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(xì)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(lái)降低系統(tǒng)的能耗，但隨著化工行業(yè)的迅速發(fā)展，極端環(huán)境溫度的出現(xiàn)以及空分裝置吸入口空氣質(zhì)量的不斷惡化，使立式徑向流吸附器出現(xiàn)了吸附劑使用壽命較預(yù)期短、吸附器內(nèi)部材質(zhì)損耗的問(wèn)題。為此，通過(guò)采用相應(yīng)的技術(shù)改造措施，以保證空分裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

1 研究背景

空分裝置是以空氣為原料生產(chǎn)氧氣、氮?dú)狻鍤饧捌渌∮袣怏w的裝置，必須在空氣進(jìn)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?xì)浠衔铮苑乐惯@些物質(zhì)在精餾塔中冷凝結(jié)冰而堵塞管路，甚至出現(xiàn)乙炔等碳?xì)浠衔锏姆e聚而引發(fā)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(shí)現(xiàn)原料空氣凈化的重要設(shè)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(fù)荷的前提下，傳統(tǒng)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(fā)生穿透現(xiàn)象等問(wèn)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(tǒng)能耗且占地面積小，因此，近年來(lái)立式徑向流吸附器在大型空分裝置中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

2 立式徑向流吸附器的發(fā)展及應(yīng)用

法國(guó)液化空氣公司于1981年首次研發(fā)了立式徑向流吸附器，集流流道內(nèi)布置了導(dǎo)氣錐，用于改變吸附床側(cè)靜壓分布，使得床層兩側(cè)壓降沿軸向高度相等，達(dá)到流場(chǎng)均布的效果并獲得實(shí)際應(yīng)用。

徑向流吸附器內(nèi)進(jìn)行的變溫吸附過(guò)程可分為4個(gè)基本步驟，即升壓、吸附、降壓和解吸，吸附和解吸過(guò)程的氣流方向采用逆向流動(dòng)方式。立式徑向流雙層床吸附器結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

1.空氣進(jìn)口 2.空氣出口及再生氣進(jìn)口 3.吸附劑填裝口 4.篩網(wǎng) 5.分子篩 6.導(dǎo)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(jié)構(gòu)示意

吸附時(shí)，空氣從吸附器底部空氣進(jìn)口進(jìn)入，通過(guò)分配器均勻流動(dòng)進(jìn)入最外層環(huán)形空間，由外向內(nèi)徑向依次穿過(guò)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(shí)，污氮?dú)獾牧鲃?dòng)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(guó)內(nèi)杭氧公司生產(chǎn)的空分裝置，同樣處理量的吸附器裝填的吸附劑量較法國(guó)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(chǎn)中均得到了安全穩(wěn)定的驗(yàn)證。

3 立式徑向流吸附器在運(yùn)行過(guò)程中存在的問(wèn)題

神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)煤制烯烴項(xiàng)目建設(shè)有2套獨(dú)立的制氧能力為90 000 m3/h(標(biāo)態(tài))的空分裝置，單套空分裝置處理量為520 000 m3/h(標(biāo)態(tài))，由液化空氣(杭州)有限公司采用法國(guó)液化空氣公司技術(shù)設(shè)計(jì)制造，吸附器采用法國(guó)液化空氣公司的立式徑向雙層床結(jié)構(gòu)。2套空分裝置于2010年3月投用，為后系統(tǒng)提供氧氣和氮?dú)猱a(chǎn)品以及工廠風(fēng)和儀表風(fēng)。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，立式徑向流吸附器出現(xiàn)的問(wèn)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(huán)水為公司自營(yíng)外供，循環(huán)水設(shè)計(jì)外供溫度為30 ℃，回水溫度為40 ℃。由于該項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過(guò)程中未完全考慮當(dāng)?shù)氐臉O端氣溫，在夏季出現(xiàn)極端溫度時(shí)，循環(huán)水水溫高達(dá)35 ℃以上，而分子篩再生和氮水冷卻塔用以冷卻水的污氮?dú)饬渴怯邢薜?，采用冰機(jī)再次冷卻冷凍水用于在空冷塔中換熱，夏季(環(huán)境溫度>30 ℃)立式徑向流吸附器入口空氣溫度較設(shè)計(jì)值高3 ℃左右，導(dǎo)致預(yù)冷系統(tǒng)水質(zhì)冷量欠缺，進(jìn)一步影響立式徑向流吸附器的運(yùn)行。

