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14000Nm3/h制氧机主换热器改造
王林平
(安阳钢铁股份有限公司制氧厂,河南安阳 455004)
摘 要：分析了2#14000Nm3/h制氧机在投产时存在的板式热端温差大的问题;并利用检修的机会,在板式冷箱内增加了一台主板式换热器以解决换热面积不足的问题。检修后发现,氧、氮、氩产量纯度得到了大幅地提升。
关键词：主换热器;热端温差;冷损;原因;处理
中图分类号：TB65 文献标识码：B
文章编号：1005—0329(2008)03—0046—03
1·前言
低温空气分离式制氧机的主换热器,是用来实现空气、增压空气与氧气、氮气、污氮气等返流气体之间的热交换,空气由常温冷却至-173℃左右,增压空气由常温冷却至膨胀机前温度,氧气、氮气、污氮气等返流气体由低温复热至常温。主要换热正返流气体示意如图1所示。
主换热器结构为多层板翅式,各通道中的冷热气流通过翅片和隔板进行良好的换热。制造材料选用在低温下具有良好机械性能和热导性的铝合金,通过钎焊制成板式换热器,具有体积小、质量轻、传热效率高等突出优点,并保持结构紧凑、体积小、质量少的优点。板翅式主换热器属低温换热器,由于低温换热器中产生的换热不完全损失是冷损,需要消耗更低温度的冷量来补偿,温度越低制冷所花费的代价就越大,所以为了减少换热不可逆损失,传热过程应在小温差下进行,否则温差越大,过程的不可逆损失越大。板翅式主换热器热端温差应控制在3℃以内,计算表明,主换热器热端温差减小1K,能耗减少2%左右。板翅式主换热器换热方式如图2所示。
空分装置的冷量损失主要包括跑冷损失和热交换不完全损失。冷量损失大,则膨胀量大,氧提取率低,氧产量低,单位氧电耗高,经济运行指标差,另外还影响制氧机的低温液体产量。对大型空分来说,热交换不完全损失占总冷损比例比较大,占到50%左右,如果温差扩大1℃,将使总冷损增加16%左右。
2001年底2#14000Nm3/h制氧机投产时,发现设备存在一个很大的问题:主换热器热端温差过大,特别是氮气热端温差,达7℃,而氮气量为40000Nm3/h,占返流气量一半多,造成复热不足冷损很大。膨胀机只能保持全量才能维持生产。相比设计工况,每天少生产80Nm3/h液氩和150Nm3/h液氧,能耗比较大。
2·原因分析
设备中氮气复热不足每小时净增冷损Q为:
造成主换热器热端温差过大的原因可能有两方面:
(1)操作不当,冷量分配不合理。主要是进主换热器空气量分配不均或返流气体量分配不均,或者增压膨胀空气量过大,主换热器中部温度偏低。通过在空气进换热器、氮气出换热器支管上加控制阀,使进出主换热器气量均衡;通过控制适宜膨胀量等方法,排除了这方面原因,但没有明显改善换热不足温差大的问题。
(2)换热器本身换热能力不足,主要是换热面积不足或换热系数减小引起的。换热系数减小,可能是分子筛颗粒、粉末、水或其它杂质堵塞空气通道。由于安装时严把质量关,管道安装清洗、焊接、吹扫,严格按规范施工、验收,再加上分子筛过滤网检查也无问题,因此排除颗粒、杂质堵塞因数。出分子筛吸附器、增压空气冷却器水分含量检测也在10×10-6以下,而且主换热器空气侧阻力也在正常范围内,水或冰堵塞因数也排除。
综合分析认为主要是主换热器换热面积不足;而且各物流换热通道设置上存在问题,空气与氮气换热通道数量不足。
因而提出了增加一台板翅式主换热器,既可增大换热面积,增加氮换热通道数,又可减小流动阻力,达到符合低温换热器最佳设计要求,以改善换热能力,减小热端温差。
新增主换热器设计有4个换热器通道,为空气、膨胀空气、氮气、污氮气。氮气换热通道层数为56个,换热面积为5220m2;污氮气换热通道层数为19个,换热面积为1770m2,以进一步回收氮气、污氮气冷量。因热端氧气温差很小,取消氧通道。原主换热器和新主换热的特性参数分别如表1、2所示。
