前 言
兖矿国泰化工有限公司60000m3/ h 空分设备,
采用蒸汽作动力的“一拖二”压缩系统、立式径向
流分子筛吸附器吸附净化以及全精馏无氢制氩的内
压缩流程。2005 年10 月空分设备一次试车成功,
至2007 年7 月一直运行良好。
空分设备的分子筛吸附器内填充13X2APG 型
分子筛及BAA3 AI2～5mm 氧化铝。
1 故障现象
2007 年8 月12 日, 分子筛吸附器出口空气中
二氧化碳含量超标(高于2 ×10 - 6 ) , 并有上涨趋
势。经过操作人员调整, 上涨趋势有所缓和, 但二
氧化碳含量仍居高不下。为了保证空分设备稳定运
行, 详细记录分子筛吸附器的运行情况, 并对各工
艺指标趋势进行对比分析, 发现分子筛吸附器出口
空气中二氧化碳含量超标的时间在其切换末期, 均
压阶段开始明显上涨; 分子筛吸附器再生冷吹的温
度峰值最低为38 ℃, 并多次低于50 ℃; 主冷的二
氧化碳含量超过10 ×10 - 6 ; 粗氩冷凝器蒸发量
FV1712 的流量在两天时间内由最高的73500m3/ h
降低到58000m3/ h , 氩产量明显下降。
2 故障原因
(1) 夏季环境温度高, 空气湿度大导致循环水
温度超高(循环水温度工艺指标正常需控制在
32 ℃以下, 但实际最高达到34 ℃) , 直接导致空压
机末级冷却器出口空气温度较同期升高3 ℃～4 ℃。
空气预冷系统的氨换热器制冷运行正常, 出空冷塔
进入分子筛吸附器的空气温度同比升高了5 ℃左
右, 最高温度曾达到23 ℃ (工艺设计控制指标为
高报警值18 ℃, 高高联锁值22 ℃) 。
(2) 后续生产系统一直是高负荷运行, 在夏季
高温、高湿的环境下, 分子筛吸附器在高负荷运行
的前提下调节空间不大, 同时由于分子筛吸附器在
程序控制上有一个限制, 即当空分系统负荷大幅度
变化时, 其返流的再生污氮气量却不会变化, 也就
是说无论进分子筛吸附器的空气量增大还是减少,
其对应的再生期间作为加温的污氮气量为
58000m3/ h , 冷吹污氮气量为62000m3/ h , 是一个
定数。控制污氮气量的自动阀有一个限位, 并且在
程序控制上作了自动控制, 此种控制方法直接导致
分子筛吸附器在高负荷的运行状态下由于所需的再
生污氮气量不足, 分子筛不能有效地进行再生。
3 分子筛床层穿透的危害
(1) 分子筛吸附器出口空气二氧化碳含量超标
说明二氧化碳已经穿透了分子筛床层, 在穿透的过
程中二氧化碳会大量进入板翅式换热器以及精馏塔
系统, 在低温状态( - 100 ℃以下) 中, 二氧化碳
容易冻结在板翅式换热器, 造成通道堵塞, 迫使系
统必须停车加温。
(2) 二氧化碳穿透分子筛床层, 使碳氢化合物
及二氧化碳大量集聚在主冷中, 容易引起主冷爆
炸, 存在严重的安全隐患。
(3) 粗氩冷凝器蒸发量下降以及主冷二氧化碳
含量超过10 ×10 - 6 , 说明固体二氧化碳在粗氩冷
凝器液空侧冻结, 堵塞通道, 进而影响换热面积,
降低了氩塔负荷。
4 处理措施
(1) 最大限度地降低循环水温度, 在循环水中
适量添加一次水, 强制降低循环水水温; 加大风机
负荷, 提高换热效果。但效果不是很明显, 循环水
温度基本上只能保持在32 ℃～33 ℃。
(2) 加大空气预冷系统的负荷, 最大限度地提
高换热强度, 加强氨换热器制冷效果, 使冷冻水水
量从原来的150t/ h 增加到165t/ h 。
(3) 后续生产系统需要高负荷工况, 空分设备
减量运行只能作为迫不得已的办法。经过充分论
证, 决定尝试改变分子筛纯化系统程序控制上的自
