深冷制氮设备富氧空气的回收利用

李杰春

随着中国石化股份公司洛阳分公司的发展和科学技术的进步，对能源的充分利用及提高经济效益显得十分重要。作为公用工程之一的制氮设备向炼油和化纤生产提供保安氮气，伴随产生的副产品— — 富氧空气，除部分用作分子筛再生气外，其余作为废气放掉。如果能有效利用这部分富氧空气用于污水处理或者作为其他装置工艺用气，将会产生很好的经济和社会效益。文章以KDN．3000型制氮设备为例，提出回收富氧空气的两种方案。
: l  P- L# E$ n; |1 KDN-3000型制氮设备运行情况u JKDN-3000型制氮设备加工空气量为10000～12000m3／h，氮产量为3000～3500rn3／h，同时产生约8500rn3／h的富氧空气。所产生的富氧空气中氧含量在33％ ～36％。该套制氮设备于2000年3月投入生产。运行情况良好。
1．1 分子筛纯化系统流程
分子筛纯化系统由2台分子筛吸附器和2台加热炉组成，吸附器内装填13X型分子筛。分子筛吸附器工作8小时后，需要加热再生。将制氮设备的一部分富氧空气作为再生气，把分子筛内的杂质带出；另一部分富氧空气直接排空。KDN．3000型制氮设备分子筛纯化系统部分工艺流程如图1所示。再生气量的大小由V1215阀调节。
; J) H7 }; C. T- W$ F8 ?( L1．2 分子筛纯化系统运行分析
制氮设备分子筛纯化系统为有热再生，每8小时分子筛吸附器就需要切换1次，加热再生。KDN．3000型制氮设备分子筛纯化系统运行1个周期再生气量与温度随时间的变化曲线如图2所示。图2中再生气量在流程中对应的由FI．1201计量，出加热器温度由TIS．1204(或TIS．1205)测量，分子筛吸附器出口温度由TI．1203测量。从图2可以看出，用来再生分子筛的富氧空气量为4700～5000m3／h，再生气出加热器温度在0—4小时时间段内为165℃左右，在4—8小时时间段内加热器停止工作，温度降为10％。分子筛吸附器出口空气温度在0—5小时时间段内由一12℃ 逐渐上升至150℃，在5—8小时时间段内逐渐降至12℃。在8小时内，其中的一台分子筛吸附器加热再生好转入到工作状态，另一台开始再生，再生气量和温度的变化与前半周期相同。从以上分析来看，用于分子筛吸附器加热再生的富氧空气温度呈周期性变化，在分子筛吸附器切换时富氧空气量也会有较大幅度的波动2 富氧空气集输方案富氧空气的压力只有0．015～0．02MPa(G，下同)，由于制氮设备与用户相距较远，需要采取相应的集输设施。集输设施有提压、新增气柜和集气包等。从投资、占地面积、经济性及不影响制氮设备正常生产等方面考虑，认为采用集气包方案较为合适。该方案先将富氧空气引入一集气包，然后由压缩机输送到用户。KDN．3000型制氮设备富氧空气约8500rn3／h，其中约5000rn3／h用于给分子筛吸附器加热再生，温度在一12℃ ～150℃ 之间呈周期性变化，另外3500rn3／h的富氧空气温度在10℃左右。根据实际需求量提出两个富氧空气的集输方案：① 只收集温度稳定的3500m~／h富氧空气；② 收集全部8500m~／h富氧空气。
2．1 回收温度稳定的富氧空气(方案一)把不用来再生分子筛的富氧空气与用来再生的富氧空气分开，只回收3500m3／h的富氧空气。富氧空气在膨胀机做功后排放压力为0．015～
