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  • 叶必楠——空分设备生产和操作的发展历程
    发布时间:2014-11-04   点击次数:2144次    免费下载

     一、前言


      我是1958年10月进杭州通用机器厂﹙杭州制氧机集团公司的前身﹚,从事深冷法空分设备的调试工作,见证了我国深冷法设备生产和发展历程。


      深冷法空分设备的工作原理:先将空气液化,然后根据空气中组分的沸点不同将它们分离开来。


      深冷法空分设备生产原理流程:大气吸入→空气过滤器除去灰尘等机械杂质→空气压缩机压缩到所需要的压力→空气预冷机组(或空气冷却塔)使空气预冷→空气净化,清除空气中水分、二氧化碳、乙炔等碳氢化合物→空气冷却,主换热器内热交换→膨胀机制冷→精馏→成品→供用户使用(充瓶或用管道、或用低温槽车)。


      空分设备生产和操作发展过程,从简单到复杂,再从复杂到简单的发展历程。空分设备诞生以来,一直围绕提高安全性、降低能耗这条主线而奋斗,不断创新、更新部机,优化组合,改进流程。


      二、空分设备生产的发展过程


      世界上第一套空分设备是1903年德国卡尔·林德发明的,氧气产量10m3/h,启动压力是22mpa,正常工作压力7~10mpa之间,单位能耗约2kw.h/m3.o2.


      1934年, 我国青岛“中国瓦斯工厂”从日本购进一台由日本和德国拼凑配套的氧气产量15m3/h空分设备,成为中国第一家采用深冷法制取氧气的工厂,到1949年,全国在青岛、上海等沿海城市约有100套空分设备,单套制氧能力在10~200m3/h之间,全国总制氧能力不到3 500m3/h,中国没有空分设备制造工厂。


      1953年,我国第一套空分设备问世,氧气产量30m3/h,1956年成批制造空分设备共14套,其中30m3/h空分设备12套,12l/h军用液氧设备2套。


      1956年成批制造空分设备的同时,开始从高压流程向中压流程和高低压流程,小型设备向中、大型设备研制。1957年试制成功了中压流程50m3/h空分设备;1958年试制成功了铝带蓄冷器冻结高、低压流程3 350m3/h空分设备;1958年试制成功了中压流程140m3/h氧、600m3/h氮空分设备;1959年试制成功了高压带膨胀机流程150kg/h液氧或140kg/h液氮空分设备;1968年试制成功了管式石头蓄冷器冻结的全低压流程6 000m3/h空分设备;1970年9月试制成功了全铝切换式换热器冻结全低压流程10 000m3/h空分设备;1981年试制成功了常温分子筛净化全低压流程6 000m3/h、10 000m3/h空分设备;1987年试制成功了常温分子筛净化增压透平膨胀机流程6 000m3/h空分设备;1996年试制成功了常温分子筛净化填料型上塔全精馏无氢制氢流程20 000m3/h空分设备。


      2000年以后,以杭氧为代表的国产空分设备进入快速发展期,杭氧是全球最大的空分设备设计和制造基地,具有每年100多万m3/h制氧容量的生产能力,最大的空分设备制氧容量已达12万m3/h。2002年12月13日第一套3万m3/h空分设备试制成功,首次实现了大型空分设备国产化;随后4万m3/h、5万m3/h、6万m3/h、8万m3/h相继试制成功。目前月国内6万m3/h等级大型空分设备已达到30套,已投入运行的10余套。提供给伊朗的12万m3/h大型空分设备正在生产制造中。

     

     三、空分设备操作发展过程


      20世纪50年代生产的30m3/h空分设备和12l/h军用液氧设备都属于高压流程的小型设备,30m3/h空分设备启动压力是22mpa,正常工作压力7~10mpa之间,12l/h军用液氧设备正常工作压力18~20mpa之间。


      这种设备的特点是操作压力高、气量少、工作压力很难控制,要有专门一个操作工控制高压压力,好象汽车驾驶员双手握住方向盘一样把住阀门的手轮,几秒钟要调整一次,阀门手轮调整的开度仅仅在1/360~2/360,操作工一分钟都不能离开岗位。稍不注意高压安全阀或中压安全阀会起跳,12l/h军用液氧设备还会影响产量和运转周期。这种设备采用碱洗法清除空气中二氧化碳,采用烧碱清除空气中水分,运转周期是7天大加温一次。


