變壓吸附制氧工藝常見問題處理

(安徽晉煤中能化工股份有限公司，安徽 臨泉 236400)

1 原理及工藝流程

1.1 變壓吸附制氧基本原理

變壓吸附制氧的基本原理是，原料空氣經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口過濾器去除雜質(zhì)后進(jìn)入鼓風(fēng)機(jī)，被鼓風(fēng)機(jī)增壓后，通過管道和氣動(dòng)切換閥門進(jìn)入吸附劑床層，原料空氣中的水分和二氧化碳被底部的13X吸附劑吸附，凈化后的空氣在吸附器內(nèi)繼續(xù)上升，經(jīng)過PU-8制氧吸附劑的過程中氮?dú)庵饾u被吸附，從而在吸附器頂部富集到氧氣。產(chǎn)品氧氣從吸附器頂部流出后，進(jìn)入氧氣緩沖罐，再經(jīng)增壓，供造氣崗位使用。

為了連續(xù)獲得氧氣，一般設(shè)兩個(gè)或兩個(gè)以上的吸附器，一個(gè)吸附器在較高壓力下吸附空氣中的氮?dú)猓瑥奈狡鞒隹诙双@得產(chǎn)品氧氣；其他的吸附器在較低壓力下解吸或升壓，以便在下一個(gè)周期內(nèi)吸附原料空氣中的氮?dú)狻讉€(gè)吸附器輪流切換，從而達(dá)到連續(xù)產(chǎn)氧的目的。

對(duì)于VPSA制氧工藝，每個(gè)周期都必須完成吸附、順向放壓、真空解吸、清洗、均壓、升壓等步驟。

吸附 空氣經(jīng)過吸附床層，氮?dú)獗晃剑?dāng)吸附器達(dá)到一定壓力后，產(chǎn)品氧氣流入氧氣緩沖罐。

順向放壓 吸附結(jié)束后，吸附器上部氣體含氧量相對(duì)較高，將這部分氣體順向放至低壓吸附器。

真空解吸 順向放壓結(jié)束后，吸附器壓力還是較高，需要通過抽真空的方法使吸附器壓力進(jìn)一步降低，將解吸的氮?dú)獬槌龇趴铡?/p>

清洗 在吸附器抽真空達(dá)到最低解吸壓力之前，將氧氣從頂部通入吸附器，同時(shí)從底部繼續(xù)抽真空，使吸附的氮?dú)膺M(jìn)一步解吸。

均壓 吸附器再生結(jié)束后，將完成吸附的吸附器從頂部通入氣體，同時(shí)對(duì)吸附器從底部繼續(xù)抽真空。

升壓 均壓后吸附器壓力仍較低，利用氧氣緩沖罐中的產(chǎn)品氣從頂部送入吸附器，同時(shí)從吸附器底部引入空氣，對(duì)吸附器進(jìn)行升壓。

以上各步驟循環(huán)進(jìn)行，即可實(shí)現(xiàn)空氣的氧氮分離，從而得到符合要求的產(chǎn)品氧氣。各工作步驟的切換，是靠氣動(dòng)切換閥來實(shí)現(xiàn)的，氣動(dòng)閥門根據(jù)控制系統(tǒng)程序的設(shè)定實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開啟和關(guān)閉。

1.2 VPSA制氧裝置系統(tǒng)組成

VPSA制氧裝置由鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、真空泵系統(tǒng)、吸附系統(tǒng)、儀表控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、儀表空氣系統(tǒng)、氧氣增壓系統(tǒng)共七部分組成。

鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng) 為制氧裝置提供原料空氣，將空氣加壓后送入吸附器。此系統(tǒng)主要由鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)氣過濾器、鼓風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)出口冷卻器和相應(yīng)的管道及閥門組成。

真空泵系統(tǒng) 在吸附結(jié)束后對(duì)吸附器抽真空，將解吸的氮?dú)馀懦鱿到y(tǒng)。此系統(tǒng)主要由真空泵、真空泵出口消音室和相應(yīng)的管道及閥門組成。

吸附系統(tǒng) 空氣中氧氣和其他組分(氮?dú)狻⑺帧⒍趸嫉?分離的場(chǎng)所，其他組分被吸附劑吸附，而氧氣吸附較少，在吸附器頂部得到富集，從而將氧氣從空氣中分離出來。此系統(tǒng)主要由吸附器(內(nèi)裝有各種吸附劑及填料)、氧氣緩沖罐和相應(yīng)的管道及閥門組成。

