提高20000 m3/h制氧机氩产量攻关实践

唐友军，蒋卫兵，黄春涛，刘江淮，孟繁涛

（马鞍山钢铁股份有限公司气体销售分公司，安徽马鞍山 243000）

前言

马鞍山钢铁股份有限公司（以下简称：马钢）20000 m3/h空分设备是杭氧设计制造的首套大型内压缩流程空分装置，采用分子筛吸附净化、膨胀空气进下塔，下塔为筛板塔，上塔为规整填料塔精馏、全精馏制氩流程。2004年机组建成投产以来，氧、氩产品产量偏低，机组运行能耗高。2015年9月～11月，杭氧对该套空分设备进行了优化设计改造。改造后，氧气产量经调试达到设计值，氩产量仍较低，只有550 m3/h（改造后设计值750 m3/h）。2017年10月设备启运后，进一步对主塔进行了优化调整，氩产量逐步提高到750 m3/h。

1 工艺流程优化改造介绍

图1为20000 m3/h空分设备优化设计改造后的流程简图。

2 设备运行状况

2016年10月8日，改造后的20000 m3/h制氧机启动进行调试生产。经过调试，氧气产量达到设计值，但下塔液空纯度偏低，下塔阻力只有15 kPa左右，氩馏分中氮组分含量较多，制氩系统精馏工况不稳定。为避免粗氩冷凝器氮塞，只能将氩馏分中氧含量控制得较高，使得粗氩Ⅰ塔出口AIA702含氧20%以上，粗氩Ⅱ塔出口微量氧AIAS704接近5×10-6，氩产量只有550 m3/h左右。机组运行参数见表1。

图1 20000 m3/h空分装置高压节流液空优化改造流程图

3 原因分析

3.1 下塔液空含氧量过低

20000 m3/h制氧机主冷液氮回下塔手动控制阀V11开度为33圈（共120圈），液氮节流阀V3受下塔顶部液氮纯度制约，最大只能开到52%，如果继续开大，则下塔液氮含氧量和上塔氮气含氧量都会

表1 2016年10月至2017年5月期间运行参数

上升。这是因液氮回流阀V11开度偏小，下塔上部回流比小，下塔顶部氮气含氧增多，冷凝后液氮含氧也增多。为确保产品氮合格，必须关小液氮节流阀V3，以提高下塔上部回流比，这样造成去上塔的纯液氮量小，液空含氧低，氩馏分含氮增多。

3.2 上塔提馏段回流比大

高压节流液空分别经截止阀V22进下塔和节流阀V2进上塔，而这两根管线管径相同，在运行过程中V22处于全开状态，进入下塔的高压节流液空量较多，降低了下塔富氧液空的氧含量。同时，为保持下塔液空液位在正常值，液空节流阀V1开度在70%以上，使得上塔提馏段回流比增大，氩馏分含氮增多。

3.3 上塔氮气取出量少

由于液氮节流阀V3开度小（最大为52%），节流到上塔的纯液氮量少，如果将氮气产量提到20000 m3/h，则上塔精馏段回流比小，产品氮气含氧升高。所以为了保证产品氮气纯度合格，上塔氮气取出量只有18700 m3/h，造成上塔压力升高到43 kPa，上塔氩富集区下移，氩馏分含氮增多。

4 工况调整

4.1 调整思路

针对上述原因，决定先提高下塔顶部液氮纯度，然后在下塔液氮纯度满足要求的前提下，增大去上塔顶部的纯液氮量；在下塔富氧液空满足粗氩冷凝器所需的前提下，增大去上塔上部的高压节流液空量。

4.2 调整步骤

（1）2017年10月 10日 20000 m3/h制氧机启运，在粗氩塔投运后，10月17日开始逐步将液氮回流阀V11开大,视上塔产品氮气纯度情况，再逐步开大液氮节流阀V3，同时增大产品氮气产量，上塔压力下降，污氮气含氧降低，下塔阻力上升，液空含氧升高。参数变化见表2。

（2）11月12日开始逐步关小高压节流液空进下塔截止阀V22，同时，逐步开大节流阀V2，减少进下塔的液空量，增加进上塔上部的液空量，随着下塔液空量的减少，液空节流阀V1也逐渐关小，液空含氧增加，上塔氩馏分中氮组分减少。液空纯度变化见表3。

表2 调整V11、V3主塔参数变化情况

表3 调整V22、V2、V1液空纯度变化情况

通过以上调整，上塔氩富集区上移，氩馏分中氮组分减少，制氩系统工况稳定，氧、氩分离效果提高，粗氩Ⅰ塔、Ⅱ塔出口氧含量降低，氩产量提高到750 m3/h。调整前后氩系统参数对比见表4。

表4 调整前后氩系统参数对比

5 总结

下塔精馏是上塔精馏的基础，必须合理匹配液氮回下塔和去上塔的量，在下塔顶部液氮纯度合乎要求的情况下，要尽可能地将液氮向上塔转移，并增大高压节流液空进上塔的量，以提高液空氧含量，减少氩馏分中的氮组分，确保制氩系统稳定。同时，上塔精馏段回流比增大，污氮气氧含量降低，氩的提取率提高，氩产量得以提高。