冶炼制氧工程及监理要点.docx
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冶炼制氧工程及监理要点
冶金制氧工程及监理要点
（一）工艺简介
氧气在现代钢铁冶炼中每年需用量在不断地增加，据悉，我国钢铁企业每年需用氧气量达70亿m3～80亿m3。
吹氧能使钢产量提高，燃料消耗量降低，又能提高钢的质量。
高炉富氧鼓风能够显著地降低焦比，提高产量。
工业对氧气的需求，无法从自然界直接汲取。
大型钢铁联合企业纷纷建设制氧站（即氧气站），用空气分离法制氧，满足钢铁生产的需要。
年产1000万吨钢的大型钢铁联合企业已经配备162000～164000Nm3/h的制氧能力。
低温空气分离法是先将空气压缩、冷却，并使空气液化，利用氧、氮组分的沸点的不同，在精馏塔的塔板上使气液接触，进行质、热交换，高沸点氧组分不断地从蒸汽中冷凝成液体，低沸点的氮气组分不断地转入蒸汽之中，使上升的蒸汽中含氮量不断地提高，而下流液体中含氧量越来越高，从而使氧、氮分离，这就是空气精馏。
此方法无论是空气液化或是精馏，都是在120k以下的温度条件下进行的，故称为低温法空气分离。
现将制氧机的工艺流程介绍如下。
（见图1工艺流程图）
图1 工艺流程图
1.预冷和净化
工艺空气由一台多级带中间冷却器的离心式空气压缩机（C1161）加压到工艺所需的压力。
工艺空气在带有二段水喷淋的逆向流直接接触式工艺空气冷却塔（E2416）中被冷却又被清洗。
在冷却塔下部用循环冷却水预冷空气，在冷却塔上部由从蒸发冷却器（E2417）来的过冷水将冷却的空气进一步冷却。
冷却水还清除了工艺空气中可溶性的化学杂质。
当空气通过充填活性氧化铝和分子筛材料的吸附器（A2626）时，空气中剩余杂质如水蒸汽，CO2和有潜在危险的碳氢化合物被吸附剂吸附。
从精馏系统引出的污氮气，去再生双床吸附器的吸附剂。
在加热循环期间，经蒸汽加热器（E2617）加热的再生气吸附分子筛中的水CO2。
在冷却循环期间，用污氮去冷却吸附剂。
再生过程完成后，吸附器先进加压再开始吸附工作。
2.用于液化和内压缩工艺的空气增压机
净化的主空气流进入冷箱，在主热交换器（E3117、E3119）中与产品氮、污氮逆流进行热交换，空气冷却到冷凝温度后输入压力塔（T3211）底部。
出吸附器的部分工艺空气由一多级带中间冷却器空气增压机（C1261）进一步加压，在主热交换器（E3116）中此部分空气与内压产品氧，氮和氩逆流进行热交换被冷却，再膨胀后进入压力塔。
为达到工艺所需的致冷量，空气增压机中间抽出一股气流在主热交换器（E3116）中冷却到一定的温度，再通过膨胀机减压后输入到压力塔的底部。
3.空气分离
空气在压力塔中预分离，在塔顶部得到纯氮，在塔底获得富氧。
在主蒸发冷凝器（E3226）的热交换器中气氮与蒸发的氧进行热交换而被冷凝作为精馏所需的回流液。
部分液氮作为压力塔的回流液，其余液氮被过冷后作为回流液送入低压塔。
从压力塔顶部获得纯液氮分馏物，经离心式深冷液泵（P3569）加压到所需的工艺产品压力，再在主热交换器（E3116）与压缩空气进行热交换蒸发加热到大气温度作为高压氮气输出。
从压力塔引出的富氧液体在过冷器（E3316）中过冷，经氩蒸发器（E4119），再节流后输入粗氩塔（T4116），粗氩冷凝再蒸发器中剩余液返流到低压塔（T3212）。
用于直接精馏，压力塔采用筛板，低压塔采用结构填料。
压力塔和低压塔二部分布置以减少冷箱的高。
低压塔（T3212）集流槽的纯液氧用氧输送泵（P3366）送入到蒸发冷凝器（P3226）。
在低压塔底部获得纯氧产品，在低压塔顶部获得纯氮产品。
经液氧输送泵（P3366）获得的液氧产品（LOX）过冷后输入液氧贮罐。
从低压塔中获得的液氧通过离心式深冷液泵（P3568）加压到所需的产品压力，加压的液氧流体经主热交换器（E3116）与压缩空气热交换蒸发加热到大气温度作为产品气氧输出。