儀表控制系統(tǒng) 用來控制制氧裝置的啟動(dòng)、停止，通過各氣動(dòng)閥門的自動(dòng)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)各步驟的切換。此系統(tǒng)主要由上位機(jī)、儀表控制柜、傳感器、變送器等現(xiàn)場(chǎng)儀表監(jiān)控系統(tǒng)，自動(dòng)控制硬件、自動(dòng)控制軟件、自動(dòng)控制程序等辦公室操作系統(tǒng)，氣動(dòng)切換閥門和氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥門等流量控制系統(tǒng)組成。

電氣控制系統(tǒng) 為制氧裝置內(nèi)的動(dòng)力裝置等用電設(shè)備提供電源及控制動(dòng)力設(shè)備的啟動(dòng)、停止及保護(hù)。此系統(tǒng)主要由電氣控制柜、電氣操作開關(guān)、電氣自動(dòng)化保護(hù)、動(dòng)力電纜和控制電纜等部分組成。

儀表空氣系統(tǒng) 為氣動(dòng)控制閥門提供高壓、清潔、連續(xù)、充足的氣源，保證氣動(dòng)控制閥門可以順利開關(guān)。此系統(tǒng)主要由空氣壓縮機(jī)、干燥機(jī)、空氣過濾器和相應(yīng)的管道及控制閥門組成。

氧氣增壓系統(tǒng) 從吸附器流出的氧氣收集在氧氣緩沖罐內(nèi)，輸出壓力為20 kPa左右，經(jīng)氧氣增壓裝置加壓后達(dá)到要求的供氧壓力，供用戶使用。此系統(tǒng)主要由氧氣增壓風(fēng)機(jī)、氧氣增壓風(fēng)機(jī)后冷器、低壓氧氣緩沖罐和供氧管道組成。

1.3 裝置性能指標(biāo)

氧氣純度 80%

氧氣輸出壓力 45 kPa(表)

啟動(dòng)時(shí)間 15～30 min

電耗 0.415±0.02 kW·h/m3(折純氧計(jì)，按電源進(jìn)線柜電度表有功功率計(jì)量，包括鼓風(fēng)機(jī)、真空泵、氧氣增壓機(jī)、儀表用電等)

2 常見故障及排除方法

2.1 導(dǎo)致氧氣純度降低的原因

氧氣純度降低通常是由于其他氣體流進(jìn)或流出吸附塔，或者是因?yàn)檫^度加大產(chǎn)品氧氣產(chǎn)量造成的。但是，氧氣純度降低也可能是其他未知原因造成的，因此需要檢查來確定氧氣純度降低的原因。

當(dāng)氧氣純度出現(xiàn)問題時(shí)，應(yīng)首先比較吸附塔的實(shí)際壓力曲線和平時(shí)正常壓力曲線是否一致，特別是解吸壓力是否達(dá)到正常的解吸壓力。造成壓力偏差的一個(gè)常見原因就是閥門開關(guān)故障或者在循環(huán)過程中開關(guān)位置不正常。確定是哪些閥門出現(xiàn)故障需要搞清在循環(huán)過程中壓力出現(xiàn)偏差時(shí)處于循環(huán)過程的哪個(gè)階段，將各個(gè)閥門正常的開關(guān)位置與實(shí)際開關(guān)情況進(jìn)行比較，就可以判斷。

2.2 導(dǎo)致氧氣流量降低的原因

鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)氣過程有損失會(huì)造成吸附塔內(nèi)進(jìn)氣量不足，從計(jì)算機(jī)上檢測(cè)到的吸附塔頂部壓力變化可以診斷以上問題。造成以上現(xiàn)象的原因可能是因?yàn)檫M(jìn)氣時(shí)鼓風(fēng)機(jī)放空閥(氣動(dòng)閥及手動(dòng)閥)泄漏造成，也可能是鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)氣閥門和真空泵抽氣閥門泄漏，氣體異常流動(dòng)造成。吸附塔頂部開關(guān)閥開關(guān)不正常，或者調(diào)節(jié)閥在循環(huán)過程中開度不準(zhǔn)確，也會(huì)造成流量不正常，此時(shí)需檢查開關(guān)閥動(dòng)作情況或者重新校正調(diào)節(jié)閥的開度。