3·设备改造
2005年7月对2#14000制氧机进行了停产改造,其主换热器改造示意如图3所示。具体改造过程如下:
因主换热器只能安装在板式冷箱内,而板式冷箱结构非常紧凑,内部管道纵横交错,可以利用的空间有限,所以施工非常困难。于是对板式冷箱内的设备进行局部改造,为新增主板式换热器创造安装空间。原氮换热器、氩换热器向西移位,管道重配,冷箱外与两台换热器连接的碳钢管位置不动,顶部盖板部分割除,做为新主换热器进板式冷箱的通道,安装完后再恢复。完成冷箱内与新增主换热器连接的20条管线和冷箱外3条管线的配管工作。
新增主换热器放在主换热器冷箱东北角,先制做两个不锈钢支撑,分别焊在原E-1, E-3, E-换热器支柱及北冷箱板上,然后固定在这两个支撑上。
新主换热器的4个通道:空气、增压空气、氮气、污氮气,分别对接到热端、冷端各自相应总管上。对新增主板式换热器的空气进气管和氮气出气管上分别加一DN200和DN500手动蝶阀,以调节气量,防止偏流。
按规范要求对管道环焊缝进行20%或100%射线检测,角焊缝100%进行着色检查。对新增管道、改动管道进行试压、检漏,合格后加温、吹扫干净。改造工程虽然不是很大,但涉及冷箱内设备,安装质量很关键。另外严格按安装规范验收。由于铝材硬度较低,在施工过程中要采取各种保护措施,防止磕碰伤(碰撞损伤后难以修复),特别对板式换热器吊装更要注意。
4·改造效果
2005年8月, 2#14000制氧机改造后启动。运行正常后对主要技术参数分析对比,认为改造成功,主要表现在以下几个方面:
(1)换热器热端温差普遍缩小。有效解决了板式热端温差大的问题。特别是氮气温差减幅达2. 2℃,空分系统冷损大为减少,制氧机热启动比原来提前10h,节电可观,另外正常运行时,减少冷损每天可多生产液氧4m3。若液氧800元/m3,全年按360天(以下相同)算,则年创效: 115万元。
(2)主换热器污氮、氮气阻力减少,使上塔压力大为下降。空气量76000 Nm3/h时,上塔压力为41kPa,低于设计值43kPa,而改造前,相同空气量,上塔压力达50kPa。上塔压力降低,使精馏工况大为改善,氧产量相对提高500Nm3/h左右;同时也使下塔压力降低,空压机排气压力由原来的0. 53MPa降为0. 51MPa,节能降耗显著。膨胀机进气阻力降低20 kPa,膨胀后压力由50 kPa降为43 kPa,单位制冷量得到提高。膨胀机旁通空气量由4500 Nm3/h减为3500 Nm3/h,进一步提高了氧提取率。
效益计算:
1)氧气成本价0. 6元/m3,则增氧500Nm3/h,年创效益: 260万元。
2)功耗降低
配电室空压机电度表实测数对比,与理论计算数基本一致。全年节电: 925344度,每度电按0. 5元计算,年创效益: 46. 26万元。
(3)制氩系统大为改善。由于上塔压力大幅下降,粗氩Ⅰ、Ⅱ塔精馏效率进一步提高,粗氩产量480 Nm3/h,较原来提高80 Nm3/h。
5·结语
空分主换热器热端温差大,复热不足冷损大是常见难题之一,采用增大膨胀量,降低氧产量,往往使氧气单位能耗增加,这正是造成制氧机运行经济指标差的主要原因。有某单位采用增加一台冷冻机来进一步降低进装置温度以达到降低热端温差目的,其实际效果也不理想,热端温差大没有多大改观,还额外增加运转设备,增加电耗,增加维护费用。
此次改造,主换热器热端温差得到了较好改善,其它方面的技术指标也相应得到了提高,产生的综合效益较理想。
作者简介:王林平(1956-),男,工学学士,高级工程师,现任安阳钢铁股份有限公司制氧厂厂长,通讯地址: 455004河南安阳市安阳钢铁股份有限公司制氧厂。
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