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大型空分设备分子筛纯化系统的节能分析

大型空分设备分子筛纯化系统的节能分析
2017.08.25
作者: 迪尔空分

    目前,我国政府高度重视节能减排工作,“十三五”时期中国节能减排等多项约束性指标将更加严格。对于大型空分设备,如何在保证运行安全稳定可靠的前提下节省能耗,降低运行成本,是空分设备设计过程中所面临的重要课题。

    近年来由于冶金、化肥和石化工业的迅速发展,空分设备等级不断扩大,例如杭氧制造的已经投用的6万等级大型空分设备就已经有20多套,并已扩大到8万、10万、12万等级。

    分子筛纯化系统是空分设备中空气进入低温冷箱前对空气进行纯化处理的关键装置,是用吸附法清除原料空气中的水分、二氧化碳、乙炔及碳氢化合物等物质,防止后续低温设备堵塞、甚至爆炸,保证空分设备长期安全、可靠地运转所必须设置的设备。

    分子筛纯化系统通常由两台吸附器、加热设备、阀门、管道、仪电控组成,两台吸附器一台吸附,一台再生,待一台吸附饱和后,将另一台再生好的吸附器投入使用,相互切换使用。因此该系统运行能耗主要由两部分组成:一部分为吸附时克服空气流经吸附器、阀门、管道所需的能耗。另一部分是再生所需的能耗,包括再生加热时的热能能耗、加热、吹冷时污氮气量的消耗以及克服污氮气流经加热设备、吸附器、消声器、管道、阀门等阻力的消耗。

下面对分子筛纯化系统如何有效节能降耗进行具体的分析。

1. 纯化系统中吸附与再生阻力降的控制

1.1不同结构形式吸附器的阻力降的控制
    一种形式为卧式或立式水平床吸附器,空气从吸附器床层平面下部进入,从上平面流出。床层一般是双层床,下层活性氧化铝,上层为分子筛组成。内置粉末过滤器。该结构形式吸附器国内经过近30年的经验积累,设计日益成熟,解决了内部支撑栅架防分子筛泄漏、床层均布等等难题,运行可靠。规模生产后,具有制造成本相对较低,装、卸料方便等优点。用户的检查、维修也相对简单。因此在国内的空分上占主要份额。由于床层长径比的关系,一般吸附器阻力控制在<6kPa。

   水平床结构形式吸附器的缺点是气体进出口都需要一定的均布的空间,床层体积占总设备空间的大约为35%。因此设备空间利用率较低,在大型空分上体积较大,并且是卧式放置,占地面积大。因此在节能上采取控制床层高度,控制流速等措施,降低阻力降。并采取内置隔热层等,降低再生能耗。

    另一种为立式径向流吸附器,由上、下封头、筒体、3层同心多孔圆筒、内置粉末过滤器、上、下接管、裙座等组成,活性氧化铝和分子筛放置在两层同心环空间内。如右图,空气从外周流道径向穿过吸附剂层,由于周向通气,具有迎风面大,床层阻力相对较小的特点;床层空间体积占设备体积的大约50%,空间有效利用率较高。因此大型空分的体积、重量可以减小。并且占地面积也较小。在节能上,在较大型空分上应用立式径向流吸附器,设备阻力可以控制<4kPa,并且体积偏小,再生加热的能耗也能减小,因此具有一定的优势。而2万及以下空分由于立式径向流吸附器内部不通气段占比例相对较大,优势不明显。

    立式径向流结构吸附器的缺点是由于直径的变化,空气流经的每个圆周面的流速都不同,因此内、外圈的吸附能力是不同的,床层不能太厚,并且床层沿高度方向的均匀性难以做到一致,分子筛的吸附性能受到一定影响,因此设计吸附时间 4h。内部由多个同心床层组成,制造难度大,成本高。内部空间狭小,难以立足,维修难度大,对内部网格牢固度和寿命要求也更高。如用单层床吸附器,外层水分高造成分子筛吸水后的硬度下降,运行时粉末多,容易堵塞阀门和设备,采用双层床吸附器效果较好。

