1、氩气生产及氩固化的分析与处理刘玉良济南钢铁集团总公司氧气厂，济南工业北路 21 号 250101【摘要】详细介绍了济钢氧气厂为稳定氩气生产在 15000m3h 制氧机空分主塔及粗氩塔上所做的工艺操作及调整，阐述了粗氩净化装置和粗氩塔的操作及工艺改进，最后分析了粗氩塔氩固化的原因及排除措施。关键词：大型空气分离设备；氩气；粗氩塔；精氩塔；氩固化；操作；改进中图分类号：TQll64 +3 文献标识码：B氩气是一种稀有气体，空气中的氩含量约占 0932(体积)，它广泛应用于冶金、化工、电子 等行业。随着经济的发展和科学技术的进步，氩气 已成为一种重要的工业气体，其应用范围得到不断 扩大，对其质量的要
2、求也越来越高，促进了氩气生 产技术的发展。对于制氧行业，不断提高氩气产品 的产量和质量，也已成为各企业降低成本、增加效 益的重要措施；氩提取率也是评价制氧机性能的一 项重要指标。传统的氩气生产流程是：第一步从上塔抽取含 氩 810的氩馏分，在粗氩塔中经精馏获得纯 度为 9798的粗氩；第二步是将粗氩引入氩 净化装置，在除氧炉中加氢除去粗氩中的氧，获得 含氧 2510-6的工艺氩；第三步是工艺氩在精氩 塔中进行精馏，除去工艺氩中的氮和氢，获得精 氩。目前，这种流程在我国制氧行业中还占有很大 的比例，绝大多数氩气是用这种流程生产的。济钢在 1992 年从俄罗斯引进一套 15000m3h 制氧机。该
3、制氧机带有一套采用传统制氩流程的氩 气生产装置(见图 1)，设计生产能力为：液氩产 量500kgh，液氩纯度为 99999，氧含量小于 510-6，氮含量小于 510-6，1994 年 9 月，我们 开始进行液氩的生产，在随后的试车、投产及工艺 调整过程中，遇到了许多问题，经过充分的分析研 究、合理的工艺调整和技术改造，使氩气的工艺流 程和操作方法得到不断完善，稳定了生产，创造了 显著的经济效益。1 空分主塔和粗氩塔的工艺调整空分主塔和粗氩塔的工艺状况是氩气生产的基 础，氩馏分是从上塔抽出的，因此保证上塔的工况 稳定是氩气生产的前提；而粗氩塔精馏工况的好 坏，则关系到粗氩产量的多少及粗氩纯度能
4、否满足 粗氩净化装置稳定工作的要求。11 空分主塔精馏工况的调整空分主塔调整的目的，主要是在保证氧氮产品 产量、质量稳定的情况下，保持氩馏分稳定，同时 使氩馏分含氮量尽可能少，从污气氮、氧气、氮气 带出的氩也尽可能少，也就是说，尽可能提高氩的 提取率。氩在下塔的分布与液空、液氮的纯度有关，当 液氮的纯度越高时，液氮中的含氩量越小为了提 高氩的提取率，必须提高液氮的纯度：在保证氧产 量、氧纯度不变的情况下，适当降低液空纯度、提 高液氮纯度，使上塔精馏段负荷减小，氮气、污氮 气纯度随之提高，带出的氩量减少，氩的提取率相 应提高。鉴于以上分析，在空分主塔的调整过程中，我 们重点调整了下塔的污液氮纯度
5、，适当关小了污液 氮、纯液氮阀门，使纯液氮含氧降至 3510 -6， 污液氮含氧保持在 225，污氮气纯度上升 至 98，液空纯度保持在3234，并通过控制氧气纯度，使氩馏分含氧稳定在 8990。同时，在不影响上塔精馏工况的前提下，适当 提高上塔压力，提高粗氩冷凝温度，增大传热温 差。上塔压力保持在 0.0440045MPa。12 粗氩塔的工艺调整粗氩塔工艺调整的目的，是使粗氩塔建立稳定 的精馏工况，生产出满足氩净化工艺要求的粗氩。 要使粗氩塔稳定工作，必须强化粗氩冷凝器的传 热，因为粗氩冷凝器的传热好坏关系到氩馏分的抽 出量和氩馏分的含氧量。15000m3h 制氧机粗氩冷凝器以液空为冷源，
