空分裝置立式徑向流吸附器故障分析

胡生麗

(神華寧煤精細化工分公司 寧夏靈武 750411)

大型空分裝置大都采用立式徑向流吸附器來降低系統的能耗，但隨著化工行業的迅速發展，極端環境溫度的出現以及空分裝置吸入口空氣質量的不斷惡化，使立式徑向流吸附器出現了吸附劑使用壽命較預期短、吸附器內部材質損耗的問題。為此，通過采用相應的技術改造措施，以保證空分裝置的長周期穩定運行。

1 研究背景

空分裝置是以空氣為原料生產氧氣、氮氣、氬氣及其他稀有氣體的裝置，必須在空氣進入精餾塔液化分離之前除去其中的水蒸氣、二氧化碳以及乙炔等碳氫化合物，以防止這些物質在精餾塔中冷凝結冰而堵塞管路，甚至出現乙炔等碳氫化合物的積聚而引發爆炸。

由活性氧化鋁和分子篩吸附劑組成的雙層床吸附器是深冷法空氣分離裝置中實現原料空氣凈化的重要設備，其中氧化鋁用于吸附水蒸氣，分子篩用于吸附二氧化碳和殘余的水蒸氣。

隨著空分裝置原料空氣處理量的不斷增大，在相同吸附劑裝載負荷的前提下，傳統的臥式水平床吸附器存在占地面積大、床層壓降較大且吸附床容易發生穿透現象等問題。而立式徑向流吸附器能夠有效增大氣體流通面積，可大幅減小床層阻力，從而降低系統能耗且占地面積小，因此，近年來立式徑向流吸附器在大型空分裝置中得到越來越廣泛的應用。

2 立式徑向流吸附器的發展及應用

法國液化空氣公司于1981年首次研發了立式徑向流吸附器，集流流道內布置了導氣錐，用于改變吸附床側靜壓分布，使得床層兩側壓降沿軸向高度相等，達到流場均布的效果并獲得實際應用。

徑向流吸附器內進行的變溫吸附過程可分為4個基本步驟，即升壓、吸附、降壓和解吸，吸附和解吸過程的氣流方向采用逆向流動方式。立式徑向流雙層床吸附器結構示意如圖1所示。

1.空氣進口 2.空氣出口及再生氣進口 3.吸附劑填裝口 4.篩網 5.分子篩 6.導氣錐(中心筒) 7.氧化鋁 8.再生氣出口圖1 立式徑向流雙層床吸附器結構示意

吸附時，空氣從吸附器底部空氣進口進入，通過分配器均勻流動進入最外層環形空間，由外向內徑向依次穿過氧化鋁和分子篩雙層吸附床，干燥純凈的空氣從集流管上部流出；再生時，污氮氣的流動方向與空氣相反。部分立式徑向流吸附器僅裝填分子篩而不裝填氧化鋁，如國內杭氧公司生產的空分裝置，同樣處理量的吸附器裝填的吸附劑量較法國液化空氣公司的多，吸附器直徑也較大，這2種吸附器的可靠性在生產中均得到了安全穩定的驗證。

3 立式徑向流吸附器在運行過程中存在的問題

神華寧夏煤業集團煤制烯烴項目建設有2套獨立的制氧能力為90 000 m3/h(標態)的空分裝置，單套空分裝置處理量為520 000 m3/h(標態)，由液化空氣(杭州)有限公司采用法國液化空氣公司技術設計制造，吸附器采用法國液化空氣公司的立式徑向雙層床結構。2套空分裝置于2010年3月投用，為后系統提供氧氣和氮氣產品以及工廠風和儀表風。在實際運行過程中，立式徑向流吸附器出現的問題介紹、分析如下。

3.1 立式徑向流吸附器入口空氣溫度高

空分裝置采用的循環水為公司自營外供，循環水設計外供溫度為30 ℃，回水溫度為40 ℃。由于該項目在設計過程中未完全考慮當地的極端氣溫，在夏季出現極端溫度時，循環水水溫高達35 ℃以上，而分子篩再生和氮水冷卻塔用以冷卻水的污氮氣量是有限的，采用冰機再次冷卻冷凍水用于在空冷塔中換熱，夏季(環境溫度>30 ℃)立式徑向流吸附器入口空氣溫度較設計值高3 ℃左右，導致預冷系統水質冷量欠缺，進一步影響立式徑向流吸附器的運行。

