周金城，劉江淮，王勝利

(安徽馬鋼氣體科技有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

1 前 言

馬鞍山鋼鐵股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱：馬鋼)20 000 m3/h液氧內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備是杭氧設(shè)計(jì)、制造的。20 000 m3/h內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備采用空氣循環(huán)增壓、膨脹空氣進(jìn)下塔、液氧內(nèi)壓縮及氮?dú)馔鈮嚎s、全精餾制氬工藝流程。

空分設(shè)備上塔提餾段氧氣純度調(diào)節(jié)對(duì)空分設(shè)備精餾工況影響較大。馬鋼20 000 m3/h液氧內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備自投入運(yùn)行，在空分設(shè)備開車、運(yùn)行時(shí)對(duì)上塔提餾段氧氣純度采用不同調(diào)節(jié)方法，經(jīng)過對(duì)內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備上塔提餾段氧氣純度不同調(diào)節(jié)方法進(jìn)行分析及實(shí)際運(yùn)用效果比較，認(rèn)為內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備氧氣純度調(diào)節(jié)方法與傳統(tǒng)的外壓縮流程空分設(shè)備氧氣純度調(diào)節(jié)方法有較大不同。

2 內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備工藝流程特點(diǎn)

馬鋼20 000 m3/h液氧內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備低壓空氣、中壓膨脹空氣、高壓空氣作為加工空氣均入下塔參與精餾。中壓膨脹空氣經(jīng)膨脹機(jī)等熵膨脹入下塔，膨脹空氣溫度低，膨脹空氣為氣液混合狀態(tài)。高壓空氣在主換熱器冷端液化，經(jīng)高壓液空節(jié)流閥等焓節(jié)流降溫、降壓導(dǎo)入下塔。因液態(tài)膨脹空氣、高壓液空作為下塔回流液參與精餾，氣態(tài)膨脹空氣、低壓空氣作為下塔上升蒸氣參與精餾，下塔回流比大，下塔塔釜液空中氧氬含量高、下塔頂部液氮中氧含量低。

20 000 m3/h內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備膨脹空氣未入上塔精餾段，上塔精餾段回流比大，污氮?dú)庵醒鯕搴康?，空分設(shè)備氧氣、氬氣提取率較高。

20 000 m3/h內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備從主冷抽取液氧，經(jīng)中壓液氧泵加壓輸送至主換熱器與高壓空氣換熱，中壓液氧氣化、復(fù)熱，輸入氧氣管網(wǎng)，空分設(shè)備不可逆損失較大。

同時(shí)，在20 000 m3/h內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備工藝流程設(shè)計(jì)中，在上塔提餾段下部抽取一股純度合格的氣態(tài)氧氣經(jīng)旁通調(diào)節(jié)閥V7調(diào)節(jié)入污氮?dú)饪偣芑厥绽淞?，調(diào)節(jié)上塔提餾段氬餾分氬含量及氧氣純度，空分設(shè)備損失部分氧組分。

3 內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備氧氣純度調(diào)節(jié)方法分析

3.1 正流加工空氣流量調(diào)節(jié)方法

3.1.1低壓空氣流量

低壓空氣入下塔作為上升蒸氣參與精餾，低壓空氣流量變化直接影響下塔回流比與主冷熱負(fù)荷。

改變低壓空氣流量影響下塔回流比，使入上塔提餾段的下塔塔釜液空氧含量發(fā)生變化。同時(shí)，改變低壓空氣流量直接影響主冷熱負(fù)荷，使主冷液氧蒸發(fā)量發(fā)生變化，上塔提餾段上升蒸氣流量變化，上塔提餾段回流比改變，主冷蒸發(fā)側(cè)液氧與上塔提餾段氣氧純度變化。

調(diào)節(jié)入下塔參與精餾的低壓空氣流量，主冷蒸發(fā)側(cè)液氧蒸發(fā)量變化明顯，上塔提餾段氧氣純度變化幅度較大，氧氣純度運(yùn)行值易控制?？辗衷O(shè)備低壓空氣流量變化值限制氧氣純度調(diào)節(jié)范圍。