6、是全回流流型，即液空全部送人粗氩冷凝器管间， 部分液空蒸发，蒸发和未蒸发的液空全部送人上塔 中部，液空液面在粗氩塔冷凝器中是保持不变的。 因此，根据该机绢的流程特点，强化粗氩冷凝器传 热的主要方法就是增大传热温差。(1)在空分主塔调整过程中，提高液氮纯度、 降低液空纯度，对强化粗氩冷凝器的传热也是有利 的。液空中氮含量增加，在相同的工作压力下其蒸 发温度就会降低，使粗氩冷凝器传热温差增大。(2)合理开大阀门 P15，用阀门 P15 控制液空 蒸气流量在1800020000m 3h 粗氩塔阻力为 20 25kPa，这样可保证粗氩含氧不超过15，保证氩 净化的正常工作。实际操作中，我们发现开大阀门
7、 P15，液空蒸气流量增加，粗氩塔阻力增加。但其 开度也不能过大，开度过大，粗氩冷凝器传热温差 过大，使粗氩蒸汽在冷凝器 57 中全部冷凝，没有 粗氩进入冷凝器56，导致无法引出粗氩。在正常 生产中，保持阀门 P15 开度在 12 圈即可。(3)全开阀门 P18，控制阀门 B171 的开度为 051 圈，适当提高冷凝器56 中液空液面，增大 冷凝器 56 的传热面积，强化传热。采取以上措施后，上塔、粗氩塔工况稳定，粗 氩流量可达400450m 3h，含氧量稳定在 1.0 15。2 粗氩净化装置的操作方法及工艺改进粗氩净化装置的工作目的就是脱除粗氩中的 氧，获取含氧尽可能少的工艺氩。除氧是否彻底
8、， 标志着粗氩净化装置工作状况的好坏。加氢除氧工 艺流程工作原理如下：在除氧炉中，氢气与氧气在 催化剂的作用下，发生化合反应，同时放出热量。针对 15000m3h 制氧机粗氩净化装置的设备特点， 我们采取了以下操作方法和工：艺改进，保证了氩净 化系统的稳定工作。2.1 建立除氧炉合适的工艺条件在除氧炉中，氢气与氧气在催化剂的作用下发 生化合反应，因此要保持适当的工作温度和过量 氢。除氧炉温度过高，当超过 500时，会使催化 剂烧结而失去催化作用，除氧效率降低；而除氧炉 温度过低，又会使水的饱和蒸汽压减小，所生成的 水不能迅速转化成水蒸气，水膜覆盖在催化剂表面 会减小催化剂与气体的接触面积，也会
9、降低除氧效 率。除氧炉合适的工作温度在200400之间。另 外，适当的过量氢又；十除氧是必要的，这样可使反应 更彻底，过量氢的量可保持在 2.025之间。2.2 使用纯度较高的氮气再生干燥器国家标准氩提取技术条件中规定，利用加氢除 氧流程生产氩气时，粗氩净化装置中干燥器要使用 氮气，且氮气纯度必须达 9999以上。我们在实 际操作中也认识到要连续稳定地生产出合格的精 氩，必须使用高纯度的氮气对干燥器再生。原设计 15000m3h 制氧机氩净化装置中的干燥器再生气体 为空气。1994 年 9 月氩气投人生产后，我们用空 气对干燥器进行再生，每次干燥器切换后使用时， 都造成精氩纯度不合格，精氩塔含
10、氧量大幅度上 升。经分析，我们认为是由于残存在于燥器中的空 气被带人精氩塔造成的。1994 年 10 月我们将干燥 器加温气源改为氮气(纯度大于 9999)，彻底 解决了这一问题。23 建立合理的干燥器使用制度为了保证精氩塔的安全二作，建立合理的干燥 器使用制度是非常必要的。1995 年 7 月，我们发 现精氩塔下冷凝器中液氩不能通过阀门 B163 溢流 至液氩槽，下冷凝器中液面持续上涨，而贮槽液面 不上涨，经分析认为阀门 B163入口被堵塞。我们 拆下阀门 B163 阀头，用胶皮管通入阀门 B163 入口 管，持续加热 5 天后疏通了管道。后经分析认为是 水分冻结堵塞了管道(粉尘堵塞是无法用
11、加温方法 解决的)。而水分能够进入精氩塔，说明干燥器工 作周期过长或分子筛失效。后来我们将干燥器工作 周期从 7 天缩短到 3 天。更换了分子筛，并加强了 对出干燥器的工艺氩中含水量的检测，杜绝了这一 现象的再次发生。24 保持化验分析、自动控制等装置灵敏可靠氩气的纯度要求很高，其生产是一项非常精细 的工作，因此氩气控制系统必须灵敏可靠。1995 年 10 月，因原控制系统故障多，我们对氩净化控制系统及分析仪表进行了彻底改造,投资 45 万余 元，将控制系统全部改为微机控制。这不仅解决了 控制系统故障多、维护难的问题，而且大大方便了 操作。同时，增设了高灵敏度的分析仪器，及时为 生产操作提供准
