一、概述
晉城福盛鋼鐵有限公司（以下簡稱：晉鋼集團）為提升改造工程配套的KDON-20000/26000型空分設備由開封黃河空分集團有限公司（以下簡稱：黃河空分）設計、制造，該套采用常溫分子篩吸附預凈化、增壓透平膨脹機制冷、規(guī)整填料上塔、氧氣液柱增壓、DCS控制技術的外壓流程空分設備，集中應用了黃河空分七項國家專利技術；并作為采用液柱增壓流程連續(xù)開車成功的第六套空分設備，黃河空分工藝流程組織方式的先進性、可靠性和穩(wěn)定性，以及在節(jié)能產(chǎn)品研發(fā)方面的特色得到了再一次驗證。
二、KDON-20000/26000型空分設備主要配套機組
1.空氣壓縮系統(tǒng)
配自潔式空氣過濾器，國產(chǎn)離心式空氣透平壓縮機，雙層布置，帶水洗系統(tǒng)，額定排氣量105 000Nm3/h，額定排氣壓力0.52Mpa，四級壓縮三級冷卻，上海異步電機拖動，電機功率10 500KW，PLC控制+主控室DCS控制。
2.空氣預冷系統(tǒng)
本系統(tǒng)選用常規(guī)流程組織，包括空氣冷卻塔、水冷卻塔、冷水機組、冷凍水泵、常溫水泵；同時提供膨脹機組增壓機后冷卻器所需冷凍水；空氣冷卻塔、水冷卻塔均采用特殊設計的高效散堆填料塔，空冷塔運行阻力8KPa；空氣冷卻塔運行上段冷凍水量50t/h，下段常溫水145t/h；出冷水機組冷凍水溫度6℃，空氣出空氣冷卻塔溫度7℃，運行穩(wěn)定可靠。
3.純化系統(tǒng)
本系統(tǒng)采用臥式雙層床分子篩吸附器，電加熱器加熱再生，調(diào)功柜控制電加熱器負荷，DCS控制切換程序。空氣出系統(tǒng)CO?含量＜1ppm（1ppm=10-6），純化全系統(tǒng)運行阻力＜5KPa，平均再生能耗405 KW。
4.分餾塔系統(tǒng)
本裝置主換熱器采用混合布置，一組八臺，結構緊湊，布置簡單，有利于氣流分配；混合布置也是液柱增壓流程首選，使分餾塔啟動和正常運行相得益彰。主換熱器設計采用muse軟件，熱端溫差2.5℃，正反流阻力≤17KPa，為整套空分奠定優(yōu)良的性能指標基礎。在管道布置方面，采用“U”型布置，充分減小各臺因阻力不同而引起的主換熱器偏流問題；混合布置從理論計算上來說是與Aspen模擬的無縫對接，從結構上來講有利于管道匯集，總體布置優(yōu)于分體換熱器。
氧蒸發(fā)器是分餾塔系統(tǒng)的新成員，也是本套裝置設計的核心。創(chuàng)建設計理念、建立設計模型、篩選過程控制的重點及氧蒸發(fā)器在冷箱內(nèi)的布置和管路的布置均為本套空分設計的“大餐”。正流空氣與出主冷的液氧進行換熱，氧氣經(jīng)主換熱器復熱后出冷箱，液氧利用主冷至氧蒸發(fā)器之間的高度差產(chǎn)生液柱靜壓，在不增加空氣分離功的前提下，實現(xiàn)氧氣壓力升高的目的。這一核心技術系黃河空分集團的專利技術。
下塔與ASPEN精餾計算無縫對接，經(jīng)過水力學優(yōu)化的洗滌，亮點多多。下塔頂部抽取氮氣、液氮產(chǎn)品，下部抽取貧液空，底部抽取富氧液空，部分液氮作為回流液，液空蒸汽作為上升蒸氣，建立下塔精餾工況。20000下塔蘊涵《高效節(jié)能塔》、《高效對流塔》、《大翼T型固定環(huán)》等三項黃河空分自行研發(fā)專利技術。
