选用了“约克”产的双头式螺杆冷冻机组，其不仅运行可靠，维护工作量小，且设备自动化程度高，基本上不需人员操作。

  2.2纯化系统

原设备为切换式流程，没有纯化系统。这次改造中空气纯化系统添置了分子筛吸附器（考虑到节省费用，并提高吸附器的可靠性，我们采用了双层床吸附器）、蒸气加热器、消音器，并考虑到我厂蒸气供应情况还增加了一台全备用的电加热器以及相应的仪表阀门系统。我们选用了开空提供的成套分子吸附器，切换和加热再生系统。并考虑到我厂蒸气供应不稳定，压力也不能达到要求的情况，在原有的蒸气加热器后串联了一组全备用的可调式电加热。该电加热器由三组自动切换的电加热单元组成，平时启动一组提高分子筛再生气的温度，而当蒸气停供时，则全部启动，保证再生气的温度要求，从而维持生产的正常继续。考虑到双层床分子筛吸附器的优点，我们选用了上层分子筛，下层铝胶的双层床吸附器，以提高装置的可靠性，同时降低再生能耗和购买费用。而分子筛吸附剂，我们通过到各制造厂生产线上直接取样，并送到权威部门检测后，选用了性能最优的上海市新奥分子筛厂的产品。

2.3主换热器、液空液氮过冷器及辅助冷凝蒸发器系统

    该装置切换板翅式换热器已经达到了它的疲劳寿命极限，给予了更换。而采用新型高效板翅式换热器后，主换热器在换热量大幅增加的情况下总体重量没有较大的提高，并且使我们可以使用先进的增压透平膨胀机流程。由于改造为分子筛流程后，流程会有较大变化，原有的液空液氮过冷器已无法再利用而进行了更换；并且考虑到主冷凝蒸发器换热面积紧张，故特地增加了辅助冷凝蒸发器以提高上、下塔的换热效果，

2.4膨胀机系统

由于现有的膨胀机单位制冷量小，膨胀空气量大，如不更换要达到我们改造后的目的是相当困难的，特别是影响到氮气的质量。而且我们又考虑到要增加改造后的装置运行的经济性，必须有一定量的液体产品。为此专门更换了二台先进、高效的增压透平膨胀机，并保持稍大一点的膨胀量，以达到我们的改造目的。

2.5分馏塔和冷箱系统

    我们经过咨询，认为现有分馏塔的下塔可以满足将来的需要，不必改动。而上塔由于变形严重，再考虑到由于该装置的原料空气压力低，上塔阻力应尽量小才能满足工艺要求。而筛板塔已很难符合需要了，故更换为了填料上塔，并将上塔塔板数增加了近四分之一，以便能生产出足够纯度和产量的氧、氮产品，

2.6电气及供电、仪表控制系统

由于万立空分原来使用的是Ⅲ型仪表，是十多年前的产品，现在不仅可靠性低且备品备件采购困难，成本较高，故我们采用了DCS集散控制系统、该控制器不仅信息显示清晰明了，且调整起来也十分方便，并能用密码保护。而按照我们改造后的产品要求，原有的分析仪表也必须更换。电气系统由于增加了一台全备用的电加热器和冷冻机，用电负荷有较大增加，因此增加了一台专用变压器并更换相应的电控柜和输电电缆。

2.7地基及土建及公用工程

    我们经过现场考查并咨询有关技术人员，改造中充分利用了原5^#空分的地基、基础，原有的房屋、建筑也被充分利用，未另外搭建，便满足了项目要求。而冷却水、蒸气等公用工程用量和等级也变化不大，原有的系统完全能满足要求，故也沿用了原有系统。原5^#空分的选址、规划、地质、环保、消防等手续均齐全，而新的改造仅是更换其中的部分设备，装置总重、体积和性质均无大的变化，无需另外申报，节省了大量的人力和时间。

3.安全卫生及环境保护

空分装置对环境的污染主要为噪音，而采用新的分子筛流程技术设计的空分装置，其与原有切换流程装置相比，由于消灭了每三分钟一次的切换气流声，主要噪音源被消除了，噪音污染大大降低。并且我们在项目实施过程中，还结合实际情况，采用了管道外包消音材料等方式，进一步减低装置噪音的外泄。除此之外，该空分装置没有其他固、液、气式的污染物产生。

采用分子筛流程、填料上塔后，碳氢化合物等主要危险物在分子筛中就已吸附干净，从而大大提高了冷箱内的安全系数，并且上塔阻力和压力的降低也提高了精馏塔的安全性。另外，针对最近一段时间以来空分装置发生事故的特点，在进行改造时，我们对制造商提出了针对性的建议，从而确保了生产的安全性。并且，在采用了DCS系统自动控制后，空分装置的可靠性和安全性也比以往有了很大的提高。

