2#23500機(jī)組分子篩末期CO2含量高的原因與分析

馮滿風(fēng) 李紅娟 李惠

本文所探討的2#23500m3/h 空分設(shè)備的設(shè)計(jì)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(shè)備簡稱為2#23500。此裝置的吸附凈化功能表現(xiàn)以全低壓分子篩為主，制冷功能則由增壓透平膨脹機(jī)實(shí)現(xiàn)，具有全精餾無氫制氬、氧氮外壓縮以及氬內(nèi)壓縮的工藝流程特征，投產(chǎn)運(yùn)行時(shí)間為2006年12月。

一、針對分子篩這一系統(tǒng)的概述

2#23500分子篩系統(tǒng)包含電加熱器、閥門以及分子篩吸附器等部件，其在實(shí)際應(yīng)用過程中的具體表現(xiàn)為：對空冷塔在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的是水分、固體雜質(zhì)、二氧化碳、甲烷等物質(zhì)進(jìn)行吸附與清除，從而達(dá)到避免雜質(zhì)堆積在設(shè)備與管路中造成堵塞的目的，是有效防止各類主冷碳?xì)浠衔锞奂年P(guān)鍵因素，起到了維持設(shè)備運(yùn)行安全性與穩(wěn)定性的重要作用。正是由于這一系統(tǒng)應(yīng)用特性，使得其在以制氧機(jī)為核心的運(yùn)行系統(tǒng)中占據(jù)著主要應(yīng)用地位。

在對分子篩吸附器的運(yùn)行過程進(jìn)行觀察與分析后可以看到，系統(tǒng)中所應(yīng)用到的吸附器采取雙床層結(jié)構(gòu)，在其下部以活性氧護(hù)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(zhì)）。在其上部所裝填的為分子篩，設(shè)定裝填的活性氧護(hù)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(dòng)狀態(tài)的重要作用，避免由于運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的壓力波動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)沖床事故。兩臺(tái)1#和2#在在分子篩吸附器中有交替使用表現(xiàn)，在一臺(tái)進(jìn)行工作的同時(shí)，另一臺(tái)處于再生狀態(tài)。該系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中整體氣流方向?yàn)檎鳎舫鲇谠偕鸂顟B(tài)則氣流方向相反。對分子篩吸附器的再生階段所表現(xiàn)出的運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行整理后可以總結(jié)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(yùn)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(yùn)行末期出現(xiàn)升高更有甚者超過1PPM報(bào)警，等兩套分子篩切換完以后CO2的含量又逐步下降，表現(xiàn)在曲線上有峰值。如下圖所示：

三、原因分析

在正常運(yùn)行中，分子篩純化器后的空氣中的二氧化碳含量的曲線應(yīng)平滑、直線且無節(jié)點(diǎn)，CO2的含量不應(yīng)超過1PPM。出現(xiàn)此種情況說明分子篩純化器的凈化功能減弱或達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)?？辗旨夹g(shù)人員分析可能有以下一些原因：

1、分子篩設(shè)計(jì)制造不合理（如容量太小，流速過快，氣體與分子篩接觸時(shí)間太短等）。此分子篩于2006年12月投用至2019年運(yùn)行一直正常，只是在近期才出現(xiàn)此現(xiàn)象。所以設(shè)計(jì)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?fàn)顟B(tài)，則分子篩在同一截面的情況下有溫度均勻的正常表現(xiàn)，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(tài)時(shí)，冷吹階段的氮?dú)獬隹跍囟葘⒊尸F(xiàn)整體升高規(guī)律，直至達(dá)到峰值。若床層高低不一致，則不同部位在有氣流通過時(shí)床層厚度也將有所差異，則必然會(huì)產(chǎn)生出口無法同時(shí)有最高溫度表現(xiàn)的現(xiàn)象?；旌贤瓿珊笃浞逯挡⒉晃ㄒ弧０殡S峰值溫度的下降則對應(yīng)形成的冷吹曲線的整體形狀也將有“矮胖”的規(guī)律變化情況出現(xiàn)。

查看我們的分子篩冷吹曲線只有一個(gè)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(jìn)行校表。在校表結(jié)束初期二氧化碳分析表確有降低的現(xiàn)象，但運(yùn)行一個(gè)周期以后CO2在運(yùn)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(shí)升高。

4、進(jìn)分子篩空氣量超設(shè)計(jì)值。2#23500機(jī)組設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)空氣量為125000m3/h，最大空氣量可達(dá)到135000m3/h左右。且在最大空氣量工況運(yùn)行時(shí)CO2也沒有出現(xiàn)超高的情況，同時(shí)因?yàn)榄h(huán)保的原因，公司減產(chǎn)只“一機(jī)一爐”運(yùn)行，公司氧氣富裕，所以2#23500機(jī)組一直按最小空氣量（110000m3/h）在運(yùn)行，且雙空氣膨脹時(shí)也是按進(jìn)塔空氣量最小的工況運(yùn)行。所以進(jìn)分子篩空氣量不可能超標(biāo)。