由于液化空氣不參加下塔精餾，氧提取率會受到影響，規(guī)整填料上塔的運用彰顯魅力，為該流程彌補了這一不足。規(guī)整填料上塔是空分新技術的核心，六段三次變直徑，液氮、貧液空、富氧液空、膨脹空氣分別進入上塔適當位置，充分發(fā)揮上塔的精餾潛力，進一步提高氧的提取率，本套不帶氬自增壓流程氧提取率達96%以上；主冷凝蒸發(fā)器連接上、下塔，單沸騰主冷簡單可靠，節(jié)約設備的投資成本。冷箱內(nèi)管道采用先進的工程專用三維配管軟件PDMS設計，并通過CAESARⅡ應力分析軟件對每一根管線都進行了低溫狀態(tài)下的模擬分析，根據(jù)分析結果對管道的收縮變形進行理論補償，支架進行合理的添加，確保常溫下安裝的分餾塔系統(tǒng)在低溫下的安全運行。
5.壓氧、壓氮系統(tǒng)
本系統(tǒng)包括四臺活塞式氧氣壓縮機（三用一備），同步電機拖動，單臺排氣量6 800 Nm3/h；一臺氮氣透平壓縮機，異步電機拖動，排氣量18 000 Nm3/h；一臺活塞式氮氣壓縮機，排氣量7 000 Nm3/h；同步電機拖動。
氧氣液柱增壓流程由于氧壓機組進氣壓力提高，使得機組得到有效擴容，節(jié)約設備的投資；由于機組壓比減小，活塞力得到有效降低，運行可靠性增加，易損件壽命延長，機組維修費用降低，設備使用年限增加，折舊率降低。黃河空分往復式氧氣壓縮機組創(chuàng)造了連續(xù)運轉兩年未換易損件的記錄。
由于氧壓機組額定吸入容積流量為定值，空分采用流量控制輸出氧氣，當壓氧能力大于空分氧氣產(chǎn)能時，氧壓機前壓力降低，氧壓機吸入氣量減少，空分和壓氧兩個系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，反之亦然。通過氧壓機組吸入壓力30KPa～100KPa的變工況適應能力，實現(xiàn)無回流壓氧，無放散響應，有效地杜絕壓氧的能量耗散。
6.氧、氮氣調(diào)壓系統(tǒng)
調(diào)壓系統(tǒng)采用雙回路設計，當調(diào)壓站輸送氣量大于壓氧、壓氮產(chǎn)能時，氧、氮壓機低壓運行，球罐輸出補充氣量。產(chǎn)品氣經(jīng)其中一流路直接送往用戶。當調(diào)壓站輸送氣量小于壓氧、壓氮產(chǎn)能時，氧、氮壓機組高壓運行，產(chǎn)品氣直接送入球罐貯存。分餾塔系統(tǒng)和壓縮系統(tǒng)的和諧統(tǒng)一，調(diào)壓系統(tǒng)可供可存，負荷調(diào)峰零放散。雙回路調(diào)壓系統(tǒng)節(jié)約產(chǎn)品壓縮機組的壓縮能耗，是本裝置節(jié)能降耗設計的又一亮點。
三、KDON-20000/26000型空分設備節(jié)能效果顯著
黃河空分自主研發(fā)并獲專利的液柱增壓流程空分設備在氧氣壓力2.5MPa時，使空分壓氧能耗同比節(jié)約15.8%，空分裝置綜合能耗節(jié)約5%。同時擴展了往復式氧壓機組的產(chǎn)能，單臺機組壓氧能力大于11 000Nm3/h。
開封黃河空分集團為山西晉鋼集團研發(fā)的KDON-20000/26000型空分設備成功開車之前，已在35 000Nm3/h、12 000Nm3/h、6 000Nm3/h、15 000Nm3/h等空分設備上積累了豐富的經(jīng)驗；提供內(nèi)蒙某煤化工企業(yè)的20 000Nm3/h液柱增壓流程空分設備，成為用氧壓力80KPa的德士古煤氣化工藝量身定做的最佳匹配；為內(nèi)蒙某鋼鐵企業(yè)研制的20 000Nm3/h液柱增壓流程帶全精餾制氬空分，已進入安裝階段。綜上所述，液柱增壓流程空分設備已成為開封黃河空分集團加快技術創(chuàng)新步伐的靚麗名片。
