摘要：在空分设备工艺流程中，分子筛吸附器是保证空分设备安全、稳定运行的关键设备之一，但在实际运行中，分子筛纯化系统故障率较高，其影响因素也较多。本文介绍辽阳石化公司空分一车间KDON-3200/8000型空分塔在故障停车再启动后二氧化碳超标问题、现象，处理的方案及方案实施过程中的问题及解决方法；分析了效应，制定了预防措施。
关键词：空分设备；分子筛纯化系统；二氧化碳；超标
前言：
随着大型分子筛空分设备的普及，有关分子筛失效造成空分装置停车事故的事例很多，其中以分子筛吸附器二氧化碳超标造成空分塔板式换热器堵塞引发的空分装置停车事故较为普遍，但大部分介绍分子筛纯化系统失效的原因为分子筛带水事故，对其发生的现象、原因及预防也分析的比较透彻与实用。笔者介绍的是一起因空分塔短期停车后由于试验、判断分子筛切换阀故障以及未及时调整切换时间从而在开车后造成分子筛吸附器二氧化碳超标问题，并就此采取了整治措施，避免了停塔事故的发生。随着制氧技术的不断发展，空分设备自动化程度越来越高，这也使操作人员、技术人员产生越来越多的依赖性，但在空分设备出现故障的前提下，还是应提前做出预判，防患于未然。
1、分子筛纯化系统简介
原料空气由吸入塔吸入，经空气过滤器清除灰尘及其它机械杂质，由H400-6.5/0.97型透平空气压缩机等温压缩到0.5-0.58MPa（表）温度为97℃，流量为20000 m3/h，进入空气冷却塔内，与冷却水（温度为30℃）进行换热，经喷淋降温洗涤，温度降到30℃，压力流量不变，再经过小板式换热器与冷冻机组来的冷冻水进行热交换，冷冻水的温度为5～7℃，空气经冷冻水冷却后温度降到10℃以下，然后进入水分离器除掉由于降温后析出的冷凝水，再进入分子筛吸附器组，将空气中的水份、二氧化碳、乙炔等碳氢化合物吸附，净化后的空气进入分馏塔系统。两组吸附器的切换周期为4小时，切换过程均由程序控制器按设定程序自动控制，其中切换过程中，均压时间设定为15分钟，泄压时间设定为7分钟，加温时间设定为130分钟，冷吹时间设定为84分钟，每次动作均有1分钟延时。
分子筛纯化系统工艺流程图如图1：
图1
表1 KDON-3200/8000型空分设备分子筛纯化系统设计参数
2、分子筛纯化系统技术参数
分子筛吸附器采用卧式结构，一次装填，规格为UOP-13xΦ5×8mm球形分子筛，装填量为4500kg×2，技术参数见表1
空气经分子筛吸附后，如果二氧化碳吸附不彻底，出现超标，会引起进板翅式换热器空气中的二氧化碳含量增加，冻结在板翅式换热器下部或随气体进入精馏塔内。较长时间后，积聚的二氧化碳会将板式通道或塔板孔堵塞，使流动阻力增加，空气量减少，严重时导致空分设备无法正常生产，需要停车加温。
3、故障经过
2014年3月11日21时40分，中国石油辽阳石化分公司动力厂空分一车间双高工段KDON-3200/8000型空分塔（1#空分塔）因分子筛纯化系统切换阀QD-304阀出现故障，没有正常开启，导致空分塔停运；1#、3#氮压机自动停车；2#氧压机自动停车。经检查更换QD-304阀仪表控制电磁阀后紧急开塔；23时45分，双高工段1#空分塔氧气纯度合格，正常开2#氧压机。开塔后，操作人员发现1#空分塔分子筛纯化系统在2#分子筛投运末期CO2开始超标直至超量程，时间在20分钟左右，转投1#分子筛后，此现象消失。车间要求对分子筛纯化系统再生气量、再生温度等参数进行密切监控调整，以消除CO2超标现象。