      与比高压流程空分设备相比,中压流程空分设备(启动工作压力5.5 mpa,正常工作压力2mpa)压力降低,气量增加,工作压力控制方便多了,双手不必一直把住阀门的手轮,但还是要有专门一个操作工控制高压压力,几分钟要调整一次即可。这种设备采用硅胶替代了烧碱,运转周期延长到180天大加温一次。


      高、低压空分设备流程(高压带膨胀机,高压工作压力18~20mpa,低压工作压力0.6mpa)的高压压力控制18~20mpa,要有专门操作工控制高压压力,由于气量增加,操作比高压流程方便得多。


      大、中型空分设备﹙根据行业规定氧气产量<1 000m3/h为小型空分设备;≥1 000m3/h~<10 000m3/h为中型空分设备;≥10 000m3/h为大型空分设备﹚从1958年至今可分6代:


      1)第1代大型空分设备 铝带蓄冷器冻结高、低压流程,高压系统有高压空压机;采用碱洗法清除空气中二氧化碳;采用硅胶清除空气中水分;采用高压膨胀机制冷;还有膨胀机过滤器等设备。低压系统采用低温冻结法清除空气中二氧化碳和水分,从1958年开始生产,机组繁多、流程复杂,操作难度高,铝带蓄冷器采用机械凸轮切换装置,由凸轮切换机构控制强制阀切换,一旦失控,上塔压力急剧上升,上塔安全阀会起跳,操作工应迅速飞快地跑到凸轮切换机构旁,用手摇凸轮切换到另一组,操作工上班时,精力必须高度集中,稍不注意会使空分塔工况破坏。第1代大型空分设备单耗为0.7~0.9kw.h/m3.o2。


      2)第2代大型空分设备 1965年开始设计、1968年开始生产的管式石头蓄冷器冻结全低压空分流程,用低温冻结法清除空气中二氧化碳和水分。与第1代大型空分设备机组减少、效率提高、流程简化、产品纯度高、氧气提取率高。


      管式石头蓄冷器中间是盘管,周围垫满卵石,对卵石的要求很高,表面要光滑,直径在10~12mm,每只石头蓄冷器要装60t,一套6 000m3/h空分设备要装240t。由于石头的热容量很大,启动时间﹙从膨胀机启动到产品氧、氮纯度达到规定要求﹚60~80小时。采用中间抽气法来保证蓄冷器的不冻结性。蓄冷器强制阀切换采用电气气动式切换装置,带有计时器的电动小凸轮-四通电磁阀切换机构控制电磁阀,电磁阀控制强制阀。除液空调节阀、氧气、氮气出口可自动控制外,其它阀门采用手动操作。远距离操作要几个人联合进行,指令由中控室的主操作发出,用手做手势,传达到最终阀门操作者。


      3)第3代大型空分设备 1970年9月试制了全铝切换式换热器冻结全低压流程10 000m3/h空分设备,它比第2代大型空分设备结构紧凑、体积小、重量轻,以一套6 000m3/h空分设备为例,消耗约22t铝可节省130t铜材和不锈钢,还可省去寻找卵石的麻烦事;传热效率高;自清除性能好;热容量小;切换周期長;阻力小;切换损失小;采用反动式可调喷嘴透平膨胀机,启动时间短;操作方便;能耗明显下降。这是空分设备发展史上的一次大革命。


      这种空分设备的缺点是:由于全铝切换式换热器制造技术未过关,运转周期短且易发生泄漏,经常要扒珠光砂;空分设备启动要分4个阶段即水分冻结阶段﹙切换式换热器冷端温度达到-60℃为止﹚、干燥阶段﹙切换式换热器冷端温度达到-60℃~-130℃﹚、二氧化碳析出阶段﹙切换式换热器冷端温度达到-170℃﹚,全面冷却阶段。启动操作比第1、2代型空分设备方便多了,但还得十分小心,比第4代以后空分设备麻烦得多了。