1.2  降低管道、阀门的阻力
    近年来大型空分分子筛纯化系统中切换阀门中应用较多的是三杆阀。它具有良好的密封性能,并由于阀板和阀座密封面之间无任何摩擦,因此有较高可靠性和寿命较长的特点。最主要的是该结构蝶阀可以很好地限制最大开启压差,有效防止分子筛冲床。但该类型阀门阻力略高。因此国内的如杭氧泵阀的三杆阀,在降低阻力上采取放大阀门直径的措施来降低阻力。并且同等级的国内阀门成本相对进口阀门要低,选用时可以采用与管道等径等措施来降低阻力,因此也得到较广应用。

    管道的设置上,三通阻力最大,弯头次之,需要进行管道总阻力的计算。尽量减少阻力。

1.3  降低再生阻力的措施
    再生污氮气经过吸附器后排空,为了不增加空压机的能耗,尽量降低末端再生污氮气流路压力。如采取蒸汽加热器和电加热器串联结构,需尽量降低串联流程上的阻力,所选择的蒸汽加热器的自身阻力必须小,否则会增加污氮气的压力,从而增高空压机的压力。一般采用低翅片无折流板的节能型蒸汽加热器。

    对于蒸汽加热器和电加热器串联流路,可以考虑在串联时,开启包括备用电加热器在内的所有通道,电加热器开启小功率组调功使用,增加了一台电加热器的通道,减少了阻力。

2、 吸附时间的控制

    空分设备通常配备2台吸附器,切换使用。一台吸附时间等于另一台的再生时间。吸附器吸附时间设计值:通常4h,并控制吸附器出口CO2<1ppm,这样也可以控制吸附后空气中乙炔、水分、碳氢化合物等低温下有害气体杂质的含量,保证空分的安全运行。

    由于吸附阶段空气压力高,再生阶段要求压力低,因此,再生阶段有压力变换,再生时间由降压、加热、吹冷、升压四阶段组成。再生加热过程是为了脱附在吸附剂内的水分、CO2,碳氢化合物等杂质,从而达到再次使用吸附剂的目的。但是脱附过程需要的总热量Q,一部分是脱附这部分杂质必需要消耗的热量Q1,另一部分是加热时不可避免地要用于加热吸附剂、设备、管道等的浪费的热量Q2。Q=Q1+Q2,有效效率η= Q1/ Q,只有Q2占比率下降,才能有效降低能耗。

    吸附时间延长,一天内的循环次数就减少,相当于减少了吸附器、管道、阀门、吸附剂等的耗能次数,增加有功效率;另外再生时加温、吹冷时间延长,也可以减少再生气量。从而达到降能耗的目的。

    当然,吸附时间也不能无限延长,因为设备正反向气流通过床层的阻力也要考虑。在设计时需要优化比较。

吸附器吸附时间设计值:
2.1  已投用吸附器的吸附时间可作适当调整
    空分设计时吸附器的吸附时间主要由设备大小、内部充填的吸附剂类型及其用量决定的。所需要的吸附量是按照设计当时的环境条件最大值提出。而大气中的CO2值在变化,在运行时,由于季节不同,风向等因素影响,CO2的值可能有较大余量。用户可以根据吸附器出口CO2值进行判定,如吸附器出口的CO2值变化很小,或不变化,说明吸附器内分子筛在这段时间有一定余量,可以进行逐次延长。如果季节变化,风向有变化,也可以缩短吸附时间。再生时间暂按加热、吹冷时间平均延长分配确定。

    某套6万空分,处理36万空气的特大型空分,吸附4小时,要消耗污氮气~70500Nm³/h,消耗平均电功率~1588度/h。如吸附时间延长到4.5h,则消耗污氮气~63500Nm³/h, 消耗平均电功率消耗:~1502度/h。平均每小时可以节约86度电,按0.58度/元计算,一年可以节约成本:86x0.58x24x360=43万元。另外再生污氮气减少7000Nm³/h,减少冷冻机的运行负荷。

