张 春

（唐钢国际工程技术有限公司，河北 唐山 063000）

随着国内钢铁企业规模化、集中化发展，空分装置大型化和多空分配置成为生产中的主流，60 000 Nm3/h超大型空分装置，具有生产能耗低，产品纯度高等优势，但设备占地面积较大，辅助生产气体品种较多，尤其在多空分装置联网运行中，需要对各种介质管道进行变工况应力计算，对工程设计提出了较高要求。根据此次超大型空分装置及多空分装置的设计需要，设计人员开展了大量的工作，包括考察交流，传统设计理念革新等，摸索出了一条适用于唐钢新区等大型钢铁企业空分设计技术路线，拥有了自主知识产权先进技术，通过此项目的实施，填补了唐钢国际在超大型空分装置及多空分装置设计领域的空白。

1 空分装置设计

1.1 总平面布置

本项目布置在空气洁净地区，远离易产生空气污染的生产车间，并在有害气体和固体尘粒散发源的下风侧。制氧车间、液体储槽、球罐、变电站和民用建筑之间安全距离均符合国家相关规范要求。

生产区和生活区分开布置，生活区远离制氧车间、变电站等生产区建筑物，保证了工作人员的职业卫生健康。同时生产区分为制氧车间、空气分离、液体储存、公辅设施和气体缓冲5 大区域，保证了工艺流程顺畅，设备操作维护方便，总体布置整洁美观，如图1所示。

图1 空分装置鸟瞰图

1.2 工艺流程设计

空分装置采用分子筛净化空气，带增压透平膨胀机的氧气外压缩流程，采用规整填料型上塔及全精馏无氢制氩新工艺。

原料空气在空气过滤器中去除了灰尘和机械杂质后，进入空气透平压缩机中，由中间冷却器进行中间冷却，将空气压缩至约0.60 MPa（A），然后进入空气冷却塔中冷却。

空气经空气冷塔却与水换热后降温至-10 ℃，进入交替使用的分子筛吸附器，在分子筛吸附器中清除空气中水分、二氧化碳和一些碳氢化合物，从而获得纯净空气。

净化后的空气分成2 路：一路空气首先进入增压机增压，增压后的空气被冷却至-15 ℃时进入空分塔主换热器，经返流气冷却后从主换热器的中部抽出进入透平膨胀机中，膨胀后的空气进入上塔中部参加精馏。另一路空气直接进入主换热器被冷却至露点温度进入下塔参加精馏。

经过上塔、下塔的精馏，利用氧、氮沸点的不同，最后在上塔底部获得纯度为99.6%的氧气，在上塔的顶部获得纯度小于10×10-6O2的氮气，经主换热器复热后送出冷箱。

出冷箱的产品氧气分别送至高压氧压机和低压氧压机加压，经高压氧压机加压的氧气送氧气调压站，调压后送炼钢，经低压氧压机加压的氧气送高炉及其他用户。

出冷箱的产品氮气分别送至高压氮压机和低压氮压机加压，加压后的高压氮气、低压氮气送各自的用户。

产品液氧、液氮和液氩出冷箱后进入各自的贮存、加压和汽化系统。经汽化后的氧气、氮气和氩气分别与厂区各自的管道并网连接。

本项目空分装置采用分子筛净化空气，带增压透平膨胀机的氧气外压缩流程，规整填料型上塔及全精馏无氢制氩工艺，出冷箱的工业气体送至制氧车间内加压，经气体缓冲区域后，送至唐钢新区各用户。

（1）空气过滤器布置在空分装置全年最小频率风向的下风侧[1]；有效减少了因空气中碳氢化合物含量高，纯化系统负荷增大，电耗增加的现象。

（2）空压机入口管道采用不锈钢管，防止管道出现锈蚀。对温度较高的管道进行应力计算，避免补偿装置出现问题[2]。

（3）纯化系统中各管道内介质和流动方向交替切换工作，管路及阀门复杂。设计人员通过三维建模，清晰体现了管线布置，导入应力计算软件进行分析计算，管系布置更为合理。纯化系统管道柔性分析图如图2 所示。