5、進(jìn)分子篩的原料空氣的溫度較高。查看出空冷塔TIAS1102的溫度，發(fā)現(xiàn)隨著天氣轉(zhuǎn)暖，整個(gè)循環(huán)水的溫度逐漸上升，冷凍機(jī)的負(fù)荷逐漸加大。因冷凍機(jī)每到夏季廠家就要對其進(jìn)行保養(yǎng)，而今年廠家遲遲未見。北邊的2#冷凍機(jī)有報(bào)警機(jī)頭就不會(huì)啟動(dòng)，只有南邊的一臺(tái)冷凍機(jī)運(yùn)行，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了負(fù)荷要求，導(dǎo)致出空冷塔進(jìn)分子篩的空氣溫度較高，甚至達(dá)到12℃的報(bào)警值，而平時(shí)出空冷塔TIAS1102的溫度在8—10℃之間。所以進(jìn)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(jìn)分子篩空氣帶水較多。就地查看循環(huán)水并未發(fā)現(xiàn)有泡沫;空冷塔、水冷塔的液位計(jì)正常，冷卻水、冷凍水流量正常并未過大;平時(shí)操作嚴(yán)格按照操作規(guī)程操作未大幅度的操作，并未突然增大或減少氣量;開車時(shí)空冷塔按照操作規(guī)程操作。先通入氣，待壓力升高穩(wěn)定后再通入水。從源頭上消除分子篩帶水的可能性。且每臺(tái)分子篩下部管道的最低處都設(shè)有排放閥門，能夠經(jīng)常排放分子篩析出的水。所以進(jìn)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(guān)規(guī)程的要求，若再生位置的進(jìn)口溫度為175攝氏度，則較佳值對應(yīng)冷吹過程中80至100攝氏度的冷吹峰值;若冷吹環(huán)節(jié)峰值在80攝氏度以下，則其所吸附的水分將產(chǎn)生解析不完全的情況。但應(yīng)注意再生溫度確定環(huán)節(jié)的特殊性，實(shí)際過程中需要以分子篩吸附器工作時(shí)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(wěn)定運(yùn)行條件的基礎(chǔ)上，達(dá)到減少資源浪費(fèi)與能源消耗的目的。為了降低成本，節(jié)約能源，廠部要求分子篩的冷吹峰值在100—110℃，電加熱器的設(shè)定溫度為150℃。分子篩的老化程度不能觀測，所以在實(shí)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(dòng)制氧機(jī)時(shí)都將3臺(tái)電加熱器同時(shí)開啟，電加熱器的溫度設(shè)到190℃，使分子篩的冷吹峰值達(dá)到120-130℃或更高，且至少進(jìn)行三個(gè)周期。所以此原因可以排除。

9、在吸附器中分子篩若充裝數(shù)量有不足的現(xiàn)實(shí)情況產(chǎn)生，則其在實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下，分子篩之間的間隙將隨時(shí)間的推移有逐漸縮小的特征表現(xiàn)，且分子篩有一定的磨耗率。所以隔一段時(shí)間應(yīng)補(bǔ)裝分子篩。充裝數(shù)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(jù)環(huán)境濕度、試用壓力、填裝緊實(shí)度等都有關(guān)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(jìn)分子篩的空氣的溫度較高的問題。

①將兩臺(tái)冷凍機(jī)的設(shè)定溫度降低。

②積極聯(lián)系冷凍機(jī)廠家的維修人員，處理2#冷凍機(jī)機(jī)頭負(fù)荷大報(bào)警不能啟動(dòng)的問題。

使出空冷塔進(jìn)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(tái)電加熱器的溫度由150℃設(shè)高到190℃，并密切觀察電加熱器的運(yùn)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(shè)定值的23500m3/h降低到22000m3/h，增加分子篩的熱負(fù)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(yīng)密切關(guān)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(yùn)行幾個(gè)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(shù)量不足的問題。需要等檢修的機(jī)會(huì)，打開分子篩吸附器才可以檢測出來。

經(jīng)過全廠人員的不懈努力，現(xiàn)2#23500機(jī)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(huì)有些微升高的現(xiàn)象，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到1PPM的報(bào)警值。

五、小結(jié)

分子篩吸附器的穩(wěn)定運(yùn)行對制氧機(jī)有至關(guān)重要的作用，在平時(shí)的操作中要時(shí)刻關(guān)注CO2含量的變化，一發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)上報(bào)處理。同時(shí)保證分子篩吸附器應(yīng)處于良好的工作狀態(tài)，解析再生完全，床層充實(shí)平整，無短路氣流通過。此次CO2含量高對其他制氧機(jī)的同類問題有借鑒作用。