【空分论文】空分装置加温问题的探讨和实践

江苏苏钢集团有限公司 苏州市

【摘要】提出并分析了一些情况下空分停车时不按常规进行加温的方法，对两种加温方法进行分析对比，提出了对氩塔加温存在的问题和改进建议。

【关键词】空分设备 加温  改进

2015年11月由于种种原因，我公司特钢电炉生产线停产一个月检修，为其配套的6500m³/h空分装置全线停机26天。经过讨论，我们没有按照常规的方法对空分装置进行加温，而采取“只排液、不加温”的方法，取得了成功。现将对这一问题的思考和有关情况介绍给大家，供同行参考。

1  装置停机较长时间的排液和加温问题

1.1  问题的提出

以前我公司有三套空分设备，都只有其中一至二套空分设备停机检修而没有空分全停的情况，此时则往往在装置排液后，或直接加温好后通入另外的空分装置的低压氮气，或排液后根本不用本装置空气加温，而直接通入另外的空分装置的低压氮气加温吹扫以节能。现在仅有一套空分，（另外两套空分因为公司转型开发已拆除），于是在空分装置停车前，笔者组织有关人员对设备的排液加温操作进行了讨论。

1.2  讨论及结论——不加温更好

首先，对于空分塔内液体的排放，大家均没有什么异议。按照空分设备说明书或操作规程规定通常停机停机超过一定时间要排掉主冷液体，同时考虑装置全系统加温。文献一：“如停车时间较长，应排放液体；一般停车时间大于48h应进行全系统加温再启动。”还有些设备的说明书规定主冷液位下降到正常运行参数的一定比例以下时必须排液。

其次，有人建议说“将300m³储槽内液氮汽化后通入空分装置以保持正压，避免湿空气进入低温系统”，但是因为我们的储槽不大，停机前液氮储存量又少（只有约三分之一），加上停机后有关高炉和轧钢红外探伤线等用户还要使用氮气，而且常压储槽还必须经常增压才能送出，到空分开车时还要提供仪表气源，因此很快否定了此方案。

问题的焦点在于停机后是否对装置排液后空分设备加温。大部分人的意见是应该要全系统加温，理由是“由于空分设备冷箱内的设备处于低温状态，且一些产品气体管道上的气动调节阀一般关不严，事实上是通大气的，氮气、污氮管直接通水冷塔，空分设备内低温液体蒸发冷量外移，可能会使湿空气被低温冻结到设备里面，空分设备的很多问题，装置一加温就都解决了。”

这种说法似乎很有道理，但笔者却提出了另外一种观点，建议“只排液不加温，等再启动前对系统短时间吹一下”，这样做既节约了加温用能源，又避免湿空气进入系统。现分析如下：

全系统加温是一般是将冷箱内的设备加温至5℃以上后停机，以前的加温历史一般需要~36小时。但是经验还告诉我们，加温停止后由于空分装置经过长期运行后，珠光砂还处于低温状态，因此若进行系统加温，那么加温前后空分设备内的温度变化趋势是“低——高——低”的情况，即加温时设备温度由低温渐渐升高，结束后主塔、氩塔等设备吸收珠光砂内的冷量后温度会重新下降，停止加温后主塔温度降低到-40℃、氩塔等处的温度更低到-60℃以下，当设备温度从高到低下降时，反而会形成负压而导致湿空气负吸进入；而且还增加了加温用电。

简化计算：空分装置上下塔、粗氩I塔II塔、过冷器、主换热器、管道等总容积为R, 将设备内的气体视为理想气体，加温结束时温度为T₁=5℃=278K,压力为P1，经过放置，珠光砂将冷量传递给设备，冷箱内设备平均温度下降至为T₂=-40℃=233K,P₂=P₁*T₂/T₁=233/278=0.84，则体积将缩小为原来的84%，塔内压力下降，造成从外面吸入湿空气。

若只排液不加温，开始时塔内有残液不得蒸发形成正压，即使液体蒸发光了，塔内没有正压，冷箱内设备和珠光砂虽然是低温状态，温度会自然回升，但温度回升曲线是单边向上的，都始终处于上升的过程，不可能有由高向下降低的过程，不会造成体积缩小形成负压，还可以关上氧气、氮气、污氮出塔的调节阀，尽可能避免湿空气进入。