) {2 }7 Y# [% T# p/ f0．02MPa，收集富氧空气将造成该压力的升高或降低，升高会影响制氮设备的正常运行，降低可能会使再生气量减少，使电加热器烧毁，同时也会影响分子筛的再生效果。为了保证制氮设备的稳定运行，需要设计一套完善的自控方案。回收流程如图3所示。图3中把原流程中的V1214阀设为常闭状态，在正常生产过程中用V1215阀和V1216阀自动控制富氧空气出制氮设备的压力，使其稳定在0．015～0．02MPa。控制过程如下：把PIC．1216压力设定值设为0．015～0．02MPa，PIC．1215压力设定值略高于PIC．1216。在分子筛吸附器正常工作过程中再生气量比较稳定，用V1216阀控制再生气量，压力低时关小。当分子筛吸附器切换时，去分子筛吸附器的富氧空气会切断，用V1215阀来调节放空量，压力高打开，防止后路不畅通，造成憋压。这样既不影响制氮设备的正常运行，又保证了进分子筛吸附器再生气流量，也不影响分子筛吸附器的正常工作和再生。把收集起来的富氧空气用压缩机加压后送往用户。当富氧空气不足时，会使集气包气量不足，入口形成负压。所以集气包应设计为耐压真空罐，防止被抽瘪；同时用V1217阀控制自循环量以避免集气包压力过低。当集气包压力低时，V1217阀打开；压缩机出15压力过高时，由V1218阀自动控制放空量。
  @) q& ~) z: b2．2 全部回收富氧空气(方案二)
据现场所测，用于再生的富氧空气与放空的富氧空气混合后，最高温度可以达到50℃ ～60℃。也就是说，混合后的富氧空气温度在10℃ ～60℃之间波动，这对集输设施的要求更高，需要把混合后的温度降至压缩机能够承受的温度，回收流程如图4所示。控制过程如下：仍利用V1215阀和V1216阀自动控制富氧空气出制氮设备的压力在0．015～0．02MPa。用于再生的富氧空气在V1216阀之后并入，与放空的富氧空气混合后，进入到冷却器，温度降低到常温再进入集气包，经压缩机加压后送用户。为了防止集输后路出现故障，增设出分
子筛吸附器富氧空气放空调节阀V1219，用此阀保证分子筛吸附器后路畅通。
2．3 两种集输方案的比较
* u& v/ a, |4 R' Z' K方案一是部分回收，放空的富氧空气温度稳定，重视自控系统就可以达到集输的目的，但是回收的量只占总富氧空气的1／3。方案二是全部回收，是在方案一的基础上进行了改进，对制氮设备和分子筛纯化系统的安全运行不会产生较大的影响，但是因为所集输的富氧空气温度周期性变化，为了使压缩机有一个良好的工作状态，增加了1台冷却器，投资比方案一大，但是从能源利用角度来看，其价值更高。另外方案二所回收的富氧空气中水分、二氧化碳和乙炔含量增加，使用时需要考虑用户对富氧空气的工艺要求。
利用方案一回收的富氧空气可以用于化工行业各用户。利用方案二回收的富氧空气可以用于对氧含量有要求而对其中水分、二氧化碳和乙炔含量无要求的用户，如洛阳分公司的污水处理、富氧助燃场所(如锅炉、热电站等)。
3 控制系统的改进
; E4 R, m* D+ Q( HKDN．3000型制氮设备控制系统采用的是HoneyWell公司的Plant Scape SCADA／S9000集散控制系统。由Plant Scape SCADA监控与网络系统软件包和可靠的$9000回路逻辑控制器构成。服务器数据库可提供2000个集成点，包括状态点、模拟点和累集点，可实时采集各种过程装置实时数据。仪控系统共有4个控制柜，其中：2个用来控制4台离心式压缩机，1个用来控制KDN．3000型制氮设备，1个控制变压吸附制氮设备。因变压吸附制氮设备控制较为简单，冗余量较大，有备用的输出、输入卡件，另外在2005年检修期间对数据库进行了升级。所以新增的集输控制部分可以组态到变压吸附制氮设备控制系统中，无需增上新的控制系统。
- v3 {; O% h3 B/ g" M, j4 运行过程中的注意事项
$ y/ u- @6 g$ Q$ B: k* q+ K- I两种集输方案均可行，都可以保证不影响膨胀机出口压力和分子筛纯化系统的正常工作。但是因为分子筛纯化系统每8小时切换1次，在切换过程中V1214阀要打开10分钟，这样富氧空气就会在没进入集输设施前而全部放掉，会影响压缩机的正常工作，同时也会影响下游装置的运行。如果后路畅通，可以使V1214阀一直处于手动全关位置。异常情况的处理：分子筛纯化系统曾经出现过加热器烧毁、电磁阀漏气球阀切换不到位等情况。当出现这些情况时，把保证分子筛纯化系统和空分设备安全运行作为首要事情来处理，可暂时停止富氧空气的集输，与下游装置做好联系。
