分子篩運行故障處理和升級改造

蔣小林，袁 苑，石成軍，陳 韜，吳繼強

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司氣體銷售分公司，安徽馬鞍山 243000）

1 基本概況

分子篩凈化系統(tǒng)是制氧機運行質(zhì)量和安全重要組成部分。其運行的狀態(tài)好壞與否，直接決定和影響制氧機長周期運行的關(guān)鍵因素之一。

馬鋼40000 m3/h制氧機于2004年4月投產(chǎn)，臥式分子篩吸附器選用13X型分子篩，其床層分布如圖1。

圖1 分子篩吸附器裝填簡圖

由于本制氧機是全提取裝置，同步提取氪氙產(chǎn)品。2004年10月下旬，下塔進入氪氙濃縮塔T5111的氮氣量FIC5164銳減 (氪氙塔負荷)，從設(shè)計值13500 m3/h減少到約2500 m3/h，T5111無法維持正常的精餾工況，同時對粗氬塔的液空循環(huán)造成嚴重影響，不得不靠增加T5111底部排放液體量FIC5117來維持粗氬塔液空的循環(huán)量，最大排放到1000 m3/h（設(shè)計值80 m3/h）。當時初步懷疑是施工安裝的異物造成塔的蒸發(fā)器堵塞，并制定了更換蒸發(fā)器的方案和措施，因馬鋼公司鋼鐵產(chǎn)能不斷釋放，不能停運制氧機。直到2005年4月四萬制氧機進行了全面加熱，重新投運后FIC5164達到設(shè)計值，穩(wěn)定了2個月后再次逐步減少，設(shè)備制造廠專家對稀有氣體系統(tǒng)及凈化系統(tǒng)進行了大量分析，并最終確定了因分子篩末期二氧化碳出現(xiàn)峰值，最高達到1.9×10-6。由于有CO2存在低溫部分減少了N2O在液氧里溶解，在液氧環(huán)境里CO2/N2O混合物的固體沉淀在蒸發(fā)器表面，影響了蒸發(fā)器的換熱效果。根據(jù)這一分析結(jié)果，2006年4月40000 m3/h制氧機補充了約33 t LMSK1825分子篩，消除了分子篩后CO2的穿透，氪氙濃縮塔堵塞現(xiàn)象消失，從而具備了調(diào)試氪氙的條件穩(wěn)定運行。

2 分子篩劣化及故障發(fā)生

2.1 故障現(xiàn)象

2017年6月4日，在日常巡檢時發(fā)現(xiàn)，A#分子篩再生時，再生氣放散口有少量顆粒分子篩，5日A#分子篩運行至末期時，CO2在線分析有穿透現(xiàn)象發(fā)生，最高達0.90×10-6（正常時在0.02×10-6）。按照公司組產(chǎn)安排，計劃6月中下旬停運40000 m3/h制氧機檢修，為此制定了應(yīng)急措施維持裝置運行。

2.2 應(yīng)對措施

A#分子篩出現(xiàn)分子篩泄漏現(xiàn)象，A#分子篩吸附能力逐漸下降，冷吹末期出現(xiàn)CO2穿透現(xiàn)象。為了保產(chǎn)，維持空分生產(chǎn)穩(wěn)定，以減少分子篩吸附負荷為目的，決定采取以下措施：

（1）減少B#分子篩再生時間，縮短A#分子篩使用時間。A#分子篩再生時間增加，延長B#分子篩使用時間。加強對裝置液空中CO2取樣分析。

修改步驟：

B#分子篩準備再生→分子篩“暫停”→修改加熱時間（88 min→69 min）→修改冷吹時間（147 min→116 min）→檢查、確認無誤→分子篩“暫停”取消→分子篩自動A#分子篩準備再生→分子篩“暫停”→修改加熱時間（69 min→88 min）→修改冷吹時間（116 min→147 min）→檢查、確認無誤→分子篩“暫停”取消→分子篩自動。

（2）監(jiān)控分子篩再生曲線，A#/B#再生峰值應(yīng)該不低于100℃，再生末期，監(jiān)控冷吹結(jié)束時TI2601/T2602溫度，控制低于45℃。

（3）A#分子篩使用末期，監(jiān)控AI2615 CO2峰值（正常值0.5×10-6CO2以下）。

（4）監(jiān)控分子篩入口溫度，越低越好。監(jiān)控水溫TI2421，不高于28℃，如超過及時與308#泵房溝通。

（5）加強巡檢，觀察PV2645出口防護套噴“分子篩”情況，跟蹤對比。

（6）根據(jù)空氣濕度及環(huán)境條件，每班次至少2次，啟動放散塔水泵排水，每次5 min。觀察排水量變化及排砂情況。出現(xiàn)排水故障，及時更換備用泵。