12、确可靠的分析数据。控制系统改造 后，生产更加稳定。3 精氩塔氩固化的排除及工艺改进31 精氩塔氩固化的原因1996 年 9 月 15000m3h 制氧机大修，大修完毕 制氧机投人生产并调整稳定后投入氩气生产并调 整精氩塔工作至正常。阀门 P17 存在故障，由仪表 人员处理好。但我们发现精氩塔阻力持续下降，精 氩塔压力持续上升，最高达01MPa，调整无法恢 复正常，被迫停车加温。10 月制氧机停车处理故 障后，精氩塔启动时又出现上述现象，仍是加温后 方解决问题。经过分析，我们认为上述现象是由于氩气在精 氩塔上冷凝器固化所致。操作规程要求：精氩塔上 冷凝器中液氮液面控制在 152OkPa、压力为
13、006007MPa，在此压力下氮的蒸发温度为 82 825K，这说明在正常运行中氮的蒸发温度总是低 于氩的三相点温度(氩的三相点为 838K、 06785ata)。氮的蒸发温度低不是造成氩气固化的 主要原因，造成氩气固化的原因是精氩塔上冷凝器 中液氮液面没有得到很好的控制。在上述两次启动操作中，液氮液面达 6kPa 以 上，大大高于正常值；液氮液面过高，换热面积过 大，使进入冷凝器的工艺氩迅速液化，局部压力迅 速降低，很容易达到氩的三相点而使氩固化。而液 氩固化后与液氩混合形成一种粘度很大的胶状物附 在冷凝器管壁，时间一长，便将冷凝管堵塞，使冷 凝器无法工作，回流液大幅度减少，造成精氩塔阻 力
14、下降，使精氩塔无法工作。在以上分析的基础上，我们在以后的开车及运 行操作中注意了对精氩塔上冷凝器中液氮液面及压 力的控制，保持液氮液面为 152，0MPa，压力达 007MPa(表压)以上，减少了上述现象的发生。3.2 不停产处理精氩塔上冷凝器液氩固化的操作1996 年 10 月，精氩塔多次出现上冷凝器液氩 固化的现象，造成精氩塔停产加热。在操作中，我 们除注意保持精氩塔上冷凝器液氮液面稳定、避免 出现液氩固化现象外，当出现精氩塔液氩固化故障 时，在设备设计压力允许的条件下，将精氩塔上冷 凝器氮侧压力提高至 022026MPa(绝压)，使 氩的蒸发温度提高到 84K 以上，相应使氩的冷凝 温度
15、提高，从而使固化的液氩熔化。这样在精氩塔 不停车的情况下，仅用半小时，液氩固化故障就消 除了，使精氩塔转入正常生产。33 精氩纯度快速达标的精氩塔启动方法以前在精氩塔启动操作中，我们按照操作规程 要求将精氩塔调整稳定后，从阀门61 多次排放 液氩，用液态氩对设备进行置换，最终使液氩纯度 达标，这种操作方法不仅时间长，而且造成大量浪 费，一般需 23 天的时间才能使液氩纯度达标。1996 年 10 月，在一次精氩塔启动中，我们决定 用气态氩置换精氩设备，阀门 P17、P16、趴 19 先不 打开，从阀门 H61、1127、B138 处排放工艺氩，并保 持精氩塔压力为 005007MPa，直至置换
16、到精氩塔 含氧量 1010-6以下时，再逐渐打开阀门趴 19、 P17、P16，将精氩塔精馏工况调整至正常。实践证明用这种方法启动精氩塔快速而又简 便。即使精氩塔用空气加温，启动时间也仅用 3 4 小时，使精氩塔启动至液氩合格的时间大大缩 短，从而增加了氩气生产的有效作业时间。4 经济效益分析我们在氩的生产过程中，充分运用气体生产基 础理论知识，对所遇到的问题进行了认真的分析研 究，使所存在的问题逐步得到解决，操作方法得到 不断改进，工艺流程、设备配置得到不断完善，同 时在分析问题、解决问题的过程中掌握了一定的经验，并创造了显著的经济效益。15000m3h 制氧机氩的生产影响因素得到解决 后，每年可多生产液氩 300多 m3(液氩销售价为 025 万元m 3)，则每年可多创经济效益 75 万元。 作者简介：刘玉良(19668 )，男，工程师，1989 年毕业于西安冶金建筑学院，现任济南钢铁集团总公司氧气厂厂 长助理。