液氮产品在低压塔（T3212）的底部获得，输入液氮贮罐。
在低压塔（T3212）顶部获得的纯气氮经过冷器（E3316），主热交换器（E3119）复热后送入氮气压缩机。
其余的氮气供水冷塔（E2417）作为冷源冷却循环冷却水。
从低压塔顶部得到的污氮经过冷器（E3316）和主交换器（E3116/E3117）复热后用于再生分子筛吸附剂，然后排放大气中。
多余的污氮回收用于水冷塔（E2417）作为冷源冷却循环冷却水。
4.精馏回收氩
宜氩塔分成二部分，目的是为了降低冷箱的高度。
二座粗氩塔（T4110/T4111）及一座纯氩塔（T4112）均采用结构填料。
在粗氩塔中用深冷精馏方法去氧。
从低压塔（T3212）引出富氩气体作为粗氩塔（T4110/T4111）的供入气。
在顶部的冷凝器（E4116）中，去氧的粗氩与从压力塔引出经主热交换器的富液进行热交换冷凝作为粗氩塔的回流液。
从二级粗氩塔（T4111）的集流槽送到一级粗氩塔（T4110）顶部的回流液的输送是用回流液深冷输送泵（P4566）（液氩工艺泵）来实现的。
从二级粗氩塔（T2111）顶部获得的部分去氧粗氩经冷凝器（E4116）后送入纯氩塔（T4112）。
在纯氩塔（T4112）中，用深冷精馏方法除去氮。
纯氩塔顶部得到的气体经冷凝器（E4117）与出冷凝器（E4116）顶部的富液进行热交换而被液化作为精馏所需的回流液。
为排放塔中的氮除物，纯氩塔顶部的部分气体排入大气。
因精馏所需，从纯氩塔集流槽中获得的液氩经热交换器（E4119）与富液热交换被蒸发后再送入塔（T4112）中，在纯氩塔（T4112）集液槽中获取纯液氩并送入液氩贮罐。
从液氩贮罐引出的液氩经深冷液体内压缩泵（P4568）加压到工艺所需的压力，压缩的液体流被输送回冷箱，在主热交换器（E3116）中与压缩空气进行热交换被蒸发加温到大气温度后作为产品气氩输出。
（二）制氧工程项目特点
1.机械设备特点
我们按照工艺流程行，它的空气过滤器为筒式过滤器，为烟台净化设备厂的SCAF-6150型产品，具体说明《SCAF-6150自洁式过滤器使用说明》。
它的氮水预冷器不带有冷冻机，所以产生的主要是冷却水。
采用分子筛技术CTSA变压吸附技术。
制氧几个最具特色的工艺特点下面将作介绍。
（1）TSA技术
加热时间 1.39小时
冷却时间 2.28小时
加压时间 0.2小时
减压时间 0.13小时
满周期时间 4小时
空气流量 303200Nm3/h
再生气体流量 59000Nm3/h
再生气体压力 113.6KPa
再生气体温度 165℃
吸附温度（吸附器入口） 16℃
（2）增压透平膨胀
前面章节已经介绍过增压透平膨胀的特点，但制氧机与普通的增压透平膨胀流程不完全一样。
首先，它的增压机用电动机带动，并非由膨胀机带动，膨胀机的制动方式也相应改变成为发电机制动，而由增压机对加工空气增压后压力由5kg升至30kg，所以膨胀机进口压力比普通增压透平膨胀高得多，为30kg，它的出口为5kg，因此这股加工空气也不能作为拉赫曼气进入低压塔参与精馏。
它只能作为高压塔一股进气参与精馏过程。
用这种新工艺，它的单耗必定增大，但是冷量也增大了许多，膨胀机的效率也增加了，总的来说还是利大于弊。
（3）高低压塔分离
与传统的二级精馏塔不同的是将精馏塔三个主要部件，高压塔、低压塔和冷凝蒸发器分离开，中间用液氧工艺泵连接。
这样可以降低冷箱高度，施工操作方便得多。
高压塔用筛板塔，低压塔采用填料塔，冷凝蒸发器采用膜式换热器。
（4）全精馏制氧
早期所制氩是制取粗氩后加氢气进触煤炉，让氢气和氧气反应而除去氧。
而新工艺在原来的粗氩与低压塔之间又加了一个分离装置，将氩馏份中含氧量降到1～5%，然后这部分氩馏分到二级粗氩塔参与精馏。
得到的粗氩含氧量小于1PPm。
这些粗氩装置进一步脱氮，使氮含量降到1PPm以下。
