CN102466390A

CN102466390A - 空气分离厂氮气增产方法

Info

Publication number: CN102466390A
Application number: CN2010105539388A
Authority: CN
Inventors: 汤恩溶; 陈正忠; 林盈泽
Original assignee: China Steel Corp
Current assignee: China Steel Corp
Priority date: 2010-11-11
Filing date: 2010-11-11
Publication date: 2012-05-23

Abstract

一种可在空气分离厂的氮气增产方法与设备，特别是用于空气分离厂中氮水预冷系统的改良，藉由调降进氮水预冷系统的氮气流量，并将其导至氮压机，以供后续利用。为了不致使进入分子筛吸附系统的气体含有较高的饱和水蒸气，使吸附效果变差，本发明增加了冷冻机的冷冻能力，可降低进入空冷塔的冷却水温度与出空冷塔的空气温度，提升空冷塔的冷却效果，如此可提升氮气产品的产量。根据本发明的氮气增产方法，可以减少空分机组使用的数量，且相对于尽管增加了冷冻机组的使用数目或能力，其可以节省较多的能源消耗。

Description

空气分离厂氮气增产方法

技术领域

本发明是有关于一种在空气分离厂的氮气增产方法，特别是用于空气分离厂中氮水预冷系统的改良。

背景技术

从空气中分离出氮气与氧气的方法，在制铁、化学及电子工业等广泛领域皆有使用着，尽管空气分离系统已发展至高度成熟的境界，但是针对分离效率的提高、操作成本的降低与操作安定性的提升等仍有许多待研究与改善的地方，本发明即是针对实际操作上的改良，以降低操作成本的方法。

如图1所示为习知的空气分离厂的空气分离设备流程图，此空气分离机组是属于分子筛吸附式、无氢制氩流程的空气分离设备，其包括：空压机1，其用以提供制程空气所需压力；空气预冷系统，其用以将空压机加压后的高温空气冷却，此空气预冷系统包含SC空气冷却塔(Spray cooler)2及EC水冷却塔(Evaporativecooler)3；分子筛吸附器4，其用以将制程空气杂质如碳氢化合物、CO₂、N₂O、H₂O等过滤；主热交换器6，其可将制程空气降温并将出分馏塔的产品回收冷度，其将出分馏塔5的氧、氮气做热交换以做复热用；分馏塔5，其藉由规整填料塔或筛盘塔，利用氧、氮、氩在不同压力下的沸点不同，而将氧、氮、氩分离出来；复数台氮压机7、氧压机15，其压缩出分馏塔且经主热交换器6复热后的氮、氧气产品，以供下游使用；膨胀拓平(透平)机8，其用以提供整个分馏制程所需的冷度。

而整个空气分离程序的操作流程是，从空压机1来的高温空气9进入SC空气冷却塔下部2c，与从水泵10a来的常温冷却水11在SC空气冷却塔中部2b逆流直接接触，进行热交换，空气得到初步冷却后，再上升到SC空气冷却塔上部2a，与来自EC水冷却塔3的低温冷却水12进一步热交换后，排出SC空气冷却塔2，此排出SC空气冷却塔2的制程空气，进入分子筛吸附系统4后，经主热交换器进行热交换，再进入分馏塔进行氧、氮、氩的分馏。

在空气冷却塔(SC空气冷却塔)的冷却水有两路，一路为进入EC水冷却塔12a，与出分馏塔5的混合氮气(氮气+废氮气，此废氮气为纯度较低的粗氮气)做热交换，藉由与混合氮气热交换后即成为低温冷却水12，此低温冷却水12再进入SC空气冷却塔上部2a。另一路为由水泵10a直接送入SC空气冷却塔中部2b的常温冷却水11，此两路冷却水与空气热交换后，在SC空气冷却塔下部2d汇集后，即排出此空冷塔2，另外此混合氮气则从EC水冷塔下部3a进入后，再由此EC水冷塔上部3b排出。在空气冷却系统，配套设备有空气冷却塔2、冷冻机10c、EC水冷却塔3、水泵10a、10b等，冷冻机10c一般附属于此EC水冷却塔系统3。