同样列算式：空分塔停机时温度为T₀，压力P₀=1大气压,若停机后不加温，整个空分塔的温度始终处于上升过程中，再启动前任何时候温度T₂>T₀,则压力P₂=(T₂/T₀)P₀>1大气压，始终为正压，不会导致负吸。

另外，即使塔内少量残液蒸发时导致冷量外移，在产品管出口形成一定的低温，最多也只会在产品管出口处内壁凝结极少量湿空气，不会进入设备内，这些水分在开车时返流气体一通过就被吹除了。

1.3  结论——不加温既可靠又节能

在停机时空分装置只排液不加温，还在塔内留了少量液体让它自然蒸发，约8天后液体基本蒸发光（没有蒸发完设备温度基本不上升，蒸发完后设备温度开始上升），液体蒸发也造成了主换热器中部温度下降，热端少量出汗结霜，我们加强检查，结霜并不严重，对产品碳钢管没有大的影响。到26天后再启动时，只对系统进行了1个多小时吹扫，并没有完全将所有设备加温到常温，我们吹扫结束开透平膨胀机时氩塔温度还在-30℃左右（氩塔一般较难以加温），空分开机冷却降温速度也更快，积液结束停一台膨胀机后，主换热器中部温度也很快正常，之后空分运行一切正常。

之所以只吹扫很短的1个多小时时间，一是因为本身分子筛流程的设备在之前运行中分子筛吸附器完全正常，出吸附器的二氧化碳等含量很低，另外主换热器阻力也没有升高，只要系统不出现负吸，湿空气不会深入系统内；二是即使在返流的产品管口冻结有少量水分，当再启动吹扫甚至是正常开机后，从产品管出来的返流气体既低压干燥又复热常温的，能够将水分清除带走。相反，若排液后进行了加温的话，造成负吸，湿空气进入，再启动时就必需较长时间较为彻底的加温吹扫，反而造成能源浪费。

若以6500m³/h空分装置全系统加温36小时，空压机、水泵、冷水机组、分子筛吸附器再生加热器等运行计算，大约节电11万KWh。

笔者参考了许多单位的多版空分操作规程，虽然都是分子筛流程的设备，但都规定停机48小时以上要求排液加温，究其原因，估计都是延续了以前可逆式换热器流程时代的版本，那时候采用冻结法自清除方式处理水分和二氧化碳，原料空气没有被吸附干燥，若设备不加温，再启动时湿空气进入，易引发各类问题，因此规定要排液静置加温，加温还设有专门的加温流路，采用干燥器、罗茨鼓风机、加热器等设备，现在流程早已经进步，应该及时改变操作规程。 

2 对外直排和返流管排出两种加温方法比较

  空分装置加温吹除的目的有（非安装后初次吹扫加温）：使设备从工作时的低温状态恢复至常温以便进行检修等工作；升温使进入低温系统的水分、二氧化碳、碳氢化合物等有害组分汽化吹出，以保证设备正常安全运行。

加温一般采用通过产品返流管道排出和通过吹除或排液阀直接对外直排（吹除）两种方式。

若单位加温空气的平均比热为c，带走的冷量为Q，正流空气入塔温度为t₁，出塔温度为t₂，则Q=c*(t₁-t₂)。

产品管排出：气体加温经过过冷器、主换热器从返流氮气、氧气、污氮管道出塔。这种方法加温空气先吸收主换热器、下塔、过冷器、上塔、管道等的冷量后温度下降，然后又经过冷器、主换热器复热至温度t_2a后排出。