制氩装置的冷量来源是从高压塔底部过来经过过冷的液空。
（5）内压缩流程
这也是 制氧机另一个鲜明的特点。
产品的输出不采用气体压缩，而是将液体产品直接通过产品泵加压到主热交换器蒸发，得到的高压产品包括30kg高压氧气，30kg高压氮，30kg高压氩。
使用内压缩流程，减少压缩机的使用，低温低体泵的数量相对增加。
低温液体泵都是变频泵，即由一个变频电机带动的泵，根据频率的变化可以使泵常开，但处于低速运转状态。
这样一旦高速运转的泵发生故障，一台后备的低速运转的泵就会自动启动，无需操作人员到现场进行操作，可以保证液体输送的连续性。
参照工艺流程图可以看出，液氧与液氮有蒸发泵和压缩泵，但液氩蒸发泵同内压缩泵是同一个泵即P4568。
该泵的出口分为两路，一路到主热交换器，另一路进入高压氩罐，再在水浴式蒸发器E7516蒸发，送至管网。
（6）液氮倒罐
液体倒罐的目的在于快速开车。
通过P7366蒸发泵将液氮送回到D3231罐中。
2.电气、仪表工程特点
（1）供电与自动控制特点
1）供配电系统
电气室电源由两路110kv电缆引自变电所，电气室内设110/10kv变压器，容量为63MVA；另设10/3.15kv变压器，容量为3150KVA；3/0.4kv变压器，容量2000KVA。
主空压机电机为10kv同步电动机，无刷励磁，PLC控制、保护。
电机采用自藕变压器一级降压起动，自藕变压器抽头位置为75%，10kv起动压降为14%，110kv母线压降为2.5%。
氧压机电机为10kv同步电动机，励磁方式为无刷励磁，设有维持功率因素恒定和励磁电流恒定的自动励磁调节系统。
采用全电压直接起动，起动时110kv母线压降为2%，10kv母线压降为10.5%。
中压氮气压机电机为10kv异步电动机，容量3730kw，采用全电压直接起动。
循环冷却水供水泵电机为3kv，容量380kw，其他水泵电机为380v，均为全电压直接起动。
主空压机及氧压机电动机设差动保护，过电流保护、电流速断保护，逆功率保护、接地保护、失步保护、励磁回路保护。
中压氮压机电动机设差动保护、过流保护、电流速断保护、接地保护。
2）自动控制系统
①采用BAILEY公司生产的新生一代公布式控制系统（INFIQO控制），该系统主要由操作员操作平台，过程控制单元及光纤通讯网络等三个部分组成。
操作站具有生产过程监视（总体画面、流程图画面、回路画面、报警画面、趋势画面等）、生产操作及控制（回路状态改变、参数设定等）、报警及记录、生产数据存贮及记录、报表生成及打印、系统状态等功能。
控制器主要功能有回路控制、逻辑控制、顺序控制、数据采集及分子筛变工况优化控制、氩提取优化控制、自动负荷跟踪等。
②主空压机、氧压机的运行信号、液氧、液氮、液氩贮罐的液位信号及产品泵的运转信号、水处理系统的补充水量、循环水量，经隔离后送往能中。
③主工艺线检测控制项目有：
压缩机的防嗝振控制、压缩机轴震动及位移、主空压机入口流量、PSA的顺序、进冷箱前压缩膨胀空气流量、主冷凝器液位、回流液体流量、精氩塔液位、产品氣氧氣氮氣氩压力、各产品纯度等。
④空压机、氧压机、中压氮压机等有机旁控制柜，柜上装有必要的仪表、开停按钮。
（三）制氧主要设备
1.主要机械设备和电气、仪表设备
编号
设备名称
设备供应厂商
数量
（台）
重量
（吨）
1
高压塔T3211
林德
1
24.0
2
低压塔T3212
林德
1
105.0
3
粗氩塔T4110
林德
1
52.0
4
粗氩塔T4111
林德
1
73.0
5
粗氩塔T4112
林德
1
2.5
6
主热交换器E3116、E1117、E3119
林德
10
12.5
7
主空压机C1161
林德
1
225.0
8
空气增压机C2161
林德
1
80.0
9
氮压机C1761
林德
1
45.0
10
液氮、液氮缸内罐D7110、D7310
林德
2
110.0
11
主空压机马达M1181