在空分裝置空氣處理量不變的情況下，進立式徑向流吸附器的飽和濕空氣含水量隨空氣溫度的變化如表1所示。

表1 飽和濕空氣含水量隨空氣溫度的變化

空氣溫度/℃含水量/(g·kg-1)空氣溫度/℃含水量/(g·kg-1)空氣溫度/℃含水量/(g·kg-1)131.557161.891192.287141.662172.016202.434151.774182.147212.590

針對因夏季空氣溫度高而影響立式徑向流吸附器入口空氣質量的問題，在原有冰機的基礎上為每套空分裝置增加1臺冰機，以降低進立式徑向流吸附器的空氣溫度。改造后，立式徑向流吸附器入口空氣溫度降至11～13 ℃，有效降低了吸附器的吸附負荷，延長了吸附劑的使用壽命。

3.2 立式徑向流吸附器出口空氣中二氧化碳含量頻繁超標

立式徑向流吸附器外層裝填活性氧化鋁，內層裝填13X分子篩，設計吸附器入口空氣中φ(CO2)為550×10-6，出口空氣中φ(CO2)<1×10-6，運行切換周期為4 h，設計吸附劑使用壽命為15年。隨著園區周圍其他項目的陸續投產，空氣質量有所下降，空氣中φ(CO2)>550×10-6。

該空分裝置自投用以來，吸附器的實際切換周期為3.3 h，達不到設計要求。由于運行時間縮短，切換頻繁，加劇了分子篩及氧化鋁的粉化，造成床層下沉，每年需補充裝填吸附劑1次。由于該設備采用法國液化空氣公司的專利技術且吸附劑設計使用壽命為15年，設計時未設置吸附劑取樣口，導致吸附劑吸附容量等參數無法進行具體分析，頂部裝料口僅能取到新補充的分子篩及氧化鋁，不具有代表性，無法判斷吸附劑是否滿足更換條件。由于分子篩已投入使用7年，根據分子篩再生曲線與吸附器出口頻繁出現二氧化碳含量超標的現象(增加新冰機后)，明顯可以判定吸附劑已到達使用末期。由于吸附器出口空氣中二氧化碳含量超標，最高時φ(CO2)達到4×10-6，造成板式換熱器堵塞、換熱效率下降，進而影響裝置運行負荷。鑒于空氣質量的下降及吸附劑使用壽命到期，利用公司整體大檢修機會對吸附劑進行了更換，空氣中φ(CO2)按800×10-6考慮。

3.3 立式徑向流吸附器內部材質的損耗

對于采用法國液化空氣公司技術設計制造的立式徑向流吸附器，尤其是處理能力大于60 000 m3/h(標態)空分裝置吸附器的吸附劑更換，在國內尚無先例。在更換過程中，當吸附劑全部抽完后開始檢查內部絲網情況，發現氧化鋁側下部絲網破損較嚴重，絲網破損位置在氧化鋁側下部與格柵接觸的部位，且絲網與格柵接觸面上的破損尤為嚴重?？紤]到格柵材質為16MnR，而絲網材質為304，存在格柵銹蝕后與不銹鋼發生晶間腐蝕而造成不銹鋼絲網破損的可能。

鑒于公司生產的安排及檢修成本，綜合考慮法國液化空氣公司給出的修補建議，對損壞面積較大的絲網區域進行拆網并進行大面積的補網，法國液化空氣公司的技術人員參與了整個修補過程并給予技術指導。

4 結語

空分裝置的運行不僅要考慮安全可靠，還要考慮運行的經濟性?？諝赓|量的日益惡化以及夏季環境溫度逐年上升等因素都與空分裝置的安全穩定運行息息相關，吸附器在日常運行中除了時刻關注再生曲線與冷吹峰值外，還需多關注吸入口空氣質量(可增加碳氫化合物含量在線監測設備)，同時關注風向的變化情況，在周圍出現異常情況而影響吸入口空氣質量時，以便及時進行調整，保證空分裝置安全穩定運行。2套空分裝置在修補絲網并裝填新的吸附劑后，運行指標正常，切換周期依然在3.3 h內，但絲網破損與格柵的腐蝕依然存在，成為裝置安全運行的隱患。

立式徑向流吸附器增設取樣口和吸附劑卸料口對于判斷吸附劑使用壽命及更換具有現實的指導意義，同時內部絲網及格柵的選材應考慮存在不銹鋼晶間腐蝕的可能，以保障吸附器的使用壽命。