KDONAr- 15 000/23000/540 空分装置工艺流程介绍

陆 永 生

(泰山玻璃纤维股份有限公司 ， 山东省泰安市大汶口石膏 工业区 271000)

摘要:介绍了泰山玻璃纤维有限公司KDONAr-15000/23000/540空分装置的工艺流程，并阐述了本套空分装置的特点。

关键词：大型空分装置； 自增压工艺流程；沸腾式氧蒸发器；

泰山玻璃纤维有限公司是国内玻璃纤维行业首家使用纯氧燃烧技术的玻璃纤维企业，06年就建成了第一套空分装置。现有三套空分装置，总供氧能力30000Nm3/h，由于泰玻窑炉生产线的进一步扩大，现有空分装置已不能满足窑炉生产线对氧气用量的需求，为保证窑炉生产线的发展，公司决定再建一条15000Nm3/h的空分装置。

2017年6月份与开封黄河集团签订合作协议，2017年10月开始破土动工。由开封黄河集团公司承建的KDONAr-15000/23000/540空分装置于2018年11月顺利结束空分装置裸冷工作，于12月10日空分装置进行常温启动，历时约30小时，空分装置顺利出氧，一次开车成功，并达产达标。

1. 空分装置主要性能参数

KDONAr-15000/23000/540空分装置由开封黄河空分集团有限公司成套，由海湾工程设计院进行工厂总体规划设计，并由开封黄河空分集团有限公司承担设备安装、调试工作。该套空分装置采用常温分子筛吸附预净化、增压透平膨胀机制冷、规整填料上塔、全精馏无氢制氩技术的液氧自增压流程，150kPa氧气由沸腾式氧蒸发器汽化再由主换热器复热获得。整套空分装置由DCS计算机控制，装置由空气过滤压缩系统、预冷系统、纯化系统、分馏塔系统、液体贮存汽化系统、仪控系统、电控系统和循环水系统组成。

表1KDONAr-15000/23000/540空分装置性能指标

产品名称	产量 Nm3/h	纯 度	出界压力/温度 MPa（G）/℃	备注
氧 气	15000	99.6％O2	0.15/40	自增压
氮 气	23000	O2≤3ppm	0.01Mpa
液 氧	1400	99.6％O2	0.1/饱和	进贮槽
液氩(LAr)	540	O2≤1ppm N2≤3ppm	0.1Mpa/饱和	进贮槽

本空分装置产氧变负荷工况范围在70%~105%内，设备到需要完全解冻时的操作周期为2年，加温解冻时间约为36小时。

2 工艺流程

本套15000m³/h空分装置采用开封黄河空分集团全精馏无氢制氩的全低压工艺、空气膨胀循环自增压流程，其流程图如下图1：

原料空气在自洁式过滤器中除去灰尘等机械杂质后，进入空气透平压缩机，将空气压缩到0.5Mpa.然后进入空气冷却塔中冷却后，进入分子筛纯化系统，在这里原料空气中的水份、CO₂、C₂H₂等杂质被分子筛吸附。净化空气分为两路：一路空气进入主换热器后，被返流气体冷却至饱和温度进入下塔；另外一路经空气增压机增压后，一路进入增压透平膨胀机膨胀制冷，膨胀后的空气进入上塔，另一路空气进入主换热器后，被返流气体冷却至饱和温度经过氧蒸发器进入下塔，参与精馏。

在下塔获得液氮和富氧液空，经过过冷后进入上塔，参与精馏，在主冷凝蒸发器获得纯度为99.6%的液氧，通过静压入氧蒸发器由空气加热为以0.15MPa的氧气，经主换热器复热后出冷箱。在上塔顶部得到纯氮气，经过冷器、主换热器复热后出冷箱，多余氮气去水冷塔蒸发制冷。在上塔引出的污氮气，经过复热后进入分子筛纯化系统作为分子筛再生气体，多余气体去水冷塔蒸发致冷。

从上塔中下部抽出的氩馏份进入粗氩塔Ⅰ的底部，上升蒸汽从粗氩塔Ⅰ顶部抽出进入粗氩塔Ⅱ的底部，经两塔的精馏后，在粗氩塔Ⅱ顶部得到粗氩，大部分粗氩进入粗氩塔冷凝器中，被液空冷凝成液体而回流到粗氩塔作为的回流液体。回到粗氩塔Ⅱ的液体经液氩泵加压后送入粗氩塔Ⅰ的顶部。经粗氩塔1精馏后的液体馏份从底部又返回上塔，少部分粗氩进入精氩塔，经精氩塔去氮精馏后，在精氩塔的底部可获得所要求的纯氩。

3 空分装置特点

3.1 本空分装置的液氧1400Nm³/h，液氩540Nm³/h，液体产品约占氧气的13%。液氧在150KPa沸点接近部分烃类物质的固化温度，有固化析出的可能，在碰撞冲击、静电作用下，可产生点火引爆。氧蒸发器采用了全浸式设计，同时本空分装置的液氧取出量达1400Nm

³/h，远远大于规范要求1%的排放量，更有效的保证了该装置安全性。

3.2 循环水系统采用了闭式塔与开式塔相结合的方式为空分装置提供循环水。即与空气接触的循环水采用传统的开式冷却塔，不与空气接触的循环水采用纯闭式循环冷却塔，可有效降低循环水对设备的腐蚀，进而延长设备使用寿命。