至2014年3月13日，2#分子筛投运末期CO2超标现象不但没有消失，反而更加严重。9时40分，双高工段1#空分塔分子筛开始切换，2#投运，1#再生；13时，（1#分子筛冷吹50分钟时）CO2开始超标，数值为1.07×10-6V/V；13：10时，（1#分子筛冷吹60分钟时）CO2：1.87×10-6V/V；13：20时， CO2超量程（2×10-6V/V），走直线（见二氧化碳趋势图）；13：34时，分子筛开始切换，投1#，2#再生，CO2继续超量程（实际上此时CO2含量已在快速好转）；14时，CO2含量开始下降。期间，CO2超量程（2×10-6V/V以上）持续1个小时，而分子筛后空气露点为－75℃~－77℃之间，为合格。
4、分析原因
4.1 分子筛带水
4.1.1 此次空分设备故障状态下临时停开车过程中没有出现空冷塔液位高、气流冲击等可能引起分子筛带水的异常工况。
4.1.2 仔细检查后没有发现循环水中有漏油迹象，水泵风机和油冷，都没有漏油迹象，循环水水质合格，可以排除循环水中有油等造成吸附剂中毒的可能。
4.1.3 在运行过程中没有出现过小板式换热器漏水及冷冻机制冷效果差、气液分离器分离效果差等因素导致进分子筛空气温度高带水情况。
4.2 分子筛装填质量差
4.2.1 可能是上次装填结束时，没有将分子筛床层上平面耙平，使分子筛厚薄不均，水平度不够，局部形成短路；或者是某次开车造成气流冲击，在分子筛局部床层形成凹坑，使部分气流短路。
4.2.2 可能是局部分子筛因为某种原因形成板结，造成分子筛流动性不好，在气流冲刷下形成蜂窝状间隙，造成部分气流短路，吸附效果受到严重影响。
4.2.3 分子筛装填时出现不正常情况，可能有没被发现的木板，包装编织袋和塑料袋等异物混装在分子筛吸附剂内，影响空气正常通过此部分吸附层，使吸附剂没起到作用。
但冷吹曲线没有出现表示凹坑存在的驼峰曲线且在此次故障停车前分子筛纯化系统一直工作正常。到目前为止，没有证据表明分子筛的装填质量差。
4.3 分子筛吸附器设计和制造存在问题
很明显，如果设计或制造存在问题，两台分子筛吸附器应该同时存在问题。而1#空分塔分子筛吸附器之前运行都很正常。但在找不到明确原因的情况下，在分析时也把这当做一个可能存在的原因。、
1#空分塔分子筛吸附器已平稳运行十多年，未发现空气进分子筛吸附器以后分布效果不好或汇流管可能堵塞，造成空气通过吸附剂床层时形成偏流的现象。
4.4 二氧化碳分析仪出现问题
如果二氧化碳分析仪出现问题，两只分子筛吸附器都应该出现空气中二氧化碳含量超标的问题。二氧化碳分析仪所分析数据的走向趋势来看，完全符合二氧化碳含量吸附的超标规律。且始终出现1#分子筛吸附器正常，而2#分子筛吸附器出口空气中二氧化碳含量超标的情况，所以可以排除分析仪不准确的可能。
二氧化碳含量走势及两个分子筛后二氧化碳含量的变化可以排除环境干扰的可能性。
4.5 分子筛吸附器加温再生不彻底
在2010年1月16日，为解决第二组分子筛QD-306阀泄漏造成的第一组分子筛加热及冷吹温度均较第二组分子筛平均低接近20℃问题，已将分子筛1#、2#电加热炉第一大组控制温度由170℃改为180℃；第二大组控制温度由180℃改为187℃，并一直沿用至今，分子筛加温再生能力有了进一步提高。所以正常情况下，分子筛吸附器加温再生不应该存在问题。
