2#23500機組分子篩末期CO2含量高的原因與分析

馮滿風 李紅娟 李惠

本文所探討的2#23500m3/h 空分設備的設計制造單位為杭州杭氧股份有限公司，為方便分析以下對該設備簡稱為2#23500。此裝置的吸附凈化功能表現以全低壓分子篩為主，制冷功能則由增壓透平膨脹機實現，具有全精餾無氫制氬、氧氮外壓縮以及氬內壓縮的工藝流程特征，投產運行時間為2006年12月。

一、針對分子篩這一系統的概述

2#23500分子篩系統包含電加熱器、閥門以及分子篩吸附器等部件，其在實際應用過程中的具體表現為：對空冷塔在運行過程中產生的是水分、固體雜質、二氧化碳、甲烷等物質進行吸附與清除，從而達到避免雜質堆積在設備與管路中造成堵塞的目的，是有效防止各類主冷碳氫化合物聚集的關鍵因素，起到了維持設備運行安全性與穩定性的重要作用。正是由于這一系統應用特性，使得其在以制氧機為核心的運行系統中占據著主要應用地位。

在對分子篩吸附器的運行過程進行觀察與分析后可以看到，系統中所應用到的吸附器采取雙床層結構，在其下部以活性氧護鋁為主要填充物，并被放置在用于棚架支撐的孔板上方（不銹鋼材質）。在其上部所裝填的為分子篩，設定裝填的活性氧護鋁高度為600毫米，而分子篩所裝填的高度為840毫米。二者之間采取分隔板做隔斷處理，起到了維持空氣均勻流動狀態的重要作用，避免由于運行過程中所產生的壓力波動現象出現沖床事故。兩臺1#和2#在在分子篩吸附器中有交替使用表現，在一臺進行工作的同時，另一臺處于再生狀態。該系統實際運行過程中整體氣流方向為正流，若出于再生狀態則氣流方向相反。對分子篩吸附器的再生階段所表現出的運行狀態信息進行整理后可以總結出其再生階段主要分為：900秒的卸壓、5100秒的熱吹、6480秒的冷吹、1320秒的均壓以及300秒的并行。下圖為分子篩在運行過程中的流程示例：

分子篩流程圖

二、故障描述

從2019年5月份開始分子篩CO2的含量曲線（即AIAS1203）在運行末期出現升高更有甚者超過1PPM報警，等兩套分子篩切換完以后CO2的含量又逐步下降，表現在曲線上有峰值。如下圖所示：

三、原因分析

在正常運行中，分子篩純化器后的空氣中的二氧化碳含量的曲線應平滑、直線且無節點，CO2的含量不應超過1PPM。出現此種情況說明分子篩純化器的凈化功能減弱或達不到標準。空分技術人員分析可能有以下一些原因：

1、分子篩設計制造不合理（如容量太小，流速過快，氣體與分子篩接觸時間太短等）。此分子篩于2006年12月投用至2019年運行一直正常，只是在近期才出現此現象。所以設計制造的原因可以排除。

2、分子篩床層不平。若分子篩床層處于平坦狀態，則分子篩在同一截面的情況下有溫度均勻的正常表現，氣流通過后溫度變化向出口方向的推移情況保持一致，因此分子篩處于再生狀態時，冷吹階段的氮氣出口溫度將呈現整體升高規律，直至達到峰值。若床層高低不一致，則不同部位在有氣流通過時床層厚度也將有所差異，則必然會產生出口無法同時有最高溫度表現的現象。混合完成后其峰值并不唯一。伴隨峰值溫度的下降則對應形成的冷吹曲線的整體形狀也將有“矮胖”的規律變化情況出現。

查看我們的分子篩冷吹曲線只有一個峰值且正常。所以分子篩床層不平的原因可以排除。

3、二氧化碳分析表有問題。通知儀表人員對此分析表進行校表。在校表結束初期二氧化碳分析表確有降低的現象，但運行一個周期以后CO2在運行末期任然升高，且校表幾次后都是此種情況。所以我們確定二氧化碳分析表沒有問題，CO2的值在末期確實升高。

4、進分子篩空氣量超設計值。2#23500機組設計的標準空氣量為125000m3/h，最大空氣量可達到135000m3/h左右。且在最大空氣量工況運行時CO2也沒有出現超高的情況，同時因為環保的原因，公司減產只“一機一爐”運行，公司氧氣富裕，所以2#23500機組一直按最小空氣量（110000m3/h）在運行，且雙空氣膨脹時也是按進塔空氣量最小的工況運行。所以進分子篩空氣量不可能超標。