      4)第4代大型空分设备 1981年试制成功的常温分子筛净化全低压流程6 000m3/h、10 000m3/h空分设备,利用分子筛在常温下能吸附空气中水分、二氧化碳和碳氢化合物的特性,在空气预冷后进冷箱用分子筛吸附器把水分、二氧化碳清除掉,冷箱内换热器只要起换热作用就可以了。这种空分设备采用电子计算机控制切换谍阀。第3代前的大型空分设备流程简化;结构紧凑、体积小、重量轻;操作维护方便;氮气产量增加;切换周期長;切换次数减小、切换损失减小;阻力小;启动时间短;操作安全性提高;氧气提取率高达92%;


      5)第5代大型空分设备 1986年试制成功的常温分子筛净化增压透平膨胀机流程6 000m3/h空分设备,在第4代大型空分设备的基础上,新开发带增压机的透平膨胀机、三元叶轮和全等温冷却的单轴空气透平压缩机、立式单层筒体分子筛吸附器、成功地将计算机集散系统应用空分设备的调节控制,自动化水平大幅度提高,启动时间短;操作安全性提高;氧气提取率高达97%;达到当时国际先进水平,这是空分设备发展史上又一次大飞跃。


      6)第6代大型空分设备 1996年试制成功了常温分子筛净化填料型上塔全精馏无氢制氩流程,新开发规整填料塔,降低了上塔阻力;氩塔采用全精馏无氢制氩技术;采用高效空气预冷系统;常温分子筛净化采用双层床结构,延长使用寿命,减少床层阻力;采用高效增压机透平膨胀机技术;采用先进dcs计算机控制技术;与第5代大型空分设备相比操作安全性更高;氧气提取率高达99%;总能耗下降10%;制氧单耗为0.37~0.43kw.h/m3.o2,达到当时国际20世纪90年代中期先进水平。

     

     四、空分设备操作工培训资料发展过程


      降低空分设备能耗主要依靠先进设计和制造,但也离不开空分设备操作人员的技术水平。20世纪50年代中期前,国内找不到一本有关空分设备操作方面的专业书,也沒有专业学校,产品说明书是翻译过来的,很简单,可操作性差,全靠设计人员和操作者边摸索边总结。


      20世纪50年代末期,1957年12月由化工出版社出版,由前苏联格利兹曼耶科著、楊学圃等人翻译的《氧的制造》;1958年1月,由前苏联馬尔科夫、巴甫洛夫等人著、化工部化工设计院专家工作科翻译的《深度冷冻手册》,只有这两本书可供操作者阅读,但当时书店里买不到。


      1959年9月西安交通大学设置《深度冷冻装置》专业,开始培养气体分离及液化设备工业技术人才。此后,浙江大学、华中工学院等院校开设了类似专业。


      1960年5月1日杭州制氧研究所成立,成为中国第一个深度冷冻专业研究所。1961年3月国家科委、一机部和化工部在上海召开的稀有气体气体会议上,确定杭州制氧研究所为技术情报中心、主编,定期出版的技术简报。1961年7月试刊了第一期《深冷简报》,创刊了中国第一种低温技术方面的专业刊物。1975年起更名为《深冷技术》,开辟了《制氧工问题觧答》、《低温安全技术讲座》、《空分设备原理与操作讲座》等,它面向深冷空分,服务科研生产,注重应用技术,为深冷空分设备研究、设计制造、空分设备安装调试、空分设备用户安全使用起到十分重要的作用。为空分设备生产、操作亊业的发展巨大作用,为我国工业、农业、国防、医疗等国民经济的发展做出突贡献。可以说它是从事深冷空分的人们良师益友,无论本专业的大学教授、机关干部、工厂领导、研究设计技术人员、安装、维修、操作工等都从中吸取不少营养而成长。空分设备有今天的成果,《深冷技术》的功不可抹。


      1972年冶金部为钢铁业大干快上多出氧、出好氧、多炼钢、炼好钢,在北京钢铁学院举办《制氧技术训练班》,办训练班过程中,教师、工人学员和技术人员三结合编写了一本《制氧工问答》,1977年9月,由冶金出版社出版,经8次出版供不应求。2001年7月对《制氧工问答》进行重新编写更名为《新编制氧工问答》,现已8次出版,仍供不应求。对提高空分设备操作工对技术水平起积极作用。


