空分装置分子筛运行能耗浅析

宋治乾 李 刚 边明昕 徐云峰

成都艾尔普气体产品有限公司 （四川成都 610000）

分子筛纯化系统是整个空分装置中将空气杂质除去的重要设备，在除去空气中杂质的同时节能运行，对整个装置的意义不言而喻。不论使用电加热器还是蒸汽加热器，优化改进其加热程序，可减少加热时间，延长分子筛使用寿命，从而节省蒸汽及电能，提高工厂整体经济效益。本研究涉及28 000 m3/h（标准状态，下同）空分装置，主要为某大型石化企业提供保护氮气与氧气，部分多余液氮、液氧、液氩作为附属产品供周边电子厂、钢厂及医院。装置采用内压缩流程，空气经空压机压缩经过分子筛净化后分成两部分，一部分直接进入下塔参与精馏，一部分经增压机增压后分别进入上塔与下塔参与精馏。液氧从低压塔底部采出进入液氧储罐，通过液氧泵增压到氧气产品需要的压力，然后在冷箱内的换热器中与压缩空气换热，液氧被汽化，空气被液化，从而获得高压氧气产品。低压塔顶部和上部采出氮气与污氮气，氮气经压缩机压缩送下游客户使用，而污氮气则用于分子筛再生。该工艺避免了使用氧气压缩机所带来的危险性和操作上的麻烦，同时可存储部分液氧作为氧气产品的后备，避免因空分装置短时间故障而中断氧气供应，是目前工业上大规模制取高纯氧气的最先进技术。[1]随着填料技术的进步，高效率、低压降的填料塔应用于深度冷冻法分离空气装置，无氢精馏制氩技术才实现工业化。无氢精馏制氩技术采用双塔精馏对粗氩进行精制，完全避免了用氢气制氩技术的缺点，且生产过程更易于控制。

1 分子筛系统组成

该装置分子筛由活性氧化铝、钙剂分子筛和13X 分子筛组成，主要用于清除空气中的水分、乙炔、二氧化碳等杂质，以避免温度降低从空气中析出，冻结和堵塞换热器通道，同时避免一些碳氢化合物在主冷、液氧储槽中形成聚集产生危险；分子筛由4 个吸附器（两两并列）和再生加热系统组成，再生加热系统由一个蒸汽加热器与一个电加热器串联组成，具体如图1 所示。

图1 分子筛系统组成

装置开车启动时，再生气来自分子筛后端的空气，以满足分子筛再生的需要；装置正常运行时，再生气则来自主精馏上塔通过主换热器复热后的污氮气，其氧气体积分数在3%以下，有利于分子筛的安全、可靠运行。

2 分子筛加热系统主要参数及流程

该装置分子筛一个再生周期需要5 h，其加热时间随季节及装置负荷变化而不同，夏季约需要60 min，冬季约需要45 min，加热再生气量需要22 000 m3/h，冷吹再生气量需要27 000 m3/h，分子筛加热再生设计温度为195 ℃。

再生气所需要的热量由蒸汽加热器和电加热器两部分提供。蒸汽加热器为卧式加热器，使用由公用工程热电站提供的过热蒸汽，设计压力1.2 MPa、温度290 ℃；受制于热电站减温减压器及各装置蒸汽使用情况，其饱和蒸汽实际温度只有188 ℃。在分子筛加热时，蒸汽通过蒸汽加热器换热被冷凝，冷凝水回收到冷凝水池，由冷凝水泵将冷凝液输送到循环水池再利用；蒸汽加热器出口安装有露点监测仪，来监测其是否会出现内漏。电加热器共有5 组，每组有20 根加热管，每一组电加热器功率为150 kW，5 组总计750 kW；加热管内部加热元件设计最高温度不超过600 ℃，加热系统启动后，工作时电加热温度一般达到270 ℃，电加热器壳体有温度高高联锁保护，当温度超过600 ℃时会自动联锁关停。