晉城福盛鋼鐵有限公司（以下簡稱：晉鋼集團）為提升改造工程配套的KDON-20000/26000型空分設備由開封黃河空分集團有限公司（以下簡稱：黃河空分）設計、制造，該套采用常溫分子篩吸附預凈化、增壓透平膨脹機制冷、規(guī)整填料上塔、氧氣液柱增壓、DCS控制技術的外壓流程空分設備，集中應用了黃河空分七項國家專利技術；并作為采用液柱增壓流程連續(xù)開車成功的第六套空分設備，黃河空分工藝流程組織方式的先進性、可靠性和穩(wěn)定性，以及在節(jié)能產(chǎn)品研發(fā)方面的特色得到了再一次驗證。
二、KDON-20000/26000型空分設備主要配套機組
1.空氣壓縮系統(tǒng)
配自潔式空氣過濾器，國產(chǎn)離心式空氣透平壓縮機，雙層布置，帶水洗系統(tǒng)，額定排氣量105 000Nm3/h，額定排氣壓力0.52Mpa，四級壓縮三級冷卻，上海異步電機拖動，電機功率10 500KW，PLC控制+主控室DCS控制。
2.空氣預冷系統(tǒng)
本系統(tǒng)選用常規(guī)流程組織，包括空氣冷卻塔、水冷卻塔、冷水機組、冷凍水泵、常溫水泵；同時提供膨脹機組增壓機后冷卻器所需冷凍水；空氣冷卻塔、水冷卻塔均采用特殊設計的高效散堆填料塔，空冷塔運行阻力8KPa；空氣冷卻塔運行上段冷凍水量50t/h，下段常溫水145t/h；出冷水機組冷凍水溫度6℃，空氣出空氣冷卻塔溫度7℃，運行穩(wěn)定可靠。
3.純化系統(tǒng)
本系統(tǒng)采用臥式雙層床分子篩吸附器，電加熱器加熱再生，調(diào)功柜控制電加熱器負荷，DCS控制切換程序。空氣出系統(tǒng)CO?含量＜1ppm（1ppm=10-6），純化全系統(tǒng)運行阻力＜5KPa，平均再生能耗405 KW。
4.分餾塔系統(tǒng)
本裝置主換熱器采用混合布置，一組八臺，結構緊湊，布置簡單，有利于氣流分配；混合布置也是液柱增壓流程首選，使分餾塔啟動和正常運行相得益彰。主換熱器設計采用muse軟件，熱端溫差2.5℃，正反流阻力≤17KPa，為整套空分奠定優(yōu)良的性能指標基礎。在管道布置方面，采用“U”型布置，充分減小各臺因阻力不同而引起的主換熱器偏流問題；混合布置從理論計算上來說是與Aspen模擬的無縫對接，從結構上來講有利于管道匯集，總體布置優(yōu)于分體換熱器。
氧蒸發(fā)器是分餾塔系統(tǒng)的新成員，也是本套裝置設計的核心。創(chuàng)建設計理念、建立設計模型、篩選過程控制的重點及氧蒸發(fā)器在冷箱內(nèi)的布置和管路的布置均為本套空分設計的“大餐”。正流空氣與出主冷的液氧進行換熱，氧氣經(jīng)主換熱器復熱后出冷箱，液氧利用主冷至氧蒸發(fā)器之間的高度差產(chǎn)生液柱靜壓，在不增加空氣分離功的前提下，實現(xiàn)氧氣壓力升高的目的。這一核心技術系黃河空分集團的專利技術。
下塔與ASPEN精餾計算無縫對接，經(jīng)過水力學優(yōu)化的洗滌，亮點多多。下塔頂部抽取氮氣、液氮產(chǎn)品，下部抽取貧液空，底部抽取富氧液空，部分液氮作為回流液，液空蒸汽作為上升蒸氣，建立下塔精餾工況。20000下塔蘊涵《高效節(jié)能塔》、《高效對流塔》、《大翼T型固定環(huán)》等三項黃河空分自行研發(fā)專利技術。