低壓空氣流量調(diào)節(jié)方法適用于內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備熱開車、冷開車、運(yùn)行狀態(tài)時(shí)調(diào)節(jié)氧氣純度及氬餾分氬含量。

3.1.2中壓膨脹空氣流量、高壓空氣流量壓力

中壓膨脹空氣是物料與冷量載體，為空分設(shè)備精餾提供部分加工空氣及大部分制冷量。中壓膨脹空氣經(jīng)氣液分離器分離，氣態(tài)的膨脹空氣入下塔作為上升蒸氣參與精餾。改變膨脹空氣流量，使下塔上升蒸氣液化量、回流液體蒸發(fā)量發(fā)生變化，下塔液空氧含量與主冷熱負(fù)荷改變，上塔提餾段氧氣純度變化。

高壓空氣以液體形式直接入下塔，作為下塔回流液參與精餾。改變高壓空氣流量，直接導(dǎo)致下塔下部回流液體流量改變，使下塔下部回流比發(fā)生變化，下塔塔釜液空氧含量與入上塔提餾段液空流量變化，上塔提餾段氧氣純度變化。

調(diào)節(jié)入下塔的中壓膨脹空氣流量、高壓空氣流量壓力，上塔提餾段回流比變化幅度較小，調(diào)節(jié)氧氣純度精餾時(shí)間長(zhǎng)，氧氣純度運(yùn)行值不易控制。

中壓膨脹空氣流量與高壓空氣流量壓力調(diào)節(jié)方法不適用于內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)氧氣純度調(diào)節(jié)。

3.2 氧氣流量調(diào)節(jié)方法

改變內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備氧氣流量，使從主冷中抽取入主換熱器的液氧流量發(fā)生改變，在主換熱器中與液氧換熱的高壓空氣流量壓力發(fā)生變化，入上塔提餾段進(jìn)行精餾的下塔液空氧含量及液空流量變化，上塔提餾段氧氣、氮?dú)饨M分平衡狀態(tài)改變，氧氣純度變化。

在內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行變負(fù)荷操作時(shí)，改變氧氣流量，主冷液氧蒸發(fā)量變化值較小，上塔提餾段上升蒸氣流量變化幅度小，上塔提餾段氧氣純度運(yùn)行值變化不明顯。

同時(shí)，改變氧氣流量必須對(duì)入下塔參與精餾的高壓空氣流量壓力進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，以保持主換熱器熱端溫差、中部溫度穩(wěn)定。上塔提餾段液空進(jìn)料口處的回流液體氧含量、流量變化幅度小，上塔提餾段氧氣純度進(jìn)行調(diào)節(jié)的精餾時(shí)間較長(zhǎng)，氧氣純度變化量小，氧氣純度運(yùn)行值不易控制。

氧氣流量調(diào)節(jié)方法不適用于內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)調(diào)節(jié)氧氣純度。

在內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備熱開車及冷開車調(diào)純、運(yùn)行狀態(tài)變負(fù)荷時(shí)，調(diào)節(jié)從上塔提餾段直接抽取旁通入污氮?dú)饪偣芗兌群细竦臍鈶B(tài)氧氣流量，上塔提餾段回流比變化幅度較大，氧氣純度及氬餾分氬含量調(diào)節(jié)時(shí)間短，氧氣純度及氬餾分氬含量運(yùn)行值易控制，但氧氣提取率降低。同時(shí)，上塔提餾段直接抽取旁通入污氮?dú)饪偣艿臍鈶B(tài)氧氣流量值限制氧氣純度調(diào)節(jié)范圍。

旁通氧氣流量調(diào)節(jié)方法適用于內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備熱開車、冷開車、運(yùn)行狀態(tài)時(shí)調(diào)節(jié)氧氣純度。

3.3 氮?dú)?、污氮?dú)?、液氮產(chǎn)品流量調(diào)節(jié)方法

3.3.1氮?dú)?、污氮?dú)饬髁?/p>

改變內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備產(chǎn)品氮?dú)狻⑽鄣獨(dú)饬髁?，直接改變了上塔物料平衡、組分平衡。同時(shí)改變了上塔壓力，使主冷熱負(fù)荷變化，主冷液氧蒸發(fā)量發(fā)生變化，上塔回流比變化，上塔精餾段氮?dú)饧兌?、污氮?dú)庋鹾颗c上塔提餾段氧氣純度、氬餾分氬含量均變化。

