刘永龙， 王仲杨

(白银有色集团股份有限公司铜业公司， 甘肃 白银 730900)

0 引言

白银有色集团股份有限公司铜业公司历经数次技术改造，发展成为年产阴极铜15万t、硫酸54万t的大型铜冶炼企业。铜业公司制氧车间承担着铜业公司的供氧、供氮、供风、供水任务。供氧系统提供白银炉、转炉、卡尔多炉、硫酸用氧；供风系统提供白银炉用吹炼风、转炉用风及全厂仪表用风；供水系统为精炼、熔炼、电解提供循环用水。供氧系统分为备用的6 500 Nm3/h系统和正在投产的20 000 Nm3/h系统。其中正在投产的20 000 m3/h制氧系统是通过空气吸入口将空气吸入，原料空气进入自洁式空气过滤器中，将空气中的机械杂质和尘埃过滤后，进入到透平空压机再进行多段压缩。空冷塔的预冷系统将压缩后的空气进行预冷，预冷的空气将空气中水分去除后进入到分子筛的纯化系统。被纯化的洁净空气一部分进入到下塔C1参与精馏，一部分直接进入主换热器E1被反流污氮冷却，另外一部分进入液氧自增压器K2中被液氧液化为液空，进到下塔C1的中下部。下塔C1中的主冷凝蒸发器将下塔C1顶部的氮气冷凝成液氮，下塔C1中下部的液空和下塔C1底部的富氧液空通过过冷器节流及过冷之后进入到上塔C2参与精留。上塔C2中经过再次的精馏，获得产品氮气、污氮气、液氧和氧气等。在液氧蒸发器中发生换热，将主冷底部抽出的液氧和空气进行换热后汽化，汽化之后的氧气通过主换热器再次加热送出冷箱,得到可用的产品氧气。从冷箱出来的氧气一部分直接送出界区进入总管网的低压氧气管，一部分产品液氧从液氧自增压器K2底部中被抽出,从主冷箱直接被送往液氧贮槽。

来自液氧贮槽的液氧，经后备液氧泵1压缩至所需的压力，然后送往液氧水浴式汽化器中，汽化后送入低压氧气总管网，供给转炉、白银炉等使用。另一股经后备液氧泵2压缩至所需的压力，然后送往液氧水浴式蒸汽加热器中，汽化后与氧压机来的氧气汇合进入氧气缓冲罐，氧气经过调压阀阀组调压送出界区。同时，液氧可以通过槽车送往外界销售。

1 液氧水浴式汽化器简介

近些年随着金属行业的高速发展，工业氧气的使用也快速增加，空分设备稳定性对高、低压氧气供应要求也越来越高。有时，空分设备因检修停车会影响氧气供应的稳定性。所以，为了确保稳定性，铜业公司建设了液氧汽化和液氧贮槽系统。

液体汽化供气系统主要由液氧水浴式汽化器、液体加压泵、低温液体贮槽和管网系统四部分组成，其中最关键的设备是液氧水浴式汽化器。液氧汽化器主要分为水浴式汽化器与空温式汽化器两种。水浴式汽化器主要以不锈钢材质为主，其优点为在同等单位下蒸发量大，不占用空间，设备质量及强度高，容易检修，所以水浴式汽化器得到了广泛认可。而空温式汽化器主要以铝合金材质为主，其缺点为在同等单位下蒸发量不高、占用空间大、设备易损坏、不易检修。

2 液氧水浴式汽化器主要技术参数

白银有色集团股份有限公司铜业公司于2012年建设液氧水浴式汽化器，型号为A120071。

流量 20 000 m3/h

工作温度 -183 ℃

工作压力 0.05 MPa

工作介质 液氧

出口温度 常温

加热介质 0.8 MPa饱和蒸汽

配套装置 温度计、调压阀、安全阀等

3 液氧水浴式汽化器的结构及原理

液氧水浴式汽化器结构如图1所示，是立式结构。产品液氧流入到汽化器中，从汽化器顶部排出并加热到常温。蒸汽进入汽化器将容器中的水加热，加热后的水再与液氧和氧气换热，从而将液氧由液态转变为气态，再加热到常温。为了提高水与液氧、氧气换热效果，将汽化器底部的水经过管道加压泵送入容器的顶部，从而加速水在汽化器中的循环，提高换热效果。

