武钢氧气公司H台六万立方米制氧机膜式主冷安全性分析及操作要点

黑鹰

一．概述 　　武钢氧气公司已有的A至F六台制氧机均采用的是浴式主冷，经过长期实际运行的检验，证明浴式主冷是安全可靠的。在2002年从德国林德公司新引进的H台六万立方米制氧机中采用了膜式主冷，这是武钢氧气公司历史上首次在制氧机中应用膜式主冷。在全国范围内采用膜式主冷的大型制氧机也属少见，因此缺乏足够的安全操作经验。加之对于膜式主冷的安全性，空分行业中曾一度产生争议，普遍的看法是膜式主冷没有浴式主冷可靠，尤其是容易发生N2O的结晶堵塞。本文拟就武钢H台六万制氧机膜式主冷的安全性进行探讨，对林德公司针对膜式主冷安全采取的一系列措施加以介绍，并对该机组主冷的安全运行提出一些建议。 二．浴式主冷和膜式主冷的原理和特点 目前空分中常用的主冷凝蒸发器有浴式和膜式两种，浴式（bath type）主冷的换热单元浸泡在低压的液氧中，液氧与主冷换热通道内的氮气换热后汽化，并由于液氧在汽化过程中沿高度方向的压力差产生的热虹吸效应使液氧不断自循环，因此又称为热虹吸式（thermosiphon type）主冷。膜式（film type）主冷，又称为降膜式（downflow type）主冷，是由法液空公司推出的一种新式冷凝蒸发器，其原理是液氧依靠重力或液氧泵输送到膜式主冷顶部，通过那里的液体分配器均匀分布到换热单元的通道内，在通道的垂直壁面上形成一层向下流动的液膜，液氧膜在沿壁面向下流动的同时与氮气通道中的气氮换热自身汽化。由于膜式主冷的蒸发传热面没有浸在液氧中，而是仅通过在传热面上的一层薄的液膜进行换热，不存在液氧液位产生的静压力。因此，可以使主冷的平均传热温差由浴式的约1.3K下降到0.7~0.8K，相应使压力塔顶部的压力降低0.02Mpa左右，从而减少空压机的能耗。由此产生的节能效果约占空分设备总能耗的2~3%。在能源紧张，气体市场日趋饱和的今天，节能降耗已成为空分行业降低生产成本，提高产品竞争力的重要途径，膜式主冷显著的节能效果显然是任何人都无法忽视的。但膜式主冷带来的安全问题也同样应引起我们的重视。 三．膜式主冷特殊的安全性分析 由于膜式主冷和浴式主冷的原理不同，其安全机理也不尽相同。而一段时间以来，空分行业对膜式主冷的安全性缺乏足够的认识。1997年，在马来西亚宾特鲁壳牌公司由法液空供货的一台采用膜式主冷的制氧机发生了破坏力极强的主冷爆炸事故。在对这起事故原因的调查中，虽然也曾产生过较大的分歧，但经过长期探索，空分行业对膜式主冷的安全机理逐渐有了较深的认识。 对于主冷而言，发生爆炸的直接原因是碳氢化合物等可燃性杂质在液氧中富集量超过其在氧中相应的爆炸极限，当有点火源时就会发生爆炸，而因空气中堵塞性杂质在低温下以固态析出或外界机械杂质积聚使局部通道堵塞并由此造成的干蒸发、死端沸腾会加速碳氢化合物富集的过程。由此可以看出，膜式主冷与浴式主冷一样需严格防止碳氢化合物的积聚，但因其特殊的结构形式，与浴式主冷相比，膜式主冷在安全上又具有以下一些特殊性： 1．膜式主冷对堵塞性杂质N2O的控制有更加严格的要求 N2O对主冷的危害是在宾特鲁事故之后才逐渐引起人们重视的。N2O与CO2一样，在空分中属于堵塞性杂质，它无色无味，在空气中的含量约为0.31ppm，在94K，1.4bar（A）即低压塔底部条件下在液氧中的溶解度约为250ppm。因其无法在前端净化系统中被完全吸附，因此会进入空分低温部分，并在主冷中富集。对于使用浴式主冷的空分装置，由于液氧通道尺寸相对较大，不易被N2O析出堵塞。因此只要采取提高主冷液氧液位，将主冷换热单元完全浸没的方法来防止出现干蒸发，同时排放一定比例的液氧就可满足安全要求，对主冷中的N2O含量没有特殊要求。而膜式主冷因其结构的原因，在壁面上只有很薄的一层液氧膜进行换热，随着液氧膜向下流动不断蒸发，N2O、碳氢化合物等杂质也不断浓缩，再加之如有液体分配不均的情况发生，很有可能出现干蒸发，使N2O在换热通道的壁面上析出，进而堵塞通道引起碳氢化合物聚集，增大了危险性。因此，膜式主冷对N2O含量的要求比浴式主冷苛刻得多。欧洲工业气体协会（EIGA）规定，对浴式主冷中的N2O含量最高不超过100ppm，对膜式主冷中的最大允许含量仅为1ppm，为浴式主冷的1%。同样，APCI公司对膜式主冷中的N2O含量有明确规定，不得大于其在主冷液氧中溶解度的1%，即2.5ppm，而对浴式主冷中N2O的含量并没有特殊要求。 2．膜式主冷必须保证有足够的液氧循环倍率 为了防止N2O析出堵塞膜式主冷的液氧通道，很重要的一点是要保证通过主冷有足够的液氧循环量。这可以用液氧循环倍率，即进入主冷参与换热的液氧与氧气产品量的比率来表示。