在內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備操作中，調(diào)節(jié)上塔精餾段抽取的氮?dú)?、污氮?dú)饬髁浚纤s段、提餾段氧、氮、氬組分再次建立組分平衡狀態(tài)時(shí)間短，上塔提餾段氧氣純度、氬餾分氬含量變化幅度大，氧氣純度運(yùn)行值易控制且穩(wěn)定。

氮?dú)?、污氮?dú)饬髁空{(diào)節(jié)方法適用于內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備熱開車、冷開車、運(yùn)行狀態(tài)時(shí)調(diào)節(jié)氧氣純度。

3.3.2液氮產(chǎn)品流量

改變內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備從主冷冷凝側(cè)抽取的液氮產(chǎn)品流量，使主冷冷凝側(cè)換熱面積發(fā)生變化，主冷液氧蒸發(fā)量發(fā)生變化，上塔提餾段上升蒸氣流量改變，上塔提餾段氧氣純度變化。

調(diào)節(jié)主冷冷凝側(cè)抽取的液氮產(chǎn)品流量，主冷熱負(fù)荷變化明顯，上塔提餾段氧氣純度變化幅度明顯，氧氣純度運(yùn)行值易調(diào)節(jié)。液氮產(chǎn)品純度與產(chǎn)量限制氧氣純度調(diào)節(jié)范圍。

液氮產(chǎn)品流量調(diào)節(jié)方法適用于內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備熱開車、冷開車、運(yùn)行狀態(tài)時(shí)調(diào)節(jié)氧氣純度。

3.4 主冷液位調(diào)節(jié)方法

改變主冷蒸發(fā)側(cè)液氧液位，使主冷蒸發(fā)側(cè)液氧換熱面積、主冷溫差改變，主冷熱負(fù)荷發(fā)生變化，主冷液氧蒸發(fā)量變化，上塔提餾段上升蒸氣流量改變，上塔提餾段氧氣純度變化。

調(diào)節(jié)主冷蒸發(fā)側(cè)液氧液位，上塔提餾段上升蒸氣流量變化幅度較大，氧氣純度變化量較大，氧氣純度調(diào)節(jié)時(shí)間較短，氧氣純度易調(diào)節(jié)且穩(wěn)定。主冷安全運(yùn)行值限制氧氣純度調(diào)節(jié)范圍。

主冷液位調(diào)節(jié)方法適用于內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備熱開車、冷開車時(shí)調(diào)節(jié)氧氣純度。

3.5 粗氬塔工況調(diào)節(jié)方法

3.5.1氬餾分流量

通過改變粗氬冷凝蒸發(fā)器熱負(fù)荷，改變從上塔提餾段抽取入粗氬塔進(jìn)行精餾的氬餾分流量，使上塔提餾段上升蒸氣流量發(fā)生變化，上塔提餾段回流比變化，上塔提餾段氧氣純度變化。

調(diào)節(jié)粗氬冷凝蒸發(fā)器熱負(fù)荷，上塔提餾段抽取入粗氬塔精餾氬餾分流量變化明顯，上塔提餾段氬餾分抽口處上升蒸氣中氬、氮、氧組分含量變化明顯，主冷液氧及上塔提餾段氧氣純度變化值較小，氧氣純度運(yùn)行值不易控制。在空分設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，為保持粗氬塔精餾工況、液氬純度及產(chǎn)量穩(wěn)定，粗氬冷凝蒸發(fā)器熱負(fù)荷不需做較大幅度調(diào)節(jié)。

氬餾分流量調(diào)節(jié)方法不適用于內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備氧氣純度調(diào)節(jié)。

