空分單元純化系統空氣中CO2 超標問題淺析

王菲(神華榆林能源化工有限公司，陜西榆林719300)

0 引言

空分單元純化過程中，因分子篩出口空氣CO2含量高，極易在后系統低溫區產生干冰，堵塞換熱器、精餾塔，造成生產波動，甚至非計劃停車，給單元及公司帶來極為嚴重的影響，為此通過問題研究、案例剖析及相關經驗積累，對本單元純化系統CO2超標問題提出一些見解。

1 空分單元和純化系統簡介

神華榆林能源化工有限公司空分單元采用低溫精餾法，將原料空氣通過過濾和壓縮、系統除雜、冷卻、精餾等方法，制取高純、不同壓力等級的氮氣，用于下游裝置保護氣體、吹掃用氣以及開停工置換等。其主系統為離心式空氣壓縮、蒸汽透平驅動、分子篩空氣凈化、單塔空氣精餾、膨脹機制冷、氮氣壓縮機外供低壓氮氣的工藝流程，且2015年一次性投料試車成功至今一直平穩、優質生產。

純化系統是空分單元的重要組成部分，主要用于去除原料中的水分、乙炔、CO2以及碳氫化合物等雜質，為后系統穩定運行提供保障，為空分單元生產優質產品夯實基礎。

2 空分單元純化系統出口空氣CO2超標原因分析

2.1 原料空氣進口CO2含量過高

氣體深冷分離工藝對原料要求相當苛刻，其純度會直接影響整個系統的穩定生產。當原料空氣中CO2含量超標，純化系統分子篩吸附負荷增大，吸附能力趨于降低方向發展，如此長周期的運行，使之分子篩出口CO2異常升高，CO2含量較高的原料氣進入主換系統后，在低溫狀態下凝結出大量的CO2固體，導致主換的空氣通道阻力升高甚至堵塞，提別情況下還需停車加溫處理。

2.2 工藝參數異常波動

生產過程中，空分單元工藝參數異常波動，極易造成純化系統出口CO2含量超標。如預冷系統波動，由于預冷系統為純化系統上游系統，其預冷不穩定、氣量變化較大等會造成較強的氣體的沖擊夾帶，致使空冷塔出口空氣帶有超量的水分進入純化系統；預冷系統冷卻水和冷凍水噴淋量較大或者水量和氣量比例失調，會造成空冷塔空氣帶水進入純化系統；空冷塔液位過高會使原料氣中夾帶水分或其塔頂除沫器故障，都可導致原料氣夾帶水分。至此，純化系統吸附劑因吸附順序為水＞乙炔＞CO2，大部分能力用于吸附水分，使得CO2含量超標。

2.3 分子篩失效，超出使用壽命

分子篩采用13X 型號，是堿金屬硅鋁酸鹽，具有一定的吸附能力，對水、CO2、碳氫化合物等小分子具有較強的吸附能力。在運行過程中，當空氣原料中含油等雜質污染分子篩，產生永久吸附使得分子篩中毒失效。此外，分子篩也有一定的使用時間，一般年限為5～8年，當超過使用年限，分子篩堿金屬硅鋁酸鹽顆粒破碎，難以對空氣原料中水分、CO2、碳氫化合物進行吸附，致使純化出口空氣中的CO2超標。

2.4 蒸汽加熱器內漏，大量水分進入

蒸汽加熱器是為分子篩解吸過程中的污氮氣進行加熱，通過熱態的污氮氣進入分子篩中將其已吸附組分進行解吸，恢復分子篩的吸附能力，更好的進行純化，然而，當污氮氣中因蒸汽加熱器內漏含水分較大，降低了解吸效率、增加了能源消耗，完全有悖于節能發展的理念。若蒸汽加熱器大量泄漏會使水蒸氣過多而浸泡分子篩，需緊急停車處理。

2.5 分子篩再生因素影響

分子篩吸附劑在吸附工作完成后，經過10m in 的卸壓、90min 的加熱、100min 的冷吹進行解吸，當再生時間不合理匹配或異常會導致分子篩不能完全解吸，使壓縮空氣處理不達標；此外，分子篩再生還與污氮氣流量、污氮氣溫度有直接關系，當再生過程中，由冷吹峰值＞100℃標準判定再生能力的徹底與否，加熱器再生氣量偏低導致氣源不足，不能完全解吸分子篩；加熱器加熱不良，低于操作溫度165℃時，會造成解吸過程中熱源不足，難以完全解吸導致分子篩吸附能力下降，出口空氣CO2超標。

2.6 儀表故障

儀表顯示是工藝流程操作的方標，操作人員依據其值進行合理的調整控制，然而當儀表發生故障時，影響操作人員判斷，在應急盲區時偶有可能造成其它方面的誤調整，影響整個系統。為此，必須加強分析研判能力，發生出口空氣CO2超標時，及時根據再生氣氣量、再生氣溫度、再生時間、冷吹峰值、空氣出純化系統的溫度等來判斷CO2分析儀是否故障，或聯系質檢進行取樣分析，排除工藝異常導致CO2超標。