经仔细研究此次1#空分塔因分子筛纯化系统切换阀QD-304阀出现故障前后处理过程，发现分子筛纯化系统切换阀QD-304阀没有正常开启，导致空分塔停运期间，岗位操作人员曾尝试立即恢复空分塔运行，手动开启QD-304阀成功，当相关技术人员到达现场后为确认该阀是否好用，停塔冷封后反复试验确认发现该阀电磁阀有问题，无法保证该阀连续正常开启，更换电磁阀后调整切换程序后重新开塔，两次停开塔期间由于入塔空气量增幅较大，由正常的25000m3/h增至27500m3/h左右且由于该分子筛切换系统使用的是较为落后欧姆龙PLC程序控制器，重新启动后调整较为繁琐，致使第二组分子筛在大流量空气下使用4个半小时左右，第二组分子筛吸附量过饱和，分子筛后CO2含量超标，再生阶段若不采取措施此平衡状态难以打破甚至恶化，所以最终判定此次分子筛后二氧化碳含量超标原因为分子筛吸附器加温再生不彻底。
5、解决方案及处理过程
5.1 倒电炉。用效率较高的2#电加热炉替换加热温度相对较低的1#电加热炉。
5.2 调整再生污氮气流量。在加温阶段减少再生污氮气流量，提高加温气温度，冷吹阶段提高再生污氮气流量使冷吹温度进一步降低，增加下一周期的吸附效果。
5.3 减少分子筛吸附比重。在保证氧氮产品质与量的前提下，减少氧氮产品出塔量，降低空分塔负荷，同比减少入塔空气加工量，降低分子筛负担。
5.4 科学规划分子筛程序控制时间。在第二组分子筛再生过程中延长二十分钟加温时间，下一周期恢复正常。
持续近五天时间后CO2超标现象逐渐缩短直至消失。在此次调整过程中，空分塔主板式阻力、入塔空气量未发生明显变化。
6、结束语
空气分离装置是一个大型的复杂的系统，在大型空分设备的运行中，操作人员、技术人员不应忽略对任何环节的监控，在空气分离装置的整体生产运行中，若出现故障，在应急处理的同时要全面考虑故障对各个子系统的影响，然后通过技术手段去彻底分析解决因故障带来的问题，以保证由子系统组织建立起来的复杂大系统的安全平稳长周期运行，实现节能降耗。如以上介绍的这起空分塔分子筛吸附器二氧化碳超标问题，若不及时发现处理，很可能导致因二氧化碳长期超标，再生不彻底引发的分子筛纯化系统失效，造成空分塔板式冻堵，造成更大的经济损失。所以应充分认识到大型空分设备中子系统甚至更小的设备的重要性，加强设备的维护与管理，这样才能保证装置的安全平稳运行。
参考文献
[1] 2016年辽阳石化公司动力厂《空分一车间双高装置操作规程》；
[2] 2009年第4辑《深冷技术》杂志中《分子筛吸附器出口空气中二氧化碳严重超标的分析与处理》；
[3] 2008年第5辑《深冷技术》杂志中《分子筛吸附器出口空气中二氧化碳含量超标的分析》；
作者简介：
1、韩春荣，女，1980年生，毕业于长春工业大学信息与计算科学专业，从事空分工艺技术管理工作13年，现为中国石油辽阳石化分公司动力厂空分一车间工艺工程师。
2、张 勇，男，1986年生，从事空分安全、工艺技术管理工作9年，现为中国石油辽阳石化分公司动力厂空分一车间安全工程师。
3、于 锋，男，1968年生，从事空分生产工艺技术管理工作28年，现为中国石油辽阳石化分公司动力厂设备科科长。
论文作者:韩春荣,张勇,于锋
论文发表刊物:《基层建设》2019年第20期
论文发表时间:2019/9/21
标签：分子筛论文; 空分论文; 二氧化论文; 辽阳论文; 系统论文; 设备论文; 动力厂论文; 《基层建设》2019年第20期论文;