此空冷系统流程为近几年中最常用的，它取消了冷水机组，以水冷塔代替，充分利用了空分设备的副产品混合氮气(氮气+废氮)的吸湿性以及冷冻机10c的协助来得到低温水，因此大大降低了能耗。SC空气冷却塔2和EC水冷却塔3采用了最先进的填料塔形式，具有阻力小、效率高、处理能力强等优点。

由主热交换器内返流的废氮14a和氮气14b，除满足分子筛吸附器4再生所需的一部份外，其余均从EC水冷却塔下部进入3a，由下而上穿过EC水冷却塔的塔板或填料层，与向下喷淋的水12a进行热交换。由于废氮14a和氮气14b对应当时温度是不饱和的，所以有一部份水会蒸发成蒸汽进入废氮14a和氮气14b中，水蒸发时可吸收大量潜热以及水可与废氮14a和氮气14b之间做热交换，因此使水得到冷却。被冷却后的水由水泵10b压送到冷冻机10c再冷却，后续输送到SC空气冷却塔的顶部2a。

在SC空气冷却塔2中，由空压机1来的压缩空气，其进入空气冷却塔的塔底2c，并由下向上穿过塔板和填料层。在这些气、液接触面上，压缩空气与逆流喷淋的冷却水11、12进行热交换，空气温度降低，空气中的饱和水分含量减少，水蒸气凝结成水后加入到冷却水中。而在EC水冷却塔3中，废氮和氮气的混合氮气从下到上，温度升高，含水量增大；水从上向下，温度降低，水量减少，出EC水冷却塔底部3c的冷却水经过水泵10b的加压与冷冻机10c的冷却送入SC空气冷却塔2中来做为冷却用。

在空冷系统影响EC水冷却塔降温效果的因素很多，但其中关键的因素是水-气比，即喷淋水量与气体流量的比值。因混合氮气中的饱和蒸汽量有上限值，所以EC水冷却塔中水温降低的程度，取决于水-气比的值，如此一来，此EC水冷却塔3中的降温程度也是有限度的，需要用较大流量的混合氮气来提升此EC水冷却塔3的冷却效果，如减少此混合氮气流量，如此出EC水冷却塔3的冷却水温度会升高，此会影响SC空气冷却塔2中的空气冷却效果，如SC空气冷却塔2中的冷却效果降低，空气会具有较高的温度与饱和蒸汽压，如此即会使分子筛吸附器4的吸附负担变重，进而影响空气分离厂的生产能力。

本发明所相关的气体工厂的氮气产量有额外需求时，需额外增加空分机组与氮压机来增加氮气的产量，但此氮压机的压缩限额为35000NM³/H，超出限额的氮气会送往EC水冷却塔3做为冷却水的冷媒用，一般，空分机组可做为氮气产品用的产能约占制程空气的一半。例如制程空气量160000NM³/H，氮气产量约有80000NM³/H，所以会有45000NM³/H的氮气被送往EC水冷却塔3，在不增加空分机组的数量且要维持空气分离机组稳定运转的情况下，如能再利用此部分的氮气，则即可增加氮气的产出来供下游使用与调配，而不需多开额外的空分机组，如此可节省大量能源消耗。

发明内容

本发明提供一种在空气分离厂的氮气增产方法与设备，特别是用于空气分离厂中氮水预冷系统的改良，藉由调降进氮水预冷系统的氮气流量，并将其导至氮压机，以供后续利用。为了不致使进入分子筛吸附系统的气体含有较高的饱和水蒸气，使吸附效果变差，所以本发明增加了冷冻机的冷冻能力，如此则可降低进入空冷塔的冷却水温度与出空冷塔的空气温度，并提升了空冷塔的冷却效果，所以如此即可提升氮气的产量，此为构造简单且具扩充性的发明设计，根据本发明的氮气增产方法，可以减少空分机组使用的数量，且相对于尽管增加了冷冻机组的使用数目或能力，其可以节省较多的能源消耗。