3.5.2循環(huán)粗氬泵負(fù)荷

通過改變循環(huán)粗氬泵回流閥開度及變頻器負(fù)荷，使循環(huán)粗氬泵負(fù)荷改變，循環(huán)粗氬泵從粗氬Ⅱ塔塔釜抽取經(jīng)粗氬Ⅰ塔輸入上塔提餾段的富氬液氧流量改變，上塔提餾段回流液體流量變化，直接影響上塔提餾段回流比，氧氣純度發(fā)生變化。

調(diào)節(jié)循環(huán)粗氬泵負(fù)荷，經(jīng)粗氬Ⅰ塔入上塔提餾段的富氬液氧流量變化明顯，富氬液氧流量值易控制，上塔提餾段回流比變化量較大，氧氣純度及氬餾分氬含量調(diào)節(jié)時(shí)間短。粗氬Ⅱ塔塔釜液位安全運(yùn)行值限制氧氣純度及氬餾分氬含量調(diào)節(jié)范圍。

循環(huán)粗氬泵變負(fù)荷調(diào)節(jié)方法較適用于內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備熱開車、冷開車時(shí)調(diào)節(jié)氧氣純度。

3.6 液空氧含量調(diào)節(jié)方法

內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備從主冷中抽取部分液氧經(jīng)液氧泵加壓輸入主換熱器氣化、復(fù)熱，制取產(chǎn)品氧氣。改變下塔塔釜液空氧含量，使上塔提餾段氧、氮組分平衡工況改變，主冷液氧及上塔提餾段氧氣純度發(fā)生變化。

調(diào)節(jié)下塔液空氧含量，下塔及上塔提餾段氧、氮組分達(dá)到平衡工況精餾時(shí)間較長(zhǎng)，上塔提餾段氧氣純度調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，氧氣純度變化量較少。

液空氧含量調(diào)節(jié)方法較適用于內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備熱開車、冷開車時(shí)調(diào)節(jié)氧氣純度。

4 內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備熱開車氧氣純度調(diào)節(jié)方法運(yùn)用實(shí)例

在馬鋼20 000 m3/h內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備熱開車調(diào)純階段，對(duì)氧氣、氮?dú)饧兌燃皻屦s分氬含量進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)空分設(shè)備精餾工況變化，運(yùn)用不同氧氣純度調(diào)節(jié)方法，將氧氣純度調(diào)節(jié)分為3個(gè)階段。

第1階段：在氧氣、氮?dú)饧兌染春细駮r(shí)，調(diào)節(jié)氧氣純度。

啟動(dòng)中壓液氧泵，根據(jù)氧氣純度升幅，逐步將氧氣流量、高壓空氣流量壓力增至大于低報(bào)警值小于正常運(yùn)行值，以減少入上塔提餾段液空流量，降低上塔提餾段回流比。同時(shí)，根據(jù)主塔物料、組分平衡原理，調(diào)節(jié)氮?dú)夥趴臻y、污氮?dú)鈮毫φ{(diào)節(jié)閥，分步將氮?dú)饬髁俊⑽鄣獨(dú)鈮毫χ嫡{(diào)至正常運(yùn)行值，使氧氣純度運(yùn)行值升高。

根據(jù)下塔阻力變化，分步將低壓空氣流量增至正常運(yùn)行值。同時(shí)調(diào)節(jié)中壓膨脹空氣流量，保持主冷液位穩(wěn)定，以此提高主冷熱負(fù)荷，增加上塔提餾段上升蒸氣流量。同時(shí)，根據(jù)液空氧含量，逐步增大液氮節(jié)流閥、污液氮節(jié)流閥開度，將下塔液空氧含量升至正常運(yùn)行值，使上塔提餾段氧氣純度升至正常運(yùn)行值。

第2階段：調(diào)節(jié)氮?dú)饧兌?、氬餾分氬含量，保持氧氣純度穩(wěn)定。

根據(jù)下塔頂部液氮純度與上塔頂部氮?dú)饧兌炔钪?，調(diào)節(jié)液氮節(jié)流閥，使氮?dú)饧兌群细?。同時(shí)在下塔頂部液氮純度合格時(shí)，根據(jù)液氮純度變化，開啟液氮產(chǎn)品調(diào)節(jié)閥Ⅴ8，逐步增加液氮產(chǎn)品流量，提高主冷蒸發(fā)側(cè)液氧蒸發(fā)量，減少上塔提餾段氬餾分抽口處回流液體、上升蒸氣中氬氮組分含量，降低氬餾分氬含量，使氧氣純度大于正常運(yùn)行值。