1.水侧溢流口 2.进水口 3.外壳 4.换热盘管 5.液体分配管 6.O型加热管 7.调节阀 8.热水进出口 9.循环水泵图1 液氧水浴式汽化器结构图

加压泵将低温液体抽出，顺着顶部的直管进入，加压到汽化器底部环管，液体从下至上由环管分别进入盘管，通过管束常温气体与汽化器上端气体环管相遇之后从顶部直管引出；蒸汽管被汽化器从顶部引到底部，此时“O”型加热管开始加热；循环水泵将加热后的热水从底部管口引出，由加压泵送至汽化器顶部的进水口，汽化器每一层绕管之间，形成液体从上到下循环，这样的循环能保证水流在盘管之间逆向流动。同时，过量水可以通过溢流阀引出，如图1所示。

如图2所示，所有气体出口管道、蒸汽管道、包括低温液体进口管道都设计在汽化器的顶端，呈悬挂状态。所以汽化器中的绕管管束可以整体清洁或抽芯检查。

图2 绕管管束结合部示意图

4 液氧水浴式汽化器振动问题分析及产生的影响

4.1 振动问题分析

将液氧水浴式汽化器A120071设备打开保护盖，对汽化器整体的盘管组固定结构进行检查，检查完各固件都紧固完好，因此排除了盘管松动而产生的振动可能性。根据汽化器运行时响声沉重而不连续性的特点，以及汽化器中水蒸气加热管布置方式判断，产生的振动应为汽化器加热部位，如图3所示为汽化器加热结构形式。

图3 汽化器加热结构形式

经过多次检查，产生“水击”现象的原因是由于汽化器内部的加热管为“O”型，水蒸汽进水阀门到水蒸气加热管之间的管道中布满冷水。当水蒸气阀门被打开时，向汽化器供蒸汽后，导致管道中的冷水不能够完全排出，在这管段中，冷水和水蒸汽充分接触，将管道中的水蒸汽被冷凝成水，导致了“水击”现象。水蒸汽快速膨胀，从而形成"水击”现象，这就是汽化器在运行时会产生异响和振动的原因。

4.2 振动问题产生的影响

这种结构的水浴式汽化器的最大缺点是蒸汽在进入“O”型加热管的过程中会产生很大的振动现象，使相连的管道发生振动。因为振动幅度较大，可能会导致水浴式汽化器中管道的断裂，从而影响汽化器运行的稳定及安全。循环水或蒸汽进入液体管道的故障也时有发生，影响了正常生产。其他单位的水浴式汽化器也存在振动大的问题，甚至有些单位还发生了将临近厂房玻璃振碎的情况，危险性增加。

5 液氧水浴式汽化器的改进探讨

5.1 外接液体管道长度对振动的影响

经分析计算：

Δp=ρ1gh1-ρgghg-ΔP1-ΔPpr2ΔPg

(1)

式中 Δ—ΔP为流动动力，Pa；

ρ1—液体密度，kg/m3；

h1—液柱高度，m；

ρg—气体密度，kg/m3；

hg—气柱高度，m；

g—重力加速度，m/s2；

ΔP1—液相流动阻力损失，Pa；

ΔPpr—流体流经增压盘管时的阻力损失，Pa；

ΔPg—气相流动阻力损失，Pa。

经过以上公式分析，外接液体管道长度是产生振动的重要因素之一，汽化器中的增压管大量吸收热量，从而导致部分液体吸收热量被蒸发成气体，管道中气体和液体相互流动，又因液体密度是高于气体密度的，所以导致液体向下流动，气体又向上流动，流动的阻力大大增加，这就是形成“水击”的原因。

5.2 水浴式汽化器的改进探讨

如图4所示，液氧水浴式汽化器A120071为了彻底解决“水击”现象，为了确保设备稳定安全地运行。可以将热水出口管改为蒸汽出口管，同时去除“O”型加热管，在水浴式汽化器外的循环水泵管道下方安装汽水混合加热器，蒸汽从汽化器顶部进入到底部，由循环水泵送至汽化混合加热器中，从而使蒸汽与循环水同时加热，热水由汽化器顶部进入，在汽化器各层绕管间自上而下流动形成循环。