附图说明

图1为习知的空气分离厂的空气分离设备流程图。

图2为本发明的实现例的空气分离机组监控参数示意图。

图3至图10为本发明的各监控参数的监控数据图

【主要元件符号说明】

1 空压机 2 SC空气冷却塔

2a SC空气冷却塔上部 2b SC空气冷却塔中部

2c SC空气冷却塔下部 2d SC空气冷却塔底部

3 EC水冷却塔 3a EC水冷却塔下部

3b EC水冷塔上部 3c EC水冷却塔底部

4 分子筛吸附器 5 分馏塔

6 主热交换器 7 氮压机

8 膨胀拓平机 9 高温空气

10a 水泵 10b 水泵

10c 冷冻机组

11 常温冷却水 12 低温冷却水

12a 常温冷却水 14a 废氮

14b 氮气 14c 氧气

15 氧压机

T0 进空压机的空气温度

T1 出SC空气冷却塔的空气温度

T2 冷冻水的温度

T3 出EC水冷却塔的水温

T4 入SC空气冷却塔的水温

T5 空气出分子筛吸附器的温度

A1 空气出分子筛吸附器的CO₂值

A2 空气出分子筛吸附器的H₂O值

F1 冷冻水流量

F2 出分馏塔上塔氮气总量

F3 去EC水冷却塔的氮气流量

P1 分馏塔上塔压力

L1 EC水冷却塔的液位值

V10 压缩空气到EC水冷却塔的控制阀

具体实施方式

参考图2所示，其揭示本发明的实现例的空气分离机组监控参数示意图，其包含：进空压机1的空气温度T0、出SC空气冷却塔2的空气温度T1、冷冻水的温度T2、出EC水冷却塔3的水温T3、入SC空气冷却塔2的水温T4、空气出分子筛吸附器4的温度T5、空气出分子筛吸附器4的CO₂值A1、空气出分子筛吸附器4的H₂O值A2、冷冻水流量F1、出分馏塔5上塔氮气总量F2、去EC水冷却塔3的氮气流量F3、分馏塔上塔压力P1、EC水冷却塔3的液位值L1与压缩空气到EC水冷却塔3的控制阀V10。

此空气分离系统的氮气增产方法，第一步骤是需先将去E.C冷源的低压氮气减少，并将其排放，以测试对机组设备运转、系统安全与分馏平衡稳定的影响，并确认上述参数是否有异常，第二步骤是将撷取出的氮气送往氮压机压缩，并开启冷冻机组，缓慢降低去E.C冷源的低压氮气以每次减少500～1000NM³/H，观察20～30分钟内的空气出SC空气冷却塔温度变化T1、冷冻水的温度T2、出EC水冷却塔3的水温T3、入SC空气冷却塔2的水温T4、空气出分子筛吸附器4的CO₂值A1、空气出分子筛吸附器4的H₂O值A2、出分馏塔5上塔氮气总量F2与去EC水冷却塔3的氮气流量F3，其中特别要观察此空气出分子筛吸附器4的CO₂值A1与出SC空气冷却塔2的空气温度T1，当A1其值偏高或出现高峰值时，代表此分子筛吸附器4的吸附能力已降低，当T1也偏高时，代表需要提高冷冻机组10c的冷冻能力，当减少去EC氮气与EC循环水热交换所损失的冷源，以启动两台现有的冷冻机来补充，多启动一台冷冻机组的冷冻能力可满足需求，此两台启动的冷冻机组可用并联或串联连接来提升冷冻能力，空气分离机组的氮压机7所能压缩的氮气量，视启动冷冻机10c所制造冷冻量以用来补偿氮水热交换的冷量而定，其中此第一与第二步骤的重要参考指标为出SC空气冷却塔2的空气温度T1需＜10℃、冷冻水的温度T2需＜9℃以及空气出分子筛吸附器4的CO₂值A1与空气出分子筛吸附器4的H₂O值A2，上述第二步骤可能产生的风险有，若空气分离机组不稳导致跳机，会连带使此氮压机7跳机，且若空气分离机组跳机恐会造成其它空气分离机组氮压机7过载及分馏塔5上部的压力变动过大，会使分馏效率不佳，起动多余的冷冻机10c，冷冻机入口的水流量恐不足，可能会造成冷冻机10c跳机，但若增加冷冻机水流量，恐会造成位于SC空气冷却塔2的SC除雾器无法将制程空气中的水气过滤，导致空气带水气进入分子筛吸附器4，造成分子筛吸附器4中毒，以致失效。