5.裸冷、调试与运行情况

5.1裸冷

    在2008年1月底安装结束后，我们对该设备进行了裸冷，由于准备充分，仅用了9个小时便冷却到了规定温度，其中冷凝蒸发器处达到了-90℃。在裸冷中，除发现部分连续法兰在低温下有泄露外，设备、管道均未出现较大的泄露和变形，裸冷一次成功。

5.2调试与运行

    裸冷结束后，我们经过十几天的加温、充填珠光砂等准备工作，于2008年1月31日下午正式启动设备。启动调试过程中，除发现一部分仪表零点漂移、个别调节阀动作不线性等问题外，一直相当顺利。于2月2日塔内出现液体，2月4日上午便建立起了正常工况，氧气产量达到了13000m³/h，纯度为99.5%；氮气产量更达21000m³/h，纯度为99.999%。

6.改造前及改造后生产规模及产品情况

7.产品市场预测和项目效益评估

7.1产品市场预测

改造后，该空分的原料空气量虽然未发生大的变化，但由于流程的改变，其氧提取率有了一个较大的提高，液氧和气氧产品数量均有所提高，而氮气产品数量则翻了一番。考虑到钢厂等用户的用气情况，氮气提质后，3^#空分装置的氮气无法供应用户了，而在现有的供求关系上，氮气估计仅能比现在再多销售500至1500Nm³/hr，根据最近几年来钢厂的用氮量和其工艺改进的情况分析，这个增加量还是有保证的。而钢厂用氧量增加较大，并且考虑到新增的用户，即使改造后氧气产品仍较为紧张，可实现全销售。SBOC公司通过GMP认证成为上海市唯一的三家医用液氧供应商之一，其液氧全面紧张，现已提出对该装置改造后的液氧购买要求，并希望我们尽量多产液氧，而现在市场上液氧也比较紧张，所以我们认为液氧的全销售也是完全可以实现的。

7.2经济效益

我们以氮气比现在再多销售500Nm³/hr计，而氮气每方售价为0.2元（已扣税），扣除0.11元的压缩功，实际利润为0.09元；氧气每方售价为0.5元（已扣税），扣除0.11元的压缩功，实际利润为0.39元；液氧每吨售价为750元（已扣税）；空分装置每年平均运行330天来计算其新增的利润为：

氮气部分：         500×0.09×24×330＝35.6万元

氧气部分：         (10500－10000)×0.39×24×330＝154.4万元

液氧部分：         (15－3)×750×330＝297万元

另外，该空分由于增加了冷冻机、蒸气加热器等辅助设备，增加了一些电和蒸气的消耗，会提高成本，经计算这部分增加的支出为平均每小时73.2元，则新增的成本为：

73.2×24×330＝58万元

最终每年实际增加纯利为：              35.6+154.4+297-58=429万元

8.改造及运行中发现的不足与问题

8.1保温问题

因我们是在原有的冷箱内进行改造，故受原冷箱形状和支撑骨架的限制，设备布置比较困难，导致一部分设备离冷箱壁较近，保温效果不理想，因而可在冷箱上发现有结露区。

8.2氮气换热不充分

在我方向开封空分公司提出改造要求时 ，将氮气产量限定为了20000Nm³/hr，而实际生产后，由于氮气供不应求，而其分馏塔又确有增产能力，故氮气产量实际一直维持在22000-23000Nm³/hr，导致主换热器氮通道换热面积不足，使氮气出主换热器的温度比氧、污氮气低了2-3度左右，引起了一定的复热不足冷损。

     以上这两条不足导致我们的膨胀量一直比设计工况高600-700m³/h ，达6200m³/h，影响了产品质量的进一步提高。

8.3纯化系统切换蝶阀可靠性不高

开空的新型硬质合金切换蝶阀虽然设计新颖、无需维护，并且避免了开关时的应力作用，但由于我们购买时该型产品尚未定型，因此存在一定的隐患，并给生产带来了影响。故我们计划在机会成熟时，将其更换为开空的最终定型产品，以提高运行的可靠性。

9.结语

经过一个月的试生产，在反复、细致的调整下，设备运行工况逐渐稳定，氧气产量达到了10000-12000m³/h，纯度为99.6%；氮气为22000-23000Nm³/hr,纯度99.9995%。粗氩产量为150m³/h，均达到或超过了设计指标。现该空分已稳定、连续运行了三年多，且工况仍基本保持了调试完成时的状况，产生了良好的经济效益。而这次改造包括设备、安装在内的总体费用不过1575多万元，可以说改造完全达到了我们预期的各项指标。

对于运行中发现的不足之处，我们计划今年有机会逐步将其完善，并准备结合市场需求的变化，对该空分进行变工况操作的摸索，进一步挖掘其潜力，以产生更大的效益。