3.3 空分装置仪表气源系统是用来不间断仪表气源供应系统。本装置去除了仪表空压机装置，采用了中压液氮罐作为备用仪表气源的形式，该形式操作简单，基本无维护成本，同时本仪表气源与旧空分装置仪表气系统串联。在突发停车时，两套空分装置的仪表气源系统可以互为备用，大大降低了仪表气源中断带来的风险。

3.4 空分压机系统采用多台不同规格型号空压机搭配组合的运行方式。因泰山玻纤的用氧特性，采用不能规格型号的空压机，有利用空分装置的变负荷调整，尤其可针对季节性温度变化情况，做出更有利的组合方式，使用空分装置长期始终保持在最佳运行状态，从而降低空分装置能耗。

3.5 分子筛纯化系统采用了卧式双层床结构，气流分布均匀、吸附效率高、再生能耗低，同时使用了UOPⅢ型分子筛，单筒吸附时间为6小时，分子筛切换周期12小时/次，延长了分子筛切换周期长，空气出分子筛纯化器CO2含量≤1ppm，电加热器平均消耗325kw。

3.6 本套空分装置采用黄河空分独特的制氩技术，摒弃以前采用的液氮作精氩塔冷凝器冷源的工艺，采用了下塔的液空过冷后进入精氩塔冷凝器作为冷源。精氩塔冷凝器的温差由传统的8K改为3K，增强了精氩塔冷凝器的稳定性，同时还增加了上塔回流液，提高了上塔的回流比。进而改善了上塔的精馏能力，提高了氧气的提取率和氩馏分的组分，使氩气提取率升高。

3.7 空压机启动摒弃了传统的一拖一启动方式，采用了一拖五启动方式，选用两套启动装置一备一用，降低了配电室占地面积及空分投资。

3.8 空分装置各系统均安装了可靠的防雷装置，在冷箱上设置了法国ESE2500型卫星避雷针，避雷针与接地极等形成外部防雷网，可使雷电迅速的泄放入大地。在低压配电柜各设备出线端并联安装了LESEN LXM-80型保护器，并在DCS卡件柜内各模块上串联了专业防雷模块，并建立单独的DCS防雷接地网，从而形成内部防雷网，将受雷击产生的感应电流快速泄放入大地。

3.9 本装置氮气去用户与原10000Nm³/h空分氮气管相连，实现氮气管网互通，同时皆可进入液化装置，实现资源共享。在液氮市场行情好时，有足够的氮气满足液化装置运行。

4 主要设备性能

4.1 仪表控制系统

DCS控制选用和利时MACS 6系统，用于采集空分装置生产过程中的各项数据、显示、记录、报警、联锁和保护等功能，并在DCS卡件柜内模块上，串联了专业防雷模块。压力变送器均采用了霍尼韦尔品牌压力变送器和压差变送器，Pt100电阻选用了川仪热电阻检测元件。

4.2 自洁式过滤器

采用无锡中盛KJL-1350型自洁式空气过滤器。该滤筒滤纸采用美国进口Hv滤纸，具有过滤阻力小，过滤精度10微米，过滤效果好特性，压缩空气耗量低于0.2m³/min。该自洁式过滤器采用PTG-1型号液晶显示控制器，通过时间、压差自动控制，同时也可以切换手动控制，并通过4～20mA信号实现与DCS控制系统通讯，能够实现在线显示、阻力报警等功能。

4.3 空压机系统

空压机系统采用了多台机组优化组合的调节方式。选用了IHI寿力IS1701-132 F44/F43型空压机，由齿轮箱、高压电机、级间冷却器、设备基座和三级压缩机构成，设计排气压力为0.5 MPa,排气流量为 33000/26000Nm³/h。该空压机易损件少，级间冷却器大，冷却效果好，能耗低，同时可有效延长设备清理周期。

配套了西门子电机，额定电压10kV，额定电流186A，额定功率 2860kW，采用固态软启动装置进行降压启动。空压机采用全恒压PLC控制系统，在PLC屏幕上直接呈现压缩机系统图，全中文界面简单易学，系统操作简单，自动控制水平高。同时可实现就地/远程修改参数，对空压机出口压力进行远程设定。

4.4 膨胀机系统

膨胀机是空分装置的心脏，通过膨胀得到低温并利用余能对气体进行再压缩。膨胀机的效率直接决定了液体的产量，本空分装置选用了美国ACD膨胀机与联优品牌TEB-210型号膨胀机，ACD膨胀机作为主膨胀机，联优膨胀机作为备用膨胀机。

4.5 液体贮存系统

液体贮存系统包括1座2000m³低压液氧贮罐、2台50m³液氩贮罐、1台100m³液氮贮罐、1台50m³液氮贮罐、1台50m³液氧贮罐及1台水浴式汽化器、2台液氧泵和1台充车泵，作为空分装置的备用系统。50m³液氮贮罐出口与空分装置仪表气源系统连接，作为空分备用仪表气源。同时为了比更好地确保空分突发停车后，能够快速向窑炉输送液氧，对中压液氧罐进行了改造，使其始终处于热备状态。

5 结束语

目前，KDONAr-15000/23000/540空分装置已稳定连续运行1年，设备已基本稳定。由于窑炉用氧原因，一直处于70%负荷运行状态下，两台空压机进气量60500Nm³/h，产氧量在10500Nm³/h~11000Nm³/h，纯度99.65%左右，同时在70%负荷情况下尝试了氩系统调试工作，并生产出了合格的液氩产品，但是产量较低。下一步计划在空分装置满负荷的情况下，即三台空压机进气量86000Nm³/h时,进一步对氩系统进行优化调整。