图2 纯化系统管道柔性分析图

1.3 安全设计

本项目在生产过程中存在部分设备发生爆炸、火灾、中毒和灼烫事故的危险，在设计中须严格遵守国家、行业内法律法规及规范要求。

（1）氧气调节阀组设置在防爆墙内，手动阀门的阀杆伸出防爆墙外进行操作[3]。

（2）液体储存区设置围堰，当发生液体泄漏时，将泄漏的液体控制在围堰内逐渐蒸发，避免引发事故，且液氧贮槽有充足的消防水源，满足安全生产需要[4]。

（3）制氧车间及氮水预冷间内设置氧含量检测及相应的联锁设施，确保氧含量不低于19.5%，不高于23%。

1.4 设计亮点

（1）对空气、氧气、氮气、污氮气等管系布置进行优化，对比常规设计降低管道阻损约10 kPa，各压缩机、电加热器等用电设备年均可节省用电550 万kWh，为企业节省电费约300 万元。

（2）在空压机压缩侧专门设置检修钢平台及检修电源，为空压机的巡检工作创造了便利的条件。

（3）在2 套分子筛吸附器中间设置联合巡检平台，在保证检修的同时，兼顾了分子筛、活性氧化铝的装填和卸料。

1.5 设计注意事项

1.5.1 总平面布置

要控制好安全距离。尤其是制氧主车间、液体储槽、球罐、变电站、重要公用建筑、铁路和民用建筑。设备及管线布置以工艺流程顺畅、操作维护方便与站区整洁美观和符合安全规范为原则。

1.5.2 主厂房

主厂房跨度选择要考虑空压机冷却器的检修。在厂房跨度不能满足空压机冷却器检修，又不宜扩大跨度的情况下，可在厂房的墙上开门，但要避开厂房柱或局部调整空压机所在位置的厂房柱距。起重机应按照检修最重件进行选择。轨顶标高需要根据设备的高度和起吊件的特点计算确定。

1.5.3 空气过滤、压缩系统

过滤器的反吹气源一般用仪表空气，压力0.5 MPa，但要需要核实过滤器厂家资料。有的过滤器要求反吹压力为0.8 MPa，仪表气压力不能满足，需要用满足压力要求的空气或氮气反吹。过滤器管口标高应与空压机入口标高一致，减小阻损。入口管道采用不锈钢管，防止管道锈蚀。空压机排气管道由于温度高、应力大，需要进行应力计算，避免出现排气管道上补偿器出现拉裂的情况。另外不同厂家的设备，其流程亦有不同，排气管路上的止回阀、流量计和空冷塔进口等的安装要求，需要细心核实厂家资料。

1.5.4 氧压机系统

氧压机的保安和试车用氮气管道必须除锈脱脂。氧压机放空阀与安全阀在配管时尽可能使排出气流的方向朝向放空消音器，减少弯头，以缓冲高速气流的冲击，消除安全隐患。氧压机放空消音器放散口的标高不宜低于10 m，且需要高于厂房，对于大型氧压机，氧气放散量大，在不利于氧气扩散的大气条件下，会造成放空消音器附近氧气浓度大幅升高，形成安全隐患，因此放散口标高要根据现场情况进行适当的加高。

1.5.5 空气预冷系统

对于室内布置氮水预冷间，一定要核实空、水冷塔的人孔、爬梯与屋面梁和构造梁的关系。分馏塔至水冷塔的氮气、污氮气管道直径较大，穿屋面或墙面时需与厂房土建图纸仔细核实，避免碰撞。空冷塔是压力容器，设计往往需要增设贴板以进行管道支架的安装，这就需要设计人员在设备审查阶段告知设备厂家。冷水机组冷却器需要定期抽芯检修，设计时需留出足够空间。

1.5.6 分子筛纯化系统

分子筛吸附器的进出口空气、污氮管道尽可能对称布置，以均衡管道阻力。分子筛系统管道直径大（如1×60 000 Nm3/h 空分装置为DN1 400）、温度高（加热器后可达250 ℃以上）、应力大，因而设计时需要进行应力计算，达到管系的合理布置。