      因广大小型制氧机用户的要求,1982年杭州制氧研究所与浙江省制冷学会在浙江省兰溪联合举办第一期全国《小型制氧机培训班》,用户反映很好,随后办了8期,培训的教材是培训老师各自编写《小型空气分离设备基本知识》,1991年6月由机械工业出版社出版。对提高量大面广小型空分设备操作工的技术水平起很大作用。


      再看现在操作工的培训资料,从行政管理层面上讲,必须要取得《特种设备作业人员证》。要取《特种设备作业人员证》就得学习《安全生产法》、《产品质量法》、《标准化法》、《计量法》、《消防法》、《职业病防治法》、《劳动法》;《危险化学品安全管理条例》、《特种设备安全监察条例》;《安全生产许可证条例》、《劳动防护用品监督管理规定》、《气瓶安全监察规定》、《气瓶安全监察规程》、《固定式压力容器安全技术监察规程》、《移动式压力容器安全技术监察规程》、《压力管道阀门安全技术监察规程》、《压力管道安全管理与监察规定》、《气瓶充装许可规则》、《移动式压力容器充装许可规则》等法律法规规程。


      从专业技术上讲应学习《深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程》、《氧气站设计规范》、《建筑设计防火规范》、《气瓶充装站安全技术条件》、《永久气体气瓶充装规定》、《液化气体气瓶充装规定》、《缺氧危险作业安全规程》《厂区动火作业安全规程》、《厂区设备内作业安全规程》、《厂区高处作业安全规程》、《厂区吊装作业安全规程》、《厂区设备检修作业安全规程》、《工业氧》、《工业氮》、《氩》、《工业液体二氧化碳》等规程、产品标准、本单位空分设备说明书、本单位安全操作规程、本单位设备操作规程。


      20世纪70年代以后空分设备操作方面的专业书逐渐发行,除《制氧工问答》、《新编制氧工问答》、《小型空气分离设备基本知识》以外,由出版社出版的书籍还有《氧的生产》、《小型制氧机操作与故障处理》、《精馏操作知识问答》、《机械工程手册第79篇空气分离设备》、《气瓶安全技术》、《制氧技术》、《现代空分设备技术与操作原理》、《现代空分设备技术与操作原理》、《现代小型空分操作与安全答疑》;《中国工业气体大全》等书籍。


      专业刊物除《深冷技术》外,还有中国工业气体工业协会主办的《中国气体》;中国通用机械工业协会气体分离设备分会主办的《气体分离》;浙江省工业气体协会主办的《浙江气体》;还有《气体分离设备》、《空分技术》《中国气体产业》《特种气体信息》等期刊。

     五、空分设备的展望


      回顾中国空分设备生产和操作的60年发展历程,是一部辉煌发展史。回顾过去,立足现在,展望未来,降低能耗、提高安全性仍是空分设备生产和操作发展目标,要从设备大型化、输送管道化、运输液体化、操作自动化着手。


      设备大型化是前提,从宏观上,加强规划,在工业区内设立大型空分配套。空分设备容量相越大,单位冷损越少,能耗越低。全提取空分设备,氧、氮、氩及稀有气体综合利用容易实现。空分设备容量相越大,操作压力越低,设备稳定性越好。实现操作自动化成本越低、可能性越大。冷损越少,液体产品可以增大,为输送管道化、运输液体化創造了条件。设备大型化要有经济实力和雄厚技术支撑,更需要政府规划部门重视才能实现。


      输送管道化是针对气瓶供气而言,气瓶充装压力高,减压使用,能源浪费;气瓶本身重,气体轻,运输成本高;气瓶充装压力高,易发生事故,气瓶爆炸事故是空分设备安全运行的最大隐患。管道输送压力低,运输成本低,安全性高。


      运输液体化也是针对气瓶供气而言,一只气瓶运输,气体重量只占10%,一只低温液体瓶运输,液体重量约佔低温液体瓶重量58%,液体槽车运输,液体重量约液体槽罐重量占50%,运输成本低,安全性高。


      操作自动化,一提自动化,有不少人反对,中国人多,劳动力便宜,实际上中国劳动力价格在不断上涨,特别是体力强的操作工更难召。随着设备大型化、电子信息化的发展,电子信息技术的提高,空分设备操作自动化是制造厂应该考虑的时候了。

     
     

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