    因此大型空分用户,有条件的可以对大气中杂质含量进行定期监测,与设计值进行比对,维护设备的正常安全运行下,也为节能操作提供依据。进口设定在线监测更容易调整。

2.2  分子筛更新时可采用吸附能力更强的分子筛
    随着分子筛的发展,国内厂家也不断推出吸附CO2的性能更高的分子筛。杭氧依靠动态吸附实验室,对分子筛的实际使用性能进行动态实验模拟,进行工况下吸附能力和再生耗能的实验测试。同样的量,常用的13X-APG分子筛吸附能力穿透时间120多分钟,吸附性强的分子筛穿透时间能提高到240多分钟,同时也要分析分子筛脱附(性能)是否容易。

    在分子筛吸附剂性能下降需要更换时,可根据当地目前的大气条件更换成性价比更好的分子筛,能获得较大节能收益。特别是大气中CO2>500ppm以上的吸附器,建议在调换分子筛时,采用更高等级的分子筛,活性氧化铝床层也进行变化调整,调整后可以延长吸附时间。表1.列表举例说明吸附剂更换后,某6万空分所节约能耗价值。

    从上表1可以得出:吸附时间延长2小时,用蒸汽能耗成本降低163万元/年,如用电再生,可以节约231万元/年。另外还可以少用污氮气23500Nm³/h,这部分污氮气用于水冷塔的降温节能。  

    吸附时间增加,也延长分子筛的寿命。每个周期内高温、高湿、气体压力循环变化,对分子筛内晶格的结构产生不可逆的渐变。因此长周期的运行,减少了循环次数,无论对设备、阀门、吸附剂也都带来好处。

3、加热源的选择比较

    分子筛纯化系统的再生热源有电加热和蒸汽加热器加热污氮气,加热后的污氮气来加热吸附剂。一般有稳定蒸汽压力来源的都会选择蒸汽作为再生热源。

3.1  较低压蒸汽的利用前后节能成本比较
    对于很多利用电能再生的空分用户来说,空分设计时可能因为蒸汽来源不稳定或者蒸汽压力不够,建议可以采取蒸汽加热器与电加热器串联的方式进行控制温度,达到加温吸附剂的目的。这部分用户的运行费用我们也进行了计算。举例比较表2。

    表2说明:利用0.5MPa的蒸汽加热器和电加热器串联后,4万空分预计能减少成本191万元/年;2万空分能节约81万元/年,蒸汽加热器流程部分投资成本在1~2年可以收回。

4.    操作上的节能措施

4.1 空气进口温度的控制
4.1.1 进口温度升高,出口温度更高
    吸附器进口温度的控制,可以直接降低吸附过程的吸附热和再生能耗。空气进口温度升高1度,含水量大约增大6%,如空气进口温度12℃,在0.6MPa压力下,吸附后的空气温度大约16.7℃,上升4℃;空气进口温度17℃,吸附后空气温度23.5℃,上升6.5℃。这是由于含水量增加,导致吸附热增大,而产生的温升更大。出口温度越高,意味着进塔空气需要消耗更多的冷量。

    当然,按照能量守恒,空冷塔降温到12℃,比降温到17℃也要付出更多的能量,但空冷塔主要是利用自然水和冷冻水降温的能损。而如果由后面两部分--分子筛纯化系统升温、再生和膨胀机系统来完成降温,则损耗大,能耗更高点。因此,在可能的情况下,由于空分设计工况考虑了夏季等特别高温工况设计,在非高温季节,有一定的设计余量,将空气进口温度尽量降下来,更有利节能。空分越大,再生能耗节省越多。但是设计分子筛进口温度太低,也会带来控制不好,容易结冰等问题。

