宝钢30000m3(氧)空分设备的设计开发.doc

宝钢30000m3h(氧)空分设备的设计开发周家建，周智勇，张永凤，何传贤杭州杭氧股份有限公司设计院，杭州东新路388号，310004【摘要】文章着重介绍了宝钢30000m3h空分设备的设计要点，详细阐述了整套空分设备的特点。透过宝钢30000m3h空分设备的顺利投产，反映出我国空分事业的飞跃发展。关键词：大型空分设备；工艺流程；设计；制造；精馏塔；双沸腾主冷；冷箱；低温容器1 概述 我国自行设计、成套的最大空分设备上海宝山钢铁集团公司能源部30000m3h空分设备，于2002年12月14日一次开车成功，12月16日调试出氩，并于2002年12月30日通过了性能考核，氧、氮、氩产品的产量和纯度都达到或超过了设计指标(见表1)。宝钢30000m3h空分设备的诞生，说明我国已具备制造30000m3h等级空分设备的能力，为研制50000m3h和60000m3h等级空分设备迈出了坚实的一步。 表1 宝钢30000m3h（氧）空分设备主要性能指标 介质保证值产量(m3h)设计值产量(m3h)纯度出冷箱压力气氧300003000099.6%O221kPa(G)液氧50060099.6%O2气氲4000040000510-6O28kPa(G)液氮500500510-6O2液氩10501070210-6O2,310-6N22 工艺流程介绍 宝钢30000m3h空分设备的主体设备是由杭州 杭氧股份有限公司设计、制造的。该套空分设备采 用分子筛增压、规整填料塔和全精馏制氩技术的工 艺流程(见图1)。宝钢30000m3h空分设备，吸收 了国外先进流程技术，结合杭氧近年来生产几十套 第六代大型空分设备的宝贵经验，解决了大量的设 计和制造技术难题，这是成功的根本。对于整个流程设计是经过周密考虑和精确计算的，特别是对上下塔的物料量和组分都作了严格的设定和控制，整套空分设备采用可靠的模块化设计软件，经大量的模拟计算，优化设计出最合理的流程。由于空分设备的等级和规模上子一个台阶，所以其能耗问题就显得尤为重要。这套空分设备的氧氩提取率达到了很高的水平，在生产大量液体的情况下，其精馏塔的氧提取率高达99%，其氩提取率高达78%。精确的流程计算，保证了这套空分设备的稳定运行。实际运行的情况证明理论计算的参数和实际运行的参数守全吻合，这说明国产空分设备在设计和制造水平上有了很大的提高。以氩馏分在上塔的抽口位置为例，实际运行时其馏分值一直保持在含氩量9%左右，粗氩液化器的氮化器的氮侧压力和精氩塔冷凝器的氮侧压力一直很稳定，所以保证了整个氩系统的稳定运行。 整套空分设备具有多种产品及灵活的变工况能力；工艺流程上设有快速启动及液体回灌管路，以缩短空分设备起动时间；整套装置具有较多的变负荷能力，变负荷范围75%110%。 3 设计和制造技术难点 冷箱内的塔和主冷凝蒸发器等大型低温设备是空分设备的核心，也是设计和制造技术难点所在。 3.1 精馏塔 为宝钢30000m3h空分设备配套的精馏塔有采用规整填料的上塔、粗氩塔、精氩塔，采用四溢流筛板的下塔。规整填料上塔和下塔最大直径达3800mm，塔高30多米，是杭氧目前制造的最大的上、下塔。整个塔器部分做到了气体上升流速合理、液体下流分布均匀、其热质交换相对充分，精馏效果十分理想。3.2 双沸腾主冷凝蒸发器 宝钢30000m3h空分设备采用了双沸腾型冷凝蒸发器技术，它将液氧蒸发侧通道分成两层，以此降低液氧层高度，增强换热效率的效果。这样有利于减少主冷凝蒸发器外径，使30000m3h空分设备的主冷安装在上、下塔之间成为现实。大大简化了管路系统，节省了冷箱占地面积，同时降低了运输成本。经实际运行表明，主冷凝蒸发器换热性能良好，同时还具有热、冷启动快的特点。双沸腾型冷凝蒸发器，结构紧凑，操作液面低，温差小，节约能耗效果十分明显。3.3 主换热器的合理布置 宝钢30000m3h空分设备的主换热器一共有15只单元组成，为了使气流分布均匀，对板式单元进行了重新优化组合和布置，并在每一只板式单元的氧通道设置一只阀门，使整个主换熟22分组搭配合理，避免了气体偏流，使热端温差可以控制到最小程度。从实际运行情况看，一般主换热器热端温差在2左右。