1.水侧溢流口 2.进水口 3.外壳 4.换热盘管 5.液体分配管 6.调节阀 7.蒸汽出口 8.循环水泵 9.汽水混合加热器图4 液氧水浴式汽化器改进结构图

汽水混合器具有节能环保的优点，利用水和蒸汽在管道中可以瞬间高效地混合，从而将管道中水快速加热，具有无振动、低噪声、热交换效率高、节省能源等优势。汽水混合器被广泛地运用在热水采暖、热力除氧以及生活、生产用热水等系统中，汽水混合器主要由喷管、壳体、网板、垫圈等重要部分组成。加的热水通过喷管时，蒸汽通过喷管外侧的管壁上，同时很多侧向的小孔会喷进水中，蒸汽和水在管中进行高效的热交换，从而进行加热。这样，液氧水浴式汽化器振动和响声的问题可以彻底得到改善。

6 汽水混合加热器

如图5所示为汽水混合加热器的结构，型号使用DLQSH，使用时直接连接于管道系统。拉阀尔喷管是加热器中重要组成部分，被加热的液体进入喷管中，进行高速的流动，而蒸汽又通过喷管外侧的管壁上，在高速的情况下，加热液体与蒸汽充分在喷管内可以做到瞬间高效的混合。从而不会产生空穴，水浴式汽化器振动和响声的问题就可以完全消除。

图5 汽水混合加热外形图

6.1 汽水混合加热器优点

汽水混合加热器是蒸汽和水直接进行混合加热，是一种蒸汽直接加热的设备，它不是间接加热，因此称之为“混合式加热设备”。其蒸汽利用率为百分百，汽水混合均匀，热交换效率高、节能；加热快捷、迅速，被加热水经过汽水混合加热器即可达到所需温度，产品体积小，不占用空间，安装简便、节省投资。与此同时，汽水混合加热器彻底解决了水浴式汽化器的振动噪声缺陷。

6.2 技术参数

为了加热不同温度的水，在额定流量D1t/h下，所需蒸汽量D0t/h，可由下式计算。

D0=(t2-t1)D1(i-Ct2)

式中C—水的比热，kcal/(kg·℃)；

t1—加热前的水温，℃；

t2—加热后的水温，℃；

i—在一定压力下进入加热器饱和蒸汽的热焓，kcal/kg；

D1—加热器额定流量。

20 000 Nm3/h系统的液氧水浴式汽化器中用的管径为DN80 mm，那么选择汽水混合加热器的水侧连接法兰DN125 mm，额定流量D1为145 t/h；汽侧连接法兰DN125 mm，额定流量为145 m3/h，额定流量D1为145 t/h。

表1 蒸汽消耗量表(饱和蒸汽压力为0.4 MPa时) t/h

6.3 汽水混合加热器运行标准

(1)蒸汽压力大于水压0.05 MPa以上是运行汽水混合加热器的条件；

(2)汽水混合加热器在没有蒸汽进入时，额定流量损失为5 mH2O，进入蒸汽后，可以认为水头损失为1 mH2O；

(3)在知道蒸汽的消耗量的情况下，可按管内流速20～30 m/S来计算系统的蒸汽管径。

(4)水泵可以设计在汽水混合加热器的前方，但需注意蒸汽压力一定要高于入水的压力。

7 改进后液氧水浴式汽化器开停条件

因为水浴式汽化器的作用是将水加热，然后在蒸发管内将低温液体进行蒸发。所以先将纯净水(无氯)灌入蒸发桶内至溢流口之前，再把低温液体倒入，然后通入蒸汽，把温度控制在设定的60 ℃左右(温度不能过高)，先打开气体出口阀，然后用流量调节阀控制低温液体的流量，并将出口气体温度控制在大于-15 ℃，这样可以防止出口管道结霜。

在气温低时，汽化器停运期间，必须排完蒸发筒内的剩余水，或者在蒸发桶内吹入少量蒸汽及保证蒸发桶处于溢流状态，因为汽化器的蒸发温度在20～40 ℃，所以需注意避免水浴结冰。检查蒸汽管道内的疏水器保证完好，才能够进行工作状态。液体蒸发器内的盘管需按照压力容器管理，因此要按照国家对压力容器管道的标准进行检查，检查合格后方可投入运行。

8 结语

白银有色集团股份有限公司铜业公司制氧车间的液氧水浴式汽化器A120071振动问题的危害性大，经过以上对液氧水浴式汽化器A120071的改进探讨，可以有效解决振动所产生的危害，只有经过生产实践不断优化，才能在冶炼设备行业中发挥更大的作用。