对外直排：这种方法加温空气主换热器、下塔、过冷器、上塔、氩塔逐渐冷却至温度t_2b后直接由各处的吹除阀、排液阀及粗氩放空阀吹出塔外。

在每次系统加温操作中这两种方法其实都同时会使用，通过产品管复热后吹出塔外，正流空气到低温设备内之后换热吸收了设备的冷量，使设备温度渐渐上升，但是从返流管道出去时，又通过过冷器、主换热器等将冷量传给后面进入的正流空气，重新使冷量进入设备内，这种方法设备温度上升缓慢，加温时间长，优点则是塔内的设备热胀冷缩的变形慢，对设备伤害较小。通过吹除、排液阀直接排出的方法，则正流空气经过主换热器、过冷器、下塔（上塔、氩塔）等设备一路上吸收冷量，被冷却到很低温度t_2b后直接排出塔外不再回收，也就是说对外直排时的t_2a远低于从产品管排出时的t_2b，因此加温时间短得多，相对而言，温升快，热胀冷缩较快，理论上对设备的伤害较大，但是实际上现在的加温空气还是经过主换热器等一路降温下去的，和设备之间的温差并不大，对设备没有什么大的影响（而不似以前切换式换热器自清除流程时代设有单独的加温流路，用罗茨鼓风机将加温气体经过加热器加温到80℃左右后直接进塔加温）。

3 氩塔难以加温的问题与改进建议

有经验的空分操作人员都有以下实践体会，系统大加温时，粗氩塔较难加温，温度回升很慢。原因一是粗氩塔高大，蓄冷多；二是加温气量小。现分析如下，并且提出一些改进意见供参考。

3.1 全精馏制氩的粗氩塔高度高、容积大，蓄冷量很大。

空气中氩组分的含量较少，在主塔中氩馏分中的氩含量仅浓缩至8~12%，粗氩塔运行时进的氩馏分量很大，氧氩的沸点较接近，分离较困难，理论塔板数较多，因此全精馏制氩的粗氩塔的容积较大、高度很高，全精馏制氩粗氩塔采用规整填料和塔内件蓄冷量非常大。

3.2 进粗氩塔加温缺少动力，气量小。

粗氩塔正常工作时氩馏分是进粗氩塔的动力是靠粗氩冷凝器中液空（冷源）不断蒸发将氩不断冷凝后其体积缩小，从而不断进入粗氩塔。粗氩塔发生严重氮塞时氩馏分量大大减小其实是冷凝器工作变差，粗氩塔中上升气冷凝量变少的情况。

在空分装置系统大加温时，由于粗氩塔冷凝器没有冷凝蒸发是不工作的，粗氩塔的加温只有对外直排，是没有从返流管排出的。由于氩馏分从上塔进入的管道及液体从粗氩塔回上塔的回流管道都连通在上塔，两者压差很小，加温时这两路都是加温空气进入粗氩塔的（液体回流管也是加温气进入粗氩塔），但动力很小，进入粗氩塔的气量很小，只有少量加温气通过粗氩排放管道和粗氩塔吹除阀对外放气，由于这些管道直径很小，对外放的气体量小。

因此，系统大加温时都出现这一问题，对上塔而言，返流氮气、污氮等管径很粗，流经加温气量很大，温度很容易就升高了。但是进入粗氩塔的加温气很少，往往主塔温度早就是正的温度，而粗氩塔温度迟迟不升上来，造成总体加温时间大大延长，浪费了大量能源。

3.3 改进建议

对氩塔较难加温的问题，笔者提出以下改造意见，供设备设计制造单位及同行参考。 

建议设计时在粗氩II塔上部设一路可对外直接吹除的管线，此管线可利用粗氩II塔冷凝器的粗氩进冷凝侧的升气管改造引出，也可以加大粗氩出口管直径引出，或者有的流程中粗氩II塔设安全阀，可以在安全阀管线出冷箱后设三通，增加对外直排流路，以使气体对外直排的能力加大。新建设备用户可向设备制造商提出设计更改，老用户可以在扒珠光砂检修时改造，粗氩II塔有安全阀的流程的则不用扒珠光砂即可改造。

即使粗氩塔没有设安全阀，也无法扒珠光砂，也建议在上塔安全阀管线出冷箱后设三通，增加对外直排流路，这样直排加温可以缩短加温时间，节约能源，但加大对外直排后，返流污氮气会减少，要注意分子筛吸附器的再生气量应该满足工艺要求，不足时要开大空气旁通增加再生气量。

参考文献

【1】 毛绍融等. 现代空分设备技术与操作原理.334页；

【2】 王太忱. 空分装置长期停机后主冷凝器排液及加热问题的讨论 . 冶金动力，1990（4）22-24页

作者简介：钱立新，男，1989年毕业于浙江大学低温专业，正高级工程师。