5、進分子篩的原料空氣的溫度較高。查看出空冷塔TIAS1102的溫度，發現隨著天氣轉暖，整個循環水的溫度逐漸上升，冷凍機的負荷逐漸加大。因冷凍機每到夏季廠家就要對其進行保養，而今年廠家遲遲未見。北邊的2#冷凍機有報警機頭就不會啟動，只有南邊的一臺冷凍機運行，遠遠滿足不了負荷要求，導致出空冷塔進分子篩的空氣溫度較高，甚至達到12℃的報警值，而平時出空冷塔TIAS1102的溫度在8—10℃之間。所以進分子篩的原料空氣的溫度升高，使分子篩的吸附能力下降。

6、進分子篩空氣帶水較多。就地查看循環水并未發現有泡沫;空冷塔、水冷塔的液位計正常，冷卻水、冷凍水流量正常并未過大;平時操作嚴格按照操作規程操作未大幅度的操作，并未突然增大或減少氣量;開車時空冷塔按照操作規程操作。先通入氣，待壓力升高穩定后再通入水。從源頭上消除分子篩帶水的可能性。且每臺分子篩下部管道的最低處都設有排放閥門，能夠經常排放分子篩析出的水。所以進分子篩空氣帶水較多的原因可以排除。

7、分子篩再生不徹底。依照相關規程的要求，若再生位置的進口溫度為175攝氏度，則較佳值對應冷吹過程中80至100攝氏度的冷吹峰值;若冷吹環節峰值在80攝氏度以下，則其所吸附的水分將產生解析不完全的情況。但應注意再生溫度確定環節的特殊性，實際過程中需要以分子篩吸附器工作時間與老化程度等因素為前提，采取升高或降低方式，從而在提供維持安全穩定運行條件的基礎上，達到減少資源浪費與能源消耗的目的。為了降低成本，節約能源，廠部要求分子篩的冷吹峰值在100—110℃，電加熱器的設定溫度為150℃。分子篩的老化程度不能觀測，所以在實際中并不能確定分子篩是否再生徹底。

8、分子篩在第一次工作前未做徹底活化處理。每次大修后，啟動制氧機時都將3臺電加熱器同時開啟，電加熱器的溫度設到190℃，使分子篩的冷吹峰值達到120-130℃或更高，且至少進行三個周期。所以此原因可以排除。

9、在吸附器中分子篩若充裝數量有不足的現實情況產生，則其在實際運行狀態下，分子篩之間的間隙將隨時間的推移有逐漸縮小的特征表現，且分子篩有一定的磨耗率。所以隔一段時間應補裝分子篩。充裝數量是否不足需要打開分子篩吸附器才能看到。所以此原因待查。

10、分子篩長期使用，吸附能力降低。查閱資料得知：分子篩的使用年限根據環境濕度、試用壓力、填裝緊實度等都有關系。在空分中分子篩的使用壽命為10年左右。而我們自2006年12月投用至今，分子篩的老化程度并不能觀測。所以此原因待查。

四、處理措施

1、針對進分子篩的空氣的溫度較高的問題。

①將兩臺冷凍機的設定溫度降低。

②積極聯系冷凍機廠家的維修人員，處理2#冷凍機機頭負荷大報警不能啟動的問題。

使出空冷塔進分子篩的空氣溫度由原來的12℃降低到了9.0℃。

2、針對分子篩再生不徹底的問題。

①將兩臺電加熱器的溫度由150℃設高到190℃，并密切觀察電加熱器的運行情況，電加熱器的溫度不能太低。

②各班在分子篩熱吹期間將熱吹氣量由設定值的23500m3/h降低到22000m3/h，增加分子篩的熱負荷，使分子篩所吸附的水分、二氧化碳、乙炔等分子更好的解析出來，并將足夠的熱量貯存在床層中。

③若提空氣量后，應密切關注冷吹峰值，使冷吹峰值在100—110℃之間，分子篩再生加熱氣量控制在21000m3/h。運行幾個周期，使分子篩再生不徹底的問題得到了解決。

3、針對分子篩長期使用，吸附能力降低和純化器中分子篩的充裝數量不足的問題。需要等檢修的機會，打開分子篩吸附器才可以檢測出來。

經過全廠人員的不懈努力，現2#23500機組分子篩末期CO2含量高的問題得到了很大的改善。如下圖：

雖然在末期還是會有些微升高的現象，但是遠遠達不到1PPM的報警值。

五、小結

分子篩吸附器的穩定運行對制氧機有至關重要的作用，在平時的操作中要時刻關注CO2含量的變化，一發現異常情況及時上報處理。同時保證分子篩吸附器應處于良好的工作狀態，解析再生完全，床層充實平整，無短路氣流通過。此次CO2含量高對其他制氧機的同類問題有借鑒作用。