（7）空分減負荷至氧量37500 m3/h運行，注意監(jiān)控增壓機各級軸承振動，及時調(diào)整氬系統(tǒng)工藝參數(shù)，調(diào)整下塔液空閥LIC3201.1的開度（＞25%），調(diào)整精氬塔回流液空閥LV4121.1開度（＞9%）。

（8）加強空分系統(tǒng)運行參數(shù)監(jiān)控，重點參數(shù)見表1。

表1 重點監(jiān)控點位表

（9）啟動冷凍機，保持冷凍水溫度在9～11℃間，保證分子篩保持分子篩進口溫度在10～13℃間運行，以便減小分子篩運行負荷，利于分子篩運行。

（10）換熱器阻力 PDI2614出現(xiàn)＞12 kPa，并快速上升，A#分子篩失去吸附能力時，為了給其他機組爭取啟動時間，要求作如下緊急處理：

①若B#分子篩正在使用，立即“暫停”程序，保持B#使用狀態(tài)，直到B#二氧化碳亦穿透或上級通知停車。

②若A#分子篩正在使用，立即調(diào)整分子篩程序，切換到B#使用，直到B#CO2穿透或上級通知停車。

2.3 緊急處置

2.3.1 在線檢查

6月8日，在分子篩再生氣放散口發(fā)現(xiàn)較大量的分子篩顆粒，經(jīng)商討決定，在A#分子篩泄壓結(jié)束后暫停程序，打開一端人孔，在外部對其內(nèi)部進行檢查確認發(fā)現(xiàn)，分子篩床層（圖1）中靠右北側(cè)塌陷一個面積約5 m2，深度約600 mm的“坑”，為了不更深影響因敞口時間過長造成分子篩吸附性能進一步下降，所以，決定關(guān)閉人孔，立即恢復(fù)其再生程序。

2.3.2 床層塌陷原因分析

經(jīng)檢查確定是因分子篩床層塌陷，此處床層變薄空氣因短路流動，造成吸附不完全，導(dǎo)致CO2穿透現(xiàn)象發(fā)生，分析如下：

通過對照圖紙（見圖2），兩層分子篩和兩層氧化鋁之間均有不銹鋼篩網(wǎng)，并且底部有一層帶有網(wǎng)孔的格柵板，而泄漏出的90%是分子篩，極少數(shù)氧化鋁。分析認為是每層平鋪篩網(wǎng)發(fā)生位置變化，造成分子篩逐步泄漏到底層氧化鋁處，由于氣流的作用，使得分子篩從底部網(wǎng)孔的格柵板漏出（注：底部網(wǎng)孔的格柵板孔徑3 mm），網(wǎng)孔可以阻擋底層氧化鋁漏出，而分子篩直徑與格柵板孔徑接近從而泄漏。

上述分析基本確定，下一步查找每層平鋪的篩網(wǎng)發(fā)生位置變化的原因。考慮先前發(fā)生泄漏時，是有少量氧化鋁漏出，所以，得出結(jié)論是：

（1）局部底層網(wǎng)孔的格柵板有破損且不是很大，造成氧化鋁先發(fā)生泄漏，隨分子篩泄壓時，氣流帶出，使這一區(qū)域的床層發(fā)生塌陷，致使上層的分子篩床層隨之塌陷，造成原先鋪平的篩網(wǎng)不能很好地起到阻隔作用，分子篩由筒體邊緣向下下沉，最終從底層格柵板破損處漏出。

（2）床層底部支架與底層格柵板連接處有銹蝕，是造成上述（1）分析中的泄漏原因。

圖2 床層材料分級示意圖

2.3.3 床層塌陷緊急處理

CO2穿透出現(xiàn)在A#分子篩使用末期（約剩余10 min左右），通過趨勢圖觀察和對液空取樣分析CO2含量變化，裂化趨勢較為可控，又因組產(chǎn)需要，短期沒有條件進入停機檢修狀態(tài)情況下，制定了臨時應(yīng)急處理方式，即：

（1）在下一次A#分子篩泄壓結(jié)束后，暫停運行程序，打開靠泄漏分子篩一側(cè)人孔進入內(nèi)部，做好安全防護，安排人員著“呼吸器”進入分子篩內(nèi)部，在有限的時間內(nèi)（8 min）用準備好的、相同規(guī)格的不銹鋼篩網(wǎng)將因塌陷造成床層隔篩網(wǎng)縫隙補齊，從而減少分子篩泄漏量。

（2）用工具將周圍分子篩向塌陷處鋪平，降低空氣因短路流動，減少因吸附不完全導(dǎo)致CO2穿透現(xiàn)象發(fā)生。

2.3.4 效果檢查

通過2次實施上述應(yīng)急處理措施、裝置負荷控制及分子篩進氣溫度降低和再生溫度等控制方法，期間，對CO2趨勢變化和液體取樣一直嚴密監(jiān)控，成功地使制氧機安全維持到計劃檢修停機時間。