林德
1
47.0
12
空气增压机马达M1281
林德（BSL）
1
37.0
13
10kv开关柜
林德（ABB）
8
24.8
14
3kv开关柜
林德（ABB）
6
14.4
15
380kv开关柜
林德
6
14.4
16
主空压机启动变压器
林德（ABB）
1
12.5
17
变频调速器
林德（ABB）
14
7.0
18
氮压马达M1781
林德（ABB）
1
12.5
19
冷箱结构
大连金州重型机器厂
1
525
20
分子筛容器
杭氧
2
140
21
空冷水冷塔
杭氧
2
140.0
22
原料空气过滤器
烟台净化器
1
30.0
23
高压液态罐
杭氧
2
100
24
低压氩罐
杭氧
2
100
25
高压液氩罐
四川空分
1
60
26
隔音罩
上海交大、十三冶设备处
3
160.0
27
受电变压器
沈阳变压器厂
2
132.0
28
电力变压器
上海ABB变压器厂
5
26.0
2.制氧站工程实物量
钢管桩：
800t
混凝土桩：
1200m3
混凝土：
1500m3
机电设备安装：
4000t
铝合金管道安装：
7200m（冷箱内）
碳钢管道安装：
2000m
建筑钢结构：
600t
不锈钢焊接：
120t（罐区）
电缆敷设：
20km
3.制氧机主要设备的性能参数
（1）机械回转设备
1）制氧机生产能力分为5种工况
单位
情况A
情况B
情况C
情况D
情况E
空气质量在（分子筛分后）
标准立方米/小时
301000
299000
210500
306400
206200
压力
千帕（表压力）
438
438
383
440
411
温度
℃
app.23
app.23
app.24
app.23
app.24
高压气态氧产品
Nm3/h
60000
60000
42000
63000
30000
压力
兆帕（表压力）
3.0
3.0
3.0
3.0
3.0
温度
℃
app.38
app.39
app.39
app.39
app.40
纯度
%O2
≥99.6
≥99.6
≥99.6
≥99.6
≥99.6
氮成份
vppm
≤30
≤30
≤30
≤30
≤30
液态氧产品
标准立方米/小时
2000
1400
1400
-
4500
压力
kPag
8.4
8.4
8.4
8.4
温度
℃
-183
-183
-183
-183
纯度
%O2
≥99.6
≥99.6
≥99.6
≥99.6
（MP）中压气态氮产品
标准立方米/小时
40000
40000
28000
40000
40000
压力电池极限
MPag
0.7
0.7
0.7
0.7
0.7
温度
℃
app.40
app.40
app.40
app.40
app.40
气
vppm
≤1
≤1
≤1
≤1
≤1
高压、气态氮产品
标准立方米/小时
24000
24000
16800
24000
12000
压力
MPag
3.0
3.0
3.0
3.0
3.0
温度
℃
app.38
app.39
app.39
app.39
app.40
氧气成份
vppm
≤1
≤1
≤1
≤1
≤1
液态氮产品
标准立方米/小时
1000
-
700
2400
2500
CB压力出口
千帕
8.4
-
8.4
8.4
8.4
温度
℃
-194
-194
-194
-194
O2成份
vppm
≤1
≤1
≤1
≤1
气态氩产品
标准立方米/小时
2380
-
1665
2400
1260
CB压力出口
当帕
3.0
-
3.0
3.0
3.0
温度℃
app.38
app.39
app.39
app.39
app.40
纯度
%
99,999
99,999
99,999
99,999
氧气成份
vppm
≤1
≤1
≤1
≤1
氮气成份
vppm
≤1
≤1
≤1
≤1
液态氩产品
标准立方米/小时
-
2380
-
-
-