+ m5 T+ q5 q' K$ B5 效益分析
以方案一为例进行效益分析。
总投资：选择往复式压缩机，进气压力为微正压，处理量为4000m。／h，出口压力0．6MPa，加上施工，总投资约为30～40万元。年运行费用(电机功率1lOkW)：1年按运行8000小时计算，电内部交易价0．38元／ (kW·h)，则年运行费用为110×8000×0．38=33．44万元。年产生的效益：
(1)用于污水处理。洛阳分公司污水处理生化过程用空气中的氧气进行生化曝气，去除有机物。用于曝气的空气量为20000m。／h，其所需的压力为0．05MPa。而富氧空气的氧含量是空气的1．7倍，利用富氧空气后可以降低空气的用量，停运1台风机(功率为220kW，处理气量为7000m。／h)，降低运行成本约30万元。
(2)用于锅炉助燃。洛阳分公司锅炉助燃用风机送风，通常空气中含有20．9％ 的氧气及少量惰性气体，真正参与燃烧的是只占空气总量1／5左右的氧气。用氧含量大于20．9％ 的富氧空气参与燃烧，将具有明显的节能效果。据有关资料介绍，节能率与富氧空气中的氧含量成正比，即在同一燃烧温度下，氧含量越高，炉温越高，利用富氧助燃技术的节能效果就越明显。例如炉温在1600℃ 时，用氧含量为23％的富氧空气助燃，可节能25％。
(3)用于化工生产过程。中石油沧州分公司2002年对深冷制氮设备富氧空气进行了回收，用于传统的克劳斯法硫回收工艺 ]。其采用的是第一回收方案，将制氮设备副产的lO00m3／h、氧含量33．5％的富氧空气集输到硫回收装置，采用在空气管道直接混合的方式，使氧化空气的氧含量提高到28％ ，使硫回收装置处理能力由6 X 10。t／a提高到7．5 X 10。t／a，而装置主要设备基本能满足要求，不需要改动，效益可观。
8 ?4 a3 r" J- F0 A6 结束语
9 P4 |+ n6 s5 R(1)石化企业深冷制氮设备富氧回收切实可行，投资不多但效益显著。
(2)富氧空气的利用已引起石化企业的重视。
1 @, r: G4 ~5 Z( G& Z1 f; {; J生产改用富氧作为氧化剂是发展方向 。上海石化富氧氧化制PTA工艺试验成功，上海石化化工事业部在生产氮气过程中副产大量氧气，若将富余氧气及富氧氧化工艺技术用在该公司正在扩建的装置上，则可节约投资近1亿元人民币 。
目前我国新建炼油装置所配套的深冷制氮设备越来越大，富产的富氧空气相应也多，结合企业特点，如果能有效地利用这部分能源，会带来良好的经济效益和社会效益。
参考文献：
/ ?: Q8 s7 {7 D! O[1]朱银在．KDN．3000型空分设备安装和调试[J]．深冷技术，2001(3)：23．26．
[2]宋安太，郝天臻．硫磺回收装置采用富氧技术的研究与应用[J]．石油炼制与化工，2004(2)：22．25．
) B8 p: E# F( ^; @[3]赵世民．氧气氧化是PTA氧化工艺的发展方向[J]．聚酯工业，2004(4)：4-7．
[4]上海石化富氧氧化制PTA工艺试验成功[J]．石油炼制与化工．2004(3)：29
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英雄本色

想问下楼主有关于洛阳石化空分的资料么，听说那边的是单高的，只制氮气，有的话发过来学习学习，邮箱
feizi10280219@163.com          万分感谢。。{:soso_e100:}

英雄本色

对于富氧回收这方面也考虑过，就是没有具体的方案，问下楼主这个是自己总结的吗？

1005824263

学习学习学习学习

kerin1030

以後可以好好的來思考回收氣問題~~~~

虞子牛

学习学习