由于液化空氣不參加下塔精餾，氧提取率會受到影響，規(guī)整填料上塔的運用彰顯魅力，為該流程彌補了這一不足。規(guī)整填料上塔是空分新技術的核心，六段三次變直徑，液氮、貧液空、富氧液空、膨脹空氣分別進入上塔適當位置，充分發(fā)揮上塔的精餾潛力，進一步提高氧的提取率，本套不帶氬自增壓流程氧提取率達96%以上；主冷凝蒸發(fā)器連接上、下塔，單沸騰主冷簡單可靠，節(jié)約設備的投資成本。冷箱內(nèi)管道采用先進的工程專用三維配管軟件PDMS設計，并通過CAESARⅡ應力分析軟件對每一根管線都進行了低溫狀態(tài)下的模擬分析，根據(jù)分析結果對管道的收縮變形進行理論補償，支架進行合理的添加，確保常溫下安裝的分餾塔系統(tǒng)在低溫下的安全運行。
5.壓氧、壓氮系統(tǒng)
本系統(tǒng)包括四臺活塞式氧氣壓縮機（三用一備），同步電機拖動，單臺排氣量6 800 Nm3/h；一臺氮氣透平壓縮機，異步電機拖動，排氣量18 000 Nm3/h；一臺活塞式氮氣壓縮機，排氣量7 000 Nm3/h；同步電機拖動。
氧氣液柱增壓流程由于氧壓機組進氣壓力提高，使得機組得到有效擴容，節(jié)約設備的投資；由于機組壓比減小，活塞力得到有效降低，運行可靠性增加，易損件壽命延長，機組維修費用降低，設備使用年限增加，折舊率降低。黃河空分往復式氧氣壓縮機組創(chuàng)造了連續(xù)運轉兩年未換易損件的記錄。
由于氧壓機組額定吸入容積流量為定值，空分采用流量控制輸出氧氣，當壓氧能力大于空分氧氣產(chǎn)能時，氧壓機前壓力降低，氧壓機吸入氣量減少，空分和壓氧兩個系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，反之亦然。通過氧壓機組吸入壓力30KPa～100KPa的變工況適應能力，實現(xiàn)無回流壓氧，無放散響應，有效地杜絕壓氧的能量耗散。
6.氧、氮氣調(diào)壓系統(tǒng)
調(diào)壓系統(tǒng)采用雙回路設計，當調(diào)壓站輸送氣量大于壓氧、壓氮產(chǎn)能時，氧、氮壓機低壓運行，球罐輸出補充氣量。產(chǎn)品氣經(jīng)其中一流路直接送往用戶。當調(diào)壓站輸送氣量小于壓氧、壓氮產(chǎn)能時，氧、氮壓機組高壓運行，產(chǎn)品氣直接送入球罐貯存。分餾塔系統(tǒng)和壓縮系統(tǒng)的和諧統(tǒng)一，調(diào)壓系統(tǒng)可供可存，負荷調(diào)峰零放散。雙回路調(diào)壓系統(tǒng)節(jié)約產(chǎn)品壓縮機組的壓縮能耗，是本裝置節(jié)能降耗設計的又一亮點。
三、KDON-20000/26000型空分設備節(jié)能效果顯著
黃河空分自主研發(fā)并獲專利的液柱增壓流程空分設備在氧氣壓力2.5MPa時，使空分壓氧能耗同比節(jié)約15.8%，空分裝置綜合能耗節(jié)約5%。同時擴展了往復式氧壓機組的產(chǎn)能，單臺機組壓氧能力大于11 000Nm3/h。
開封黃河空分集團為山西晉鋼集團研發(fā)的KDON-20000/26000型空分設備成功開車之前，已在35 000Nm3/h、12 000Nm3/h、6 000Nm3/h、15 000Nm3/h等空分設備上積累了豐富的經(jīng)驗；提供內(nèi)蒙某煤化工企業(yè)的20 000Nm3/h液柱增壓流程空分設備，成為用氧壓力80KPa的德士古煤氣化工藝量身定做的最佳匹配；為內(nèi)蒙某鋼鐵企業(yè)研制的20 000Nm3/h液柱增壓流程帶全精餾制氬空分，已進入安裝階段。綜上所述，液柱增壓流程空分設備已成為開封黃河空分集團加快技術創(chuàng)新步伐的靚麗名片。