所以，为了避免实际运转上的跳机风险，可先测试启动两台冷冻机组10c时，可撷取多少去EC水冷却塔3的氮气流量F3，将多余氮气先行排放，测试完并将多余氮气送至氮压机7进行压缩，且氮压机7的入口导叶片控制(Inlet guide vane)设上限值，因为当此入口导叶片控制(Inlet guide vane)设上限值后，若有发生氮压机7发生跳机时可以稳住氮气的总取出量，此可降低分馏塔上塔压力P1的波动，控制冷冻机组入口的水流量，使水流量充足可以避免冷冻机组10c跳机，并可考虑将位于其它空气分离机组的未运转冷冻机组拆装到此需求的空气分离机组使用。

另外，欲降低出空气冷却塔的冷却水温度，也可利用另一热交换系统，其位于出SC空气冷却塔2处，用来使出空气冷却塔的空气温度低于10℃以下。或也可利用冷却系统，其位于出EC冷却水塔3处，用来使出EC冷却塔的水温低于9℃以下。

依本发明的调整方法，可以产生高纯度氮气(99.99％N2)由空气分离厂分馏塔顶部产出，藉由连接氮压机的管路配置可以撷取多的去氮水预冷系统的氮气。

总合各监控参数的监控数据如图3至图10所示。

空分机组机(A，B台)藉由制程改善，增产出大量氮气，每部机组各增加30000NM³/H，几乎是原产量的两倍，其改善成果并可扩及其它空分机组，整个改善结果如下：

表1空气分离机组改善效益

本案改善成果对氧气工场而言，A，B台空分机组氮气总生产能力由70000NM³/H，增加60000NM³/H，达到130000NM³/H。使得氧气工场有更多的筹码来应用，机组间可以配合不同环境状况下的氧氮氩气体供需，因应做出有利的不同组合。

以试验性施行本发明相关的空气分离工厂为例，在2009年9、10、11、12月的实绩，利用A台空分机组增加氮气产出，而达到不用运转B台空分机组，可节省机组耗电如下：(只计算空分机组空压机耗电，氧压机耗电不列入计算)

B台空分机组空压机号高负载实际耗电14.2MW，平时运转以80％～90％下运转。

B台空分机组省电：14.2MW×0.8×24H/日×1.95元/KWH＝53万元/日。

停止运转4个月：53万元/日×120日＝6,360万元。

年效益：预估利用本改善案(藉由增加台A，B台空分机组氮气量)，以此种方式运转(停A台空分机组或B台空分机组)一年约有4～6月。

效益：53万元/日/×150日＝7,950万元，其相当可减少CO₂排放量26,092吨。

所以，以一台空分机组启动所需耗能14.2MW相对于多启动一台冷冻机组只需耗能166KW，可节省相当多的耗能。

虽然本发明已以前述较佳实施例揭示，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。

Claims

1.一种空气分离厂氮气增产方法，其包括以下步骤：

提供空压机，供给制程空气所需压力；

提供空气预冷系统，将空压机加压后的高温空气冷却；

提供分子筛吸附器，将制程空气杂质过滤；

提供主热交换器，将制程空气降温并将出分馏塔的产品回收冷度；

提供分馏塔，利用氧、氮、氩在不同压力下，沸点不同，将氧、氮、氩分离出来；

提供膨胀拓平机，提供整个分馏制程所需的冷度；

提供复数台氧压机，压缩出分馏塔且经主热交换器复热后的氧气产品；

提供复数台氮压机，压缩出分馏塔且经主热交换器复热后的氮气产品；

降低出分馏塔且进入氮水冷却塔的氮气，将此氮气分流导入另一氮压机；

增加出氮水冷却塔冷冻水管路的冷冻机组的冷冻能力，其可降低进入空气冷却塔的冷冻水温度，其可提高分子筛吸附器的吸附能力。

2.如权利要求1所述的空气分离厂氮气增产方法，另包括提供多启动一台冷冻机组来因应，并且此二冷冻机组可为串联或并联。

3.如权利要求1所述的空气分离厂氮气增产方法，另包括利用另一热交换系统设置于出SC空气冷却塔处，并用来使出空气冷却塔的空气温度低于10℃以下。

4.如权利要求1所述的空气分离厂氮气增产方法，另包括利用另一冷却系统设置于出EC氮水冷却水塔处，并用来使出空气冷却塔的冷却水温度低于9℃以下。