3 电加热器单元节能控制比例设定

分子筛一个再生周期分为5 个步骤，分别是泄压、加热、冷吹、充压、并联运行。分子筛加热的目的是通过高温再生气解析分子筛正常运行时吸附的水分、二氧化碳等杂质。

该装置电加热共计5 组，根据再生气流量与温度变化的关系，利用再生气流量与温变比例控制5组电加热器的启动和停止。在分子筛再生加热程序设计中，将再生加热气温度控制器TIC1626-1 控制比例值预设为50%，当加热步骤开始后，TIC1626-1控制器会自动投用转为50%设定；当每组电加热器温度达到设定比例时，会按照比例值进行自动启停，分子筛再生加热初期蒸汽提供热量使再生气温升较慢，所以，每组电加热器会按照其启动比例依次全部投用；电加热器E167 第一组控制启动设定比例为20%、停止设定比例为15%，第二组控制启动设定比例为75%、停止设定比例为70%，第三组控制启动设定比例为35%、停止设定比例为25%，第四组控制启动设定比例为95%、停止设定比例为90%，第五组控制启动设定比例为65%、停止设定比例为60%。当分子筛再生气出电加热器后温度达到195℃时，电加热器按照先前设定的比例值停止运行。当加热步骤结束后，TIC1626-1 控制器会自动转为手动状态保持。具体如图2 所示。

图2 电加热器启动比例设置

4 电加热器的设计功率

电加热器是为了辅助蒸汽加热器完成再生气的升温任务，因此电加热器设计功率不能太大，以免浪费；也不能太小，避免出现蒸汽断供或者蒸汽加热器E162 维修等导致空分装置被迫停车。通过计算得出，在电加热器E167 单独加热的情况下，装置依然能够最低负荷运行，避免了装置因蒸汽断供而停车。

电加热器功率的确定见公式（1）。

其中：p 为加热器功率，kW；V 为所需的加热气体量，m3/h；cV为加热气体的容积比热容，kJ/（m3·K）；T2为加热气体出口温度，K；T1为加热气体进口温度，K。

5 电加热系统运行情况

分子筛电加热器E167 在分子筛开始加热3 min 内5 组全部投入，这时蒸汽加热器E162 出口温度约为95 ℃，而E167 出口温度约为88 ℃；在蒸汽加热器与电加热器同时运行5.5 min 后，TI1660 与TI1626-1 出口温度为120 ℃；其中蒸汽加热器出口温度在125 ℃左右，上涨较为缓慢，而电加热器出口温度基本达到168 ℃；E167 与E162（142 ℃）同时运行10 min 加热温度到190 ℃，分子筛加热系统控制程序按比例停第四组电加热器。加热曲线具体如图3 所示。

图3 分子筛加热温度曲线

这种加热模式可以使再生加热气以更快速率达到150 ℃以上以满足加热气温度要求，从而使加热时间大幅度缩短至50 min 左右，约占再生时间的17%。而一般分子筛的加热时间是再生时间的25%左右，这样就可以有更充足的时间分配给冷吹阶段，以保证冷吹合格，否则冷吹不彻底会将下次吸附时太多的热量带入精馏塔内，导致塔内精馏工况紊乱，破坏产品纯度。

6 分子筛运行能耗变化情况

该装置位于成都平原，夏天（6 月—9 月）与冬天（11 月—次年2 月）运行受天气变化影响，整体能耗变化较大。夏天天气炎热，空气湿度大，循环水温度为25～32 ℃，通过空冷塔冷却后的空气进入分子筛温度较高（15～22 ℃），且含水量高，所以分子筛运行负荷较大；而冬天时循环水温度较低，为15～20 ℃，出空冷塔空气温度在10 ℃左右，含水量较低，分子筛运行负荷较低。对比两个季节能耗的变化，夏季时分子筛一个再生周期（5 h 切换一次）平均能耗约为7 325 kW，而冬季时分子筛一个再生周期平均能耗约为4 395 kW。整体能耗冬季较低，夏冬两季能耗相差2 930 kW。

综上所述，分子筛加热器在控制比例运行期间，能够很好地节省电能。普通电加热器不按比例控制，消耗的电能远大于按照比例控制的电加热器。按照比例控制的电加热器利于设备本身的维护，为装置和工厂安全、可靠生产及经济性带来了很大的收益；同时，空气出预冷系统时的温度变化对分子筛能耗也有一定的影响。

7 结语

分子筛吸附器主要用于清除原料空气中的水分、乙炔、二氧化碳以及一些碳氢化合物，以防止这些杂质在设备及管线部位局部积聚和冻结并堵塞管线。其中，乙炔和其他碳氢化合物在空分设备内积聚，在一定条件下还会引起爆炸。所以，在保证空分设备长期、安全、可靠运行的情况下，能够通过调整分子筛电加热器加热时间，更好地利用富余蒸汽对分子筛进行加热再生，有效控制分子筛运行期间的整体能耗，使其在最优能耗下运行以降低装置生产运行成本。