2.3 導(dǎo)致純度及產(chǎn)量降低的其他因素

真空泵密封水進(jìn)水量不足會(huì)造成真空泵抽氣不足，導(dǎo)致真空度不夠，吸附劑解吸不徹底，影響產(chǎn)量及純度。

環(huán)境溫度變化會(huì)導(dǎo)致空氣進(jìn)氣量變化，在不同的季節(jié)流量不一樣。

換熱器的冷卻效果降低會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入吸附器的氣體溫度升高，影響吸附性能，應(yīng)定期檢查換熱器后氣體的溫度及吸附塔頂部的溫度，換熱器后的氣體溫度不宜超過40 ℃。

2.4 氧氣產(chǎn)量和純度異常的排除方法(表1)

3 吸附劑相關(guān)注意事項(xiàng)

確保吸附劑與會(huì)造成其性能嚴(yán)重下降的環(huán)境相隔絕。可能的因素主要如下。

(1)水 除了正常進(jìn)氣所帶水蒸氣外，不應(yīng)該有其他液態(tài)水或水蒸氣進(jìn)入吸附塔。

(2)化學(xué)污染 禁止超過可覺察數(shù)量的氯氣或者氯的化合物，硫或者硫的化合物或者碳?xì)浠衔镞M(jìn)入吸附塔。

(3)二氧化碳 吸附劑再生后不應(yīng)該有二氧化碳聚集存留在吸附塔內(nèi)。

如果出現(xiàn)以上情況，會(huì)對(duì)吸附劑造成不可挽救的損壞。因此，必須熟悉、理解并實(shí)施以下的措施來預(yù)防這些情況的發(fā)生。

3.1 預(yù)防水污染

一定數(shù)量的水蒸氣會(huì)隨著原料氣進(jìn)入吸附塔并被吸附塔底部的吸附劑所吸附。吸水受潮后的吸附劑會(huì)失去吸附氮?dú)獾哪芰Γ矔?huì)使整個(gè)分離過程失去作用。正常的狀況在工藝流程設(shè)計(jì)中已說明。

正常吸附過程中，空氣中所含水分將被吸附器底部分子篩吸附并通過真空泵解吸。但如果所進(jìn)氣量中水分超過分子篩的吸附能力，則會(huì)造成上部PU-8分子篩失效，從而影響整個(gè)裝置的正常生產(chǎn)。除鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)氣所含水外其他水的進(jìn)入及不正常的操作工況都會(huì)造成多余水進(jìn)入。

因?yàn)榻馕^程中吸附塔在一段時(shí)間內(nèi)存在負(fù)壓，此時(shí)潮濕的空氣可能通過吸附器上部進(jìn)入吸附塔內(nèi)部，因此必須嚴(yán)格檢查吸附塔上部法蘭及閥門連接處、氣動(dòng)閥門閥軸密封處等可能存在隱患的地方，以盡可能減少漏氣的可能。

如果長(zhǎng)時(shí)間存在以上所說的泄漏，分子篩將會(huì)因吸附潮濕空氣并且不能解吸而失效，出現(xiàn)這種情況將會(huì)影響吸附劑的吸附效果，從而影響整個(gè)裝置的性能。

因?yàn)榉肿雍Y在潮濕的空氣中極易吸水，所以吸附器非必要情況下不能打開。如有疑問可以聯(lián)系北大先鋒工程技術(shù)部咨詢。

盡管液態(tài)水進(jìn)入吸附塔的幾率非常小，但以下情況需注意。

(1)正常情況下鼓風(fēng)機(jī)排氣管道不應(yīng)該有液態(tài)水存在，如果出現(xiàn)液態(tài)水，則有可能是鼓風(fēng)機(jī)后換熱器漏水，應(yīng)經(jīng)常檢查換熱器封頭處閥門是否有水。

(2)隨著真空泵的運(yùn)行，密封水被吸入到真空泵內(nèi)。正常運(yùn)行時(shí)，通過真空泵后氣水分離器及消音器放空。應(yīng)注意采取預(yù)防措施，防止密封水進(jìn)入吸附塔。

3.2 預(yù)防化學(xué)污染

本套裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)鼓風(fēng)機(jī)吸入氣體應(yīng)該為空氣。如果含有過多的硫、硫化物及氯、氯化物或碳?xì)浠衔铮赡軙?huì)造成分子篩失效。所以如果可能存在以上現(xiàn)象，則應(yīng)立即停運(yùn)裝置。