3 新型分子篩更換方案

鑒于四萬機組全提取的工藝特點，考慮優(yōu)化更換和改造原有分子篩及氧化鋁的比例，特別是某廠家分子篩除N2O性能數(shù)據(jù)，最終考慮選用APGⅢ8×12″新型分子篩。新舊分子篩裝填參數(shù)見表2。

表2 分子篩新舊裝填參數(shù)表

4 更換及改造過程

2017年6月15日～7月31日四萬制氧機停機大修，期間進行分子篩更換，針對出現(xiàn)的問題重點排查，并對故障點進行修復(fù)改造。

4.1 分子篩吸附器內(nèi)部檢查和處理

（1）經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)：每層不銹鋼隔網(wǎng)出現(xiàn)了不規(guī)則的約100 mm長裂縫，且每片連接的不銹鋼絲有斷開現(xiàn)象。分析原因是使用時間有14年之久，長期常溫和135℃再生溫度之間交替，使不銹鋼隔網(wǎng)“老化”出現(xiàn)裂縫。決定全部更換新的符合標準的不銹鋼隔網(wǎng)和連接鋼絲。

（2）對底部格柵板和鋼結(jié)構(gòu)支架進行了重點檢查，發(fā)現(xiàn)一處鋼結(jié)構(gòu)支架有因銹蝕出現(xiàn)的約20 mm的孔洞（見圖3），位置與運行中進分子篩內(nèi)部檢查塌陷處基本一致，所以判定此處是分子篩泄漏的“癥結(jié)點”。由于此處對應(yīng)空氣進分子篩吸附器的入口，在長期大量含濕帶壓空氣沖刷下，造成銹蝕嚴重，在制作分子篩支架前期，鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)存在問題，導(dǎo)致故障的發(fā)生。隨后，對底部格柵板銹蝕孔洞處進行了封補焊處理，杜絕了再次發(fā)生泄漏的可能性。對其他鋼結(jié)構(gòu)支架和底部格柵板檢查時，未發(fā)現(xiàn)破損和異常。

圖3 分子篩吸附器底部格柵板漏洞處理

（3）檢查中發(fā)現(xiàn)兩組分子篩吸附器進氣管入口附近鋼結(jié)構(gòu)銹蝕較為明顯，對其進行了加固防腐處理。

4.2 分子篩裝填

因為在扒裝分子篩期間，處于7月高溫多雨季節(jié)，對施工帶來一定影響。除天氣和氣溫影響，實際扒、裝時間為12天左右。嚴格按照分子篩裝填要求，基本保證每個分子篩吸附器內(nèi)同批次吸附劑桶數(shù)相當。

新裝填分子篩和氧化鋁數(shù)量：

氧化鋁（3～5 mm）：353桶×135 kg；

氧化鋁（5～8 mm）：77桶×135 kg；

分子篩（APGIII 8×12″mm）：820桶×135 kg。

5 改造效果

改造新型APGⅢ8×12″分子篩，計算氣體阻力如表3。

表3 分子篩阻力對比表

分子篩升級改造后，采用新型吸附能力強的吸附劑，裝填料減少，填充高度由1.85 m降低到1.65 m，運行阻力由11 kPa降至約9 kPa，阻力變小，制氧機能耗降低，換算每年節(jié)省電耗187716 kW·h。

分子篩改造前，每4 h加熱80 min，年度加熱耗電：5256000 kW·h；分子篩改造后，每5 h加熱80 min，年度加熱耗電：3390968 kW·h；年節(jié)省電耗：1865032 kW·h。并且，新型分子篩吸附容量變大，分子篩的運行周期由原來的4 h延長到5 h，加熱時間只延長了10 min，分子篩切換次數(shù)減少，對工況波動影響降低，使得氬生產(chǎn)及操作也相應(yīng)穩(wěn)定和減少。分子篩更換前后再生時間表見表4。

后續(xù)將根據(jù)分子篩運行情況，在滿足工藝條件要求下摸索適當延長運行周期。

6 結(jié)論

總之，這次40000 m3/h制氧機無論是分子篩運行過程中出現(xiàn)故障，還是升級過程中發(fā)現(xiàn)床層隱患，對制氧機長周期安全運行都有很好的警示作用：

表4 分子篩更換前后再生時間表 min

（1）在科學(xué)合理周期范圍內(nèi)使用吸附劑，并擇機定期抽檢。

（2）運行期間，對工藝狀態(tài)、參數(shù)跟蹤，出現(xiàn)異常后采取有效措施的同時，制定完善的解決方案。

（3）運行年限較長的制氧機，在檢修條件允許情況下，對底部床層支架等部件進行檢查是很有必要的。