CB压力出口
千帕
8.4
温度
℃
-184.5
纯度
%
99,999
氧气成份
vppm
≤1
氮气成份
vppm
≤1
操作用情况A：
设计情况（保证）
操作用情况B：
最大液态氩产品（保证）
操作用情况C：
旋小70%情况（期望）
操作用情况D：
最大气体氧产品（期望，105%）
操作用情况E：
50%分部负荷带最大液态产品的操作。
备注：
给定的液体产品压力有关冷芯盒出口地需考虑流体高度。
（2）空压机C1161
压缩机
（工艺流程）运行空缩机
任务：
将工艺过程空气压缩到所需要的工作压力
压缩机数据（设计情况）
型式 透平压缩机
介质 空气
额定性能 标准立方米/小时
吸入压力 101.6千帕（绝对值）
吸入温度 32℃
相对温度 80%
排出压力 555千帕（绝对值）
排出温度 97.9℃
空压机的速度 4200转/分
额定功率 22080千瓦
电动机额定功率 26900千瓦
冷却水温度入口/出口 32/39℃
压缩机需要冷却水 2430m3/h
型号：
RIK140-4
（3）空气增压机C1261
空气增压压缩机
符号：
C1261 1-111级
任务：
将工艺过程空气压缩到所需要的工作压力
压缩机数据（设计情况）
型式 透平压缩机
介质 空气
额定性能 标准立方米/小时
吸入压力 540千帕（绝对值）
吸入温度 23℃
排出压力 3650千帕（绝对值）
排出温度 40℃
电动机的速度 1500转/分
额定功率 147670千瓦
电动机额定功率 16500千瓦
冷却水温度入口/出口 32/39℃
压缩机需要冷却水 1850m3/h
空气增压压缩机
符号：
C1261 Ⅳ级
任务：
将工艺过程空气压缩到所需要的工作压力
压缩机数据（设计情况）
型式 透平压缩机
介质 空气
额定性能 111500标准立方米/小时
吸入压力 3650千帕（绝对值）
吸入温度 40℃
排出压力 5300千帕（绝对值）
排出温度 40℃
电动机的速度 1500转/分
额定功率 看Ⅰ-Ⅲ千瓦
电动机额定功率 Ⅰ-Ⅲ千瓦
冷却水温度入口/出口 32/39℃
压缩机需要冷却水
型号：
HVK16-4
（4）氮压机
氮气—产品压缩机
符号C1761
任务：
将氮气压缩到所需要的工作压力
压缩机数据（设计情况）
型式 透平压缩机
介质 氮气
额定性能 40000标准立方米/小时
吸入压力 101.6千帕（绝对值）
吸入温度 38℃
排出压力 1041千帕（绝对值）
排出温度 40℃
电动机的速度 1494转/分
额定功率 4052千瓦
电动机额定功率 4400千瓦
冷却水温度入口/出口 32/39℃
压缩机需要冷却水 415m3/h
型号：
VK32-4
（5）透平膨胀机X3471A/B
膨胀透平
连接带有制动发电机的膨胀透平
符号：
X3471A/B
任务：
作为工艺过程，产生需要冷却度的冷空气膨胀
透平数据（设计情况）
喷嘴设定 %
介质 空气
生产量 34900标准立方米/小时
入口压力 3625千帕（绝对值）
出口压力 326千帕（绝对值）
同隙压力 263千帕（绝对值）
入口温度 -98.8/177.2度/开
出口温度 -167.4/105.6度/开
透平的速度 28000转/分
发电机的速度 3000转/分
在电动联轴节上的功率 660.5千瓦
型号：
TG200/45-ASM
4.空气预见冷系统
（1）空气冷却塔E2416
设计参数：
空气入口温度：
约90℃
空气出口温度：
约16℃
冷却水入口温度：
32℃
冷却水量 约600m3/h
过冷水入口温度：
约15℃
过冷水量 约160m3/h
水出口温度：
约42℃
（2）水冷塔E2417
设计参数：
污氮流量 约113，000Nm3/h
过冷水量 约160m3/h
过冷水入口温
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