根據(jù)氧氣純度與污氮?dú)庋鹾孔兓鸩綄⒀鯕饬髁?、高壓空氣流量壓力增至正常運(yùn)行值。同時(shí)，根據(jù)氬餾分氬含量變化，調(diào)節(jié)旁通氧氣流量調(diào)節(jié)閥Ⅴ7，提高上塔提餾段回流比，使上塔提餾段氬富集區(qū)移至正常運(yùn)行區(qū)域，將氧氣純度調(diào)至正常運(yùn)行值。

第3階段：粗氬塔投運(yùn)時(shí)，調(diào)節(jié)氧氣純度穩(wěn)定。

在氧氣、氮?dú)饧兌燃皻屦s分氬含量達(dá)到正常運(yùn)行值時(shí)，粗氬塔投運(yùn)，是將已建立物料、組分、冷量平衡狀態(tài)的主塔過渡至主塔、粗氬塔均達(dá)到物料、組分、冷量平衡狀態(tài)。因上塔提餾段氬餾分氬含量變化0.1%，氧氣純度變化1%，氬餾分氬含量變化率大于氧氣純度變化率。在粗氬塔投運(yùn)階段，根據(jù)上塔提餾段氬餾分氬含量變化，調(diào)節(jié)氧氣純度。

在粗氬塔初步投運(yùn)時(shí)，根據(jù)上塔提餾段氬餾分氬含量變化，逐步開啟粗氬冷凝蒸發(fā)器液空進(jìn)液閥，逐步提高粗氬冷凝蒸發(fā)器熱負(fù)荷，使氬餾分抽取量逐步增加。因下塔塔釜液空導(dǎo)入上塔提餾段流量減少，逐步使主冷液位降至大于低報(bào)警值小于正常運(yùn)行值，使上塔提餾段上升蒸氣液化量降低、回流液體蒸發(fā)量增加，將氬餾分氬含量減至小于正常運(yùn)行值，控制氧氣純度運(yùn)行值升幅小。在粗氬Ⅱ塔塔釜液位升至正常運(yùn)行值時(shí)，啟動(dòng)循環(huán)粗氬泵，根據(jù)上塔提餾段氬餾分氬含量變化，調(diào)節(jié)循環(huán)粗氬泵回流閥開度、變頻器負(fù)荷，調(diào)節(jié)輸入上塔提餾段富氬液氧流量，逐步使主冷液位提高，使上塔提餾段上升蒸氣液化量增加、回流液體蒸發(fā)量降低，提高氬餾分氬含量，控制氧氣純度運(yùn)行值降幅小。

在粗氬塔工況建立進(jìn)行粗氬純度調(diào)節(jié)時(shí)，根據(jù)粗氬Ⅱ塔塔釜液位變化，減小循環(huán)粗氬泵回流閥開度、增大循環(huán)粗氬泵變頻器負(fù)荷，提高輸入上塔提餾段富氬液氧流量，將主冷液位升至正常運(yùn)行值。同時(shí)調(diào)節(jié)污氮?dú)鈮毫φ{(diào)節(jié)閥、旁通氧氣流量調(diào)節(jié)閥，使上塔提餾段上升蒸氣液化量增加、回流液體蒸發(fā)量降低，將氬餾分氬含量增至正常運(yùn)行值，使氧氣純度減至正常運(yùn)行值。

5 結(jié)束語

液氧內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備與氧氣外壓縮流程空分設(shè)備工藝流程有較大不同，氧氣純度調(diào)節(jié)方法差異較大。通過對(duì)內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備工藝流程特點(diǎn)與影響氧氣純度因素分析，針對(duì)性運(yùn)用適合不同精餾工況的各種氧氣純度調(diào)節(jié)方法，在空分設(shè)備開車、運(yùn)行時(shí)，使氧氣純度調(diào)節(jié)時(shí)間短、氧氣純度運(yùn)行值穩(wěn)定。