动控制程序, 就是在分子筛吸附器再生期间根据工
况变化适当提高加温温度、增大冷吹污氮气量, 并
延长加温时间。
根据该套空分设备的流程设计, 将从上塔出来
的4 路污氮气进行控制和调节: ①一路作为空分系
统密封气, 气量很小, 基本没有调节余地。②一路
通过消声器放空来稳定上塔压力, 决定手动关闭放
空阀, 以节约污氮气量。③一路去空气预冷系统的
水冷塔, 对冷冻水进行降温, 从而降低进分子筛纯
化系统原料空气的温度。决定将此路控制阀的设定
压力同上塔压力保持一致, 并设置为自动控制上塔
压力, 以此保证精馏工况的稳定。④一路去分子筛
纯化系统作为再生气, 解除分子筛纯化系统的自动
控制系统, 手动开大该路控制阀, 以提高再生污氮
气量。
在空分设备100 %负荷下运行时, 将再生期间
的加温污氮气量由原来的58000m3/ h 增加到
62000m3/ h 、冷吹污氮气量由原来的62000m3/ h 增
加到65500m3/ h 。
但提高再生污氮气量会直接导致水冷塔的污氮
气量减少, 进而减小冷冻水降温的幅度, 最后使得
进入分子筛纯化系统原料空气的温度上升。但经过
论证, 发现提高再生污氮气量促使分子筛更好地再
生, 相应地提高吸附能力, 从而使其能承受较高温
度的原料空气。关键就是找准两者之间的平衡点,
这就是技术尝试中存在的风险。
(4) 针对固体二氧化碳在粗氩冷凝器液空侧冻
结并堵塞通道现象, 决定停止制氩系统的运行, 排
尽其内部液空并静置两小时。然后从粗氩冷凝器底
部的氩侧经粗氩塔加温管道通入加温空气, 在粗氩
塔底部采用液封以防止加温空气回窜到主塔; 粗氩
冷凝器氩侧顶部用排氮阀HV1720 控制加温速率和
加温时的塔内压力, 用粗氩冷凝器的液空侧液空排
液阀控制其液空侧温升和压力, 并从此处将升华成
的二氧化碳气体排出。
5 处理效果
2007 年8 月14 日开始实施处理措施。处理前
后60000m3/ h 空分设备相应的参数比较见表1 。
表1 处理前后空分设备相应的参数比较
参数2007208214 2007208223
FV1240/ (m3/ h) 58000 62000
FV1241/ (m3/ h) 62000 65500
Tmax/ ℃ 48 83
TI1005/ ℃ 1916 2112
AI1239 5 ×10 - 6 019 ×10 - 6
FV1712/ (m3/ h) 65000 76000
注: FV1240 为加温污氮气量, FV1241 为冷吹污氮气
量, Tmax为平均1 天的冷吹峰值, TI1005 为分子筛纯化系
统进口原料空气1 天的平均温度, AI1239 为分子筛纯化系
统出口空气中二氧化碳1 天的平均含量, FV1712 为粗氩冷
凝器1 小时平均蒸发量。处理前后以及稳定状态期间空分
设备产量、负荷没变。
由表1 可知, 以上处理措施效果明显, 及时扭
转了不利的生产状况, 至今制氩系统一直稳定运
行, 冷吹峰值最高达到了105 ℃, 分子筛纯化系统
出口空气中二氧化碳含量没有超标, 并且逐渐下
降。
结束语
在这次二氧化碳穿透分子筛床层故障的处理过
程中, 总结了以下几点体会:
(1) 严格控制工艺指标, 及时发现、及时汇报
并及时处理问题, 当环境条件发生大变动时, 适时
改为手动操作, 以优化工艺操作;
(2) 敢于对原控制方法提出异议, 针对缺陷进
行攻关, 今后准备在空分设备变负荷自动操作内容
中增加分子筛纯化系统的变负荷操作程序;
(3) 根据物料的物理和化学性质制定科学的处
理方案, 并保证操作要严格按照方案实施。