3.4 “三万”空分设备低温容器加工工艺 宝钢“三万”空分设备的上塔、主冷、下塔、 氩塔等大型低温设备的壳体全部采用了高强度铝合 金5083材料，这种材料强度高，但延伸率只有普 通碳钢(Q235)的二分之一，奥氏体不锈钢 (OCrl8Ni9)的三分之一，这给上塔、下塔、主冷 所用的大型厚壁封头的成形带来了极大的困难。为 此，我们进行了高强度铝合金(5083)厚板的焊接 及冷、热加工试验，掌握了焊接、冷热成形及热处理规范，攻克了3800 35mm、700 22rmn等大 型、厚壁封头的旋压成形难题。 宝钢“三万”空分设备下塔内径达3800mm， 塔内采用四溢流型式的孔板塔板，每块塔板由2 3只溢流斗、接液槽，无孔板及8块孔板组成，并 由68只支承螺栓及托环，承托固定在塔内。由于 塔板直径大，复合的零件多，要使复合后的塔板与 塔体组装的平面度公差1000：1，与塔体轴线的垂直度公差10(0：1，是比较困难的。为此，我们全 面应用了从德国林德公司引进的孔板精馏塔制造技 术，设计、制造了相应的专用设备、工装模具及检 测工具等，以确保零件制造和组装质量。 宝钢“三万”空分设备主冷体积大(外简直径250mm、高7880mm)，吨位重(30多吨)，结构 复杂，这给组装、焊接带来极大的困难。为此我们 制订了详细的组装工艺，设计、制造了相应的组 装、起吊工具，解决了立式组装板式、卧式滚动复合外筒及管路等制造难题。 大型低温设备加工技术攻关是结合我国与林德 公司合作生产的“三万”等级空分设备而展开的加工技术攻关，引进并应用了德国的双面双人同时手 工钨极氩弧焊，熔化极自动、半自动氩弧焊及嵌入 式不锈钢环单面焊等一大批国际先进的铝合金焊接 新工艺、大型厚壁锥体扳边技术、大直径精馏塔卧 装技术等，还自行开发了高强度铝合金5083整体 压制成型工艺；同时，杭氧还全面掌握了填料塔的 整体制造技术、安装规范和检验要求，如填料塔筒 体的椭圆度控制；填料与筒体间隙的控制；填料的 卧式组装、立式组装、分块组装和整盘组装技术； 填料塔的运输要求等，使杭氧有能力向用户提供质 量可靠、技术先进的大型空分填料塔。35 冷箱总体的布置 整个冷箱内的管道布置合理，使气体和液体的 流速恰当，既减小了阻力，也增强了管道的强度。 出于流程上的特殊需要，汽液夹带部分的计算更为 精细。实践证明运用多个管道软件，在计算机内进 行综合计算，得到的效果是十分理想的。36 其他配套设备的设计 液体产品经过过冷，用液体流量计进行计量， 做到简便正确。 分馏塔基础，载荷分布均匀合理。30000m3h 空分设备的冷箱对于一般空分设备的冷箱已有了明 显的突破，仅从高度上来说，它已达到62米，所 以从强度上来说，理论计算是很必要和重要的。 宝钢30000m3h空分设备大到塔器，小到一次 显示仪表，无论是材质上还是从晶牌的选择上，都 是全国优良的，在世界L也是一流的，有一些产品 还是第一次用在国内的空分设备上。这些最好的配套，高质量的元器件，保证了宝钢30000m3h空分 设备在总体上的先进性和优良性。宝钢30000m3h 空分没备在冷箱上除仅有膨胀机的进出口阀和循环 液氩泵的进出口阀，以及只特殊的开槽恒流阀是 手动阀外，其余均为调节阀，可见自动化程度之 高，在国内甚至在国外都是首屈一指的。4 结束语 宝钢30000m3h空分设备于2001年9月24日 签定供货合同，2002年2月15日完成最终设计， 2002年4月30日生产完毕，按合同规定日期，准 时运抵现场，2002年12月12日整套空分设备安装 完毕。 透过宝钢30000m3h空分设备的的顺利投运，我 们可以看到国产30000m3h空分设备的优良特性， 其综合性能已经达到或接近国际先进水平。我国空 分设备的设计制造技术已经跻身于世界空分技术安装 国的行列。 宝钢30000m3h空分设备的成功，并非偶然， 这是杭氧和宝钢的工程技术人员辛勤工作、密切配 合的结晶。整套空分设备在设计和制造过程中，杭 氧从领导到工人全力以赴，投入了最大的人力和物 力，2002年4月30日整套空分设备提前完成生产 汁划，及时运到宝钢现场，为整套空分设备的成功 奠定了物质基础。 从我国第一套国产20000m3h空分设备的开车