2.7 不良操作

化工工藝生產中，操作人員是對本工藝流程參數調節的第一人，當操作過程不當、野蠻調整或誤調整，均會導致工藝生產中的數據波動，甚至聯鎖跳車。當操作不當，分子篩相關的出入口壓差、污氮氣流量、污氮氣溫度均是影響純化系統出口CO2超標的誘因。

2.8 設計缺陷

空分單元原料為大氣空氣，依據本地的常年空氣質量分析與雜質含量分析以及單元本身需求的能力進行對應的相關設計，對分子篩配型及吸附能力配比存在缺陷，另一方面是單元所處位置及后續周邊環境發生人為變化等缺陷均會造成原料空氣的質量變化，進而影響后續生產處理，導致分子篩出口CO2超標。

3 空分單元純化系統CO2超標問題的應對措施

3.1 控制進氣質量

依據空分單元純化系統的工作原理，在CO2超標問題中應當以制原料空氣質量為主，保證進氣質量達標，在壓縮機入口安裝在線CO2分析檢測儀，保證進氣質量的指標符合空分裝置純化系統的工作要求。若空氣質量異常，及時通知調度，聯系其他裝置減少有害氣體的排放，同時，通知質檢中心到現場對空分周圍的大氣質量進行分析和跟蹤。若微量超標，本單元可以把控，可以適當降低空分負荷，即降低分子篩吸附器處理量，并進行高溫活化；若嚴重超標則需要根據調度指示停車。

3.2 把控工藝參數

空分單元中，其各反應階段的工藝參數對整個生產工藝起決定性作用，當異常波動甚至超出工藝要求值，極易發生產品質量不合格或聯鎖跳車。純化系統中，由于上游的雜質含量超標，導致純化無法全面吸附CO2進而出口CO2超標等問題。這時應把控工藝參數不大幅度波動，使得進氣量穩定、吸附程度合理，安穩長滿優生產。

3.3 優化吸附效果，按時更換分子篩

純化系統中，優化上游雜質，避免油、碳氫化合物等雜質附著在吸附劑上造車吸附中毒。另外，還要定期更換分子篩吸附劑，依據5～8年的使用周期進行更換。應該對分子篩每兩年檢測一次破碎情況。再者是依據純化效果對吸附劑進行吸附能力測試，損壞或不良時及時替換。

3.4 杜絕蒸汽加熱器內漏，及時消除內漏

純化上游設備內漏，造成下游帶水致純化系統出現問題。要加強設備管理，對設備的上下游、進出口的工藝參數進行實時監控，異常及時處理。對設備的一些參數的變化進行提前預判，此外，還要在現場對設備運行聲音的變化、換熱介質流速的變化，以及蒸汽中酸堿性、抗氧性、緩蝕性進行檢測，根據工藝參數定期進行比對配劑。從工藝手段保障設備安全穩定運行，杜絕設備發生泄漏情況。

3.5 分子篩再生因素的解決措施

分子篩再生是將吸附后的吸附劑通過污氮氣進行解吸，經過泄壓、加熱、冷吹等步驟進行解吸，其再生時間、再生氣源、再生氣溫度均會導致再生效果不佳，難以解吸吸附劑。應當將再生時間和再生的溫度作為重要選擇目標，保證空分單元的吸附劑能夠滿足實際要求。只有合理的再生時間才能夠使吸附劑再生更完全，恢復分子篩吸附能力，提高空氣處理效果。

3.6 加強儀表故障管理

儀表是化工工藝操作的方標，儀表指向錯誤或故障直接影響工藝操作的進行，甚至造成嚴重的后果。要加強儀表維護保養，儀表發生故障時應在第一時間對相關的參數進行比對，驗證是否真實。另外還要定期對儀表進行維護，形成長效的保養機制，確保運行安穩正常，杜絕給工藝生產帶來的影響。

3.7 優化操作水平，提升操控質量

化工生產中，操作人員是工藝生產的主導因素，保障安穩生產是操作人員的職責所在。操作人員必須深入學習操作技能，掌握操作規程及操作原理，對相應的操作方式進行分析校驗，以及對操作結果做到提前預判，做到了然于胸。此外，操作人員在工藝操作時應避免大幅度操作、野蠻性調整，以免造成異常的生產問題。

3.8 全面布局，未雨綢繆

通篇布局，避免缺陷。在廠區規劃、周邊環境協調、生產工藝設計等方面做足功課，對廠區設計要掌握長期的風向資料、空氣含量資料以及周邊環境氣候的變化情況，做好全面部署，防患于未然，方能避免問題、避免事故。

4 結語

處理空分單元純化系統出口空氣中CO2含量超標問題，關鍵要針對不同的現象及時進行相應的調整。如果是氣體的問題，應當對氣體進行實時監測，確保空氣質量合格。如果是設備運行問題，應當在設備運行過程當中予以有效的處理。因此，對于不同的故障類型，應當分析事故的具體成因，并采取有針對性的解決措施，最終的目的是使純化系統出口空氣CO2濃度合格，為空分單元的安全穩定長周期運行提供保障。