4.2 再生总热量的调节控制
4.2.1吸附器污氮排放出口最低温度的观察
    加热的热量是否足够,可以通过观察在加热阶段吸附器污氮气出口的温度来确定。

    高温加热气体进入吸附器后,热量加热内部的吸附剂、并解析内部的CO2,H2O,碳氢化合物等。气体经过床层后,高温气体把热量传给分子筛上层,到达床层下方时,没有多余热量传给床层下方的吸附剂,因此首先会把吸附时下层氧化铝的热量带出来,导致温度开始下降,并至一个最低点,然后再上升。最低点温度一般需要达到0℃以下,此最低温度点是否够低,表示加温阶段床层内部解析干燥程度。

    根据总结,在设计气量的加热条件下,出口温度达到-2℃以下,再生后CO2一般正常;如果最低点温度达到0℃以上,表明再生效果不好。甚至有加热低点达到5℃的极端情况出现,表明内部吸附剂不干燥。后来查明是蒸汽加热器泄露后的再生气体来加温,导致床层内部干燥度无法达到要求。

    因此,在加热阶段,就可以通过观察吸附器污氮排放出口最低温度的观察,来判断再生是否足够。

    由公式再生热量Q=V加热气量×Cv×Δt×T时间,再生热量的多少,由再生气量、温差、加温时间所决定。

    如果加热阶段最低点温度不够低,就可以在加温阶段适当增加气量,或者延长加温时间,提高加温温度等措施来增加热量的输入。

4.2.2 吹冷峰值
    进入吹冷阶段,再生气体将床层内部的热量吹扫出来,吸附器污氮气出口的温度慢慢上升,达到一个峰值,也称吹冷峰值温度。通过吹冷峰值温度,可以判断床层内部的温度最高值,从而判断该再生周期内吸附剂整体的脱附程度。

    一般吹冷峰值大于80℃以上,不完全再生,也能达到再生要求,但是累计一定时间,需要进行活化。

5、 从保温材料和保温效果上节能控制

5.1 保温材料的防水
    由于在电加热器或蒸汽加热器内部,通常污氮气走壳程,温度达到150度以上。与外界环境温度相差较大,采用保温材料保温。这一点在设计时就已经进行计算确定。但是日常的维护过程中,加热器和加热管道、吸附器的外保温层的防水也很重要。

    假设内部吸水10kg,加热到100℃,然后蒸发,需要带走蒸发热能:按照Cp=1kcal/kg. ℃, 水的蒸发潜热:r=600kcal/kg.水的重量:m=10kg 计算:

Q=Cp×m×Δt+r.m=(10×1×(100-20)+10×600)=6800Kcal,

    由于一个周期内加热超过1 h,相当用电7.9度电。一年下来这部分能耗也相当大。

    所以保温材料的防水很重要,有时有些加热器和加热管道有滴水现象,更要进行外防水包扎。

5.2  高温阀门、管道的保温
    大型空分的阀门如DN1400,假设平均重量:300kg, 在加热过程中,也需要不断吸热。相当于从20℃,升温到160℃,碳钢的比热:0.11 kcal/kg. ℃,计算下来也有10.7度电的消耗。一年下来,10.7×6×365×0.58=13647元,(注电费0.58元/度,4小时加温一次,每天6次加温),吸附器后面4只阀门,4×13647=54589.06元。

    这些阀门还包括电加热器后面或者蒸汽加热器后面的手动阀门。这些高温阀门都需要保温防水包扎。同时注意保温材料的保温效果,保证保温层外温度较低。

6、结论
    通过对分子筛纯化系统的各环节的节能分析,可以得出:在环境条件允许、有安全余量的前提下,可以适当延长吸附时间,以带来节能效果。对于运行多年要更新分子筛的用户,建议与设计时的工况进行比较,进行升级改造;有蒸汽可利用的用户,优先选用蒸汽加热,降低运行成本。并提出了分子筛纯化系统操作时的节能建议。通过以上分析并采取合理的措施,可以达到分子筛系统节能降耗的综合效果,降低运行成本。

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