保证通过主冷的液氧循环倍率有两方面的作用：一是在主冷液氧通道中可以保持一定的液氧流速，对通道壁面持续地进行冲刷，这样即使因短时的液氧中断或分配不均等原因在壁面上有少量的N2O固体析出，也可以使其在不断冲刷下重新溶解而不会在通道中累积；二是可以保证在液氧通道的最下部仍然有一定厚度的未蒸发的液氧膜，避免因液氧量不够在通道下部出现局部的干蒸发。膜式主冷液氧循环倍率的选取十分重要，如循环倍率过低将无法满足主冷的安全要求，而循环倍率过高又会影响膜式主冷的节能效果。 3．膜式主冷对设备本身制造及安装精度等要求极高 由于膜式主冷结构形式的特点，为保证液氧在通道内的均匀分布，其顶部的液氧分配器上均布着直径约为1.5mm的小孔，内部液氧通道宽度也仅有约2mm。对于这么精密的设备，制造中微小的缺陷就可能埋下安全隐患，因此必须保证很高的制造精度，在检验中也有严格的要求。为防止在安装过程中外界异物进入主冷换热通道，对在现场的安装、焊接、清洁也有严格的规定。同时，为了防止运行中有异物进入主冷换热通道，在膜式主冷液氧入口前还需设置过滤器。 四．武钢六万立方米制氧机膜式主冷的安全措施 在H台制氧机合同前期的技术交流期间，虽然林德公司推荐使用膜式主冷，但同时也承认膜式主冷在设计、制造、安装和操作上的要求更严格。为了保证膜式主冷的安全性，在H台制氧机的设计中考虑了以下几点： 1．为了减少带入低温部分的N2O总量，从源头上降低其危害，在前端净化系统中针对N2O选择高质量的13X分子筛吸附剂。在设计上增大了分子筛吸附剂的填充量，对卧式分子筛吸附容器采用了三层床设计，除活性氧化铝、13X分子筛吸附剂外，在最底层充填了一层厚度为10cm的惰性瓷球，使进入分子筛吸附器的空气能够均匀分布，加强了吸附效果。普通的分子筛吸附器对N2O的吸附率一般只能达到约70%，而按照林德公司的设计，H台制氧机的分子筛吸附器对N2O的吸附率将至少达到86%，预期可达到90%。 2．在膜式主冷的设计上增加了液氧循环倍率，提高安全裕度。前面说过，液氧循环倍率的选取十分重要，既要保证满足安全上的要求，又要尽可能地体现膜式主冷节能的优势。林德公司通过大量的实验摸索，对在各种不同的液氧循环倍率下膜式主冷中的N2O累积情况和换热效果进行比较，认为最佳的液氧循环倍率为2.5~3。考虑到武钢方面对膜式主冷的安全问题特别关注，林德公司在H台制氧机中加大了液氧循环量。同时为了减小对主冷换热温差的影响，增大了主冷的换热面积。由于设备受最大制造能力的限制，对H台制氧机采用了双主冷设计，将主冷设计为并联的两个各50%负荷的主冷单元。为了补偿液氧在两个主冷单元中分配不平衡的问题，林德公司将主冷的液氧循环倍率增大到7倍。而宾特鲁事故中的主冷液氧循环倍率是2。通过增大液氧循环倍率，大大地提高了主冷安全裕度。 3．为了防止膜式主冷通道内出现局部干蒸发，很重要的一点是要保证循环液氧在主冷换热通道中的均匀分配，而这主要靠主冷顶部的液氧分配器来实现。对此，林德公司规定液氧分配器中的液位不能过低，并设置了低液位报警。同时，在管道的设计上也考虑将液氧进入液氧分配器之前的一段管道设计成带有约10度的上行坡度，使得对主冷的供液保持稳定。 4．由于H台六万立方米制氧机同时还提取稀有气体氪氙，主冷中一部分液氧连续地排入一氪塔（又称旁冷凝蒸发器）中，这部分排放量约为60000Nm3/h，达到工艺空气总量的20%。在一氪塔底部，经过初步浓缩的贫氪氙液氧连续地排入氪氙中间罐，做为氪氙精制的原料液。在一氪塔底富集的N2O和碳氢化合物等杂质也随贫氪氙液氧一起积聚到贫氪氙液氧中，并在后续工艺中除去。由于主冷连续向旁冷排放液氧的设计完全满足液氧排放的要求，因此不需要对主冷另加液氧吸附器进行循环吸附或定期向外排放主冷液氧。 5．另外，在制造中严格保证液氧分配器、膜式主冷换热单元的加工精度，人工对换热单元通道进行检查，确保制造质量，避免因设备原因造成通道堵塞。在安装过程中，林德公司将派出有经验的专家，对主冷安装过程进行指导，对安装质量严格把关。为了防止主冷通道被异物堵塞，在工艺液氧泵的前后均设置了过滤器，过滤器孔径分别为0.5mm和0.1mm。 6．为了保证投产后的安全运行，林德公司还为六万立方米制氧机配套了一台专门用于对低压塔底部液氧中的N2O含量进行分析的精度达到ppb级的在线红外探测分析仪（量程0~10ppm）。同时对低压塔底部液氧中的碳氢化合物也配备了先进的分析仪器。有了以上分析设备，可以保证及时准确地了解主冷液氧的杂质含量水平。 7．林德公司将空分的压力塔和低压塔分为两段并列布置，而膜式主冷在压力塔顶单独布置。这样，即使是由于环境大气质量的突然变化或人员操作不当等特殊情况引起主冷爆炸，也可最大程度地降低爆炸的危害。 五．结论及操作要点 从以上分析可以看到，虽然膜式主冷在安全方面有很高要求，特别是对堵塞性杂质N2O十<

1005824263

谢谢楼主分享。

qwe109686650

谢谢楼主大度分享。