1.5.7 液体储存系统

液体储槽的布置考虑区域内外设施的安全距离。液体储槽区要设置围堰，当发生液体泄漏时，将泄漏的液体控制在围堰内逐渐蒸发，避免引发事故[2]。

1.5.8 管线系统

管线设计成管廊形式，根据工艺管道中大口径管道的跨距来确定管廊的跨距，以减少落地支架的数量，小口径管道由于跨距小，可通过增加管廊中的横梁数量来解决。

1.5.9 氧气调压站

氧气调压站设防护墙，防护墙上方设防雨棚，保证一定的通风面积，氧气阀门的阀杆穿防护墙开洞的缝隙应用钢板封堵。电气仪表电缆不得穿越防爆墙。

2 采用的先进技术

2.1 稀有气体精制冷箱防爆墙

本项目同步建设了产品纯度为6 N 的氪、氙精制装置，采用高温焙烧去除碳氢化合物以及氮氧化物、多塔精馏去除杂质和特种吸附剂低温吸附除氡等技术，具有回收率高的特点，但此氪、氙精制装置易发生稀有气体泄漏，造成安全生产事故，设计人员因此研发了氪、氙冷箱防爆墙。稀有气体精制冷箱防爆墙，如图3 所示。

图3 稀有气体精制冷箱防爆墙

（1）稀有气体精制冷箱防爆墙为200 mm 厚，与稀有气体精制冷箱等高，顶部为开敞的混凝土实心墙，内设检修防爆灯、事故防爆通风机和撞击传感器等设施，在与稀有气体精制连接的过桥上增设快速切断阀。

（2）当稀有气体精制冷箱管路发生爆炸时，其产生的管道碎片被防爆墙阻挡，避免管道碎片对分馏塔主塔和主换热器破坏。防爆墙上传感器接到撞击信号后，通过分散控制系统（DCS）关闭快速切断阀，打开事故通风机，将泄漏的稀有气体排空，避免发生安全事故。

2.2 氮气调节阀组岛

河钢唐钢新区为综合性大型钢铁公司，在生产中，根据工艺的差异需要不同压力等级的氮气来维持生产，尤其炼钢生产中，溅渣护炉及汽化冷却烟道氮封工艺，瞬间需要大量的高压和低压氮气，对管路冲击大，管道压力在此时降低较快，严重时将影响其他用户的使用，在以往的设计中，一般均是扩大输送氮气管道直径、增设氮气球罐。但在唐钢新区超大型空分装置及多空分装置设计中，首次采用了对不同区域的氮气进行分类输送，建设氮气调节阀组岛，通过对调节阀的控制，实现了对输送氮气压力和用量的动态平衡，稳定了因瞬间氮气用量增大造成的氮气管网压力波动，保证了管网和炼钢生产的安全运行。

本项目建设了氮气调节阀组岛，通过对不同区域的氮气进行分类输送（表1），实现输送氮气的动态平衡，稳定管网压力，保证安全生产。

表1 氮气管道参数

在气体公司生产中配置有氮气液体储槽、液体泵和气化器，其作用是在氮气供应不足时，通过气化来满足生产中的用量，以往气化器气化后的氮气管路一般与炼钢高压管道连接，不设置调节阀组，气化后的氮气压力单一，调节能力差。

本项目设计中，将氮气气化器管路分成3 条支路，低压氮气之间4 条调节阀管路，通过调节阀组分别供应冷轧用低压氮气，冷轧用低压氮气，钢轧用高压氮气，通过DCS 系统实时监测管路中的压力变化，再经过调节阀的控制，精准将不同压力的氮气通过管道进行输送，稳定管网压力。

3 结论

通过唐钢新区生产实践，超大型空分装置具有生产能耗低，产品纯度高等优势，多空分装置联合运行，又保证了生产安全性，是钢铁企业空分装置设计发展的主流方向。唐钢国际作为冶金行业清洁生产技术的倡导者，燃气专业设计人员以“先进、可靠”为原则，通过先进技术应用，保证整个工序能耗最低，生产最为可靠及安全，为河钢唐钢新区实现节能增效，跨越式发展贡献力量。