在空分裝置空氣處理量不變的情況下，進(jìn)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(duì)因夏季空氣溫度高而影響立式徑向流吸附器入口空氣質(zhì)量的問(wèn)題，在原有冰機(jī)的基礎(chǔ)上為每套空分裝置增加1臺(tái)冰機(jī)，以降低進(jìn)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(fù)荷，延長(zhǎng)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(biāo)

立式徑向流吸附器外層裝填活性氧化鋁，內(nèi)層裝填13X分子篩，設(shè)計(jì)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(yùn)行切換周期為4 h，設(shè)計(jì)吸附劑使用壽命為15年。隨著園區(qū)周圍其他項(xiàng)目的陸續(xù)投產(chǎn)，空氣質(zhì)量有所下降，空氣中φ(CO2)>550×10-6。

該空分裝置自投用以來(lái)，吸附器的實(shí)際切換周期為3.3 h，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。由于運(yùn)行時(shí)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(bǔ)充裝填吸附劑1次。由于該設(shè)備采用法國(guó)液化空氣公司的專利技術(shù)且吸附劑設(shè)計(jì)使用壽命為15年，設(shè)計(jì)時(shí)未設(shè)置吸附劑取樣口，導(dǎo)致吸附劑吸附容量等參數(shù)無(wú)法進(jìn)行具體分析，頂部裝料口僅能取到新補(bǔ)充的分子篩及氧化鋁，不具有代表性，無(wú)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(jù)分子篩再生曲線與吸附器出口頻繁出現(xiàn)二氧化碳含量超標(biāo)的現(xiàn)象(增加新冰機(jī)后)，明顯可以判定吸附劑已到達(dá)使用末期。由于吸附器出口空氣中二氧化碳含量超標(biāo)，最高時(shí)φ(CO2)達(dá)到4×10-6，造成板式換熱器堵塞、換熱效率下降，進(jìn)而影響裝置運(yùn)行負(fù)荷。鑒于空氣質(zhì)量的下降及吸附劑使用壽命到期，利用公司整體大檢修機(jī)會(huì)對(duì)吸附劑進(jìn)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(nèi)部材質(zhì)的損耗

對(duì)于采用法國(guó)液化空氣公司技術(shù)設(shè)計(jì)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(biāo)態(tài))空分裝置吸附器的吸附劑更換，在國(guó)內(nèi)尚無(wú)先例。在更換過(guò)程中，當(dāng)吸附劑全部抽完后開(kāi)始檢查內(nèi)部絲網(wǎng)情況，發(fā)現(xiàn)氧化鋁側(cè)下部絲網(wǎng)破損較嚴(yán)重，絲網(wǎng)破損位置在氧化鋁側(cè)下部與格柵接觸的部位，且絲網(wǎng)與格柵接觸面上的破損尤為嚴(yán)重?？紤]到格柵材質(zhì)為16MnR，而絲網(wǎng)材質(zhì)為304，存在格柵銹蝕后與不銹鋼發(fā)生晶間腐蝕而造成不銹鋼絲網(wǎng)破損的可能。

鑒于公司生產(chǎn)的安排及檢修成本，綜合考慮法國(guó)液化空氣公司給出的修補(bǔ)建議，對(duì)損壞面積較大的絲網(wǎng)區(qū)域進(jìn)行拆網(wǎng)并進(jìn)行大面積的補(bǔ)網(wǎng)，法國(guó)液化空氣公司的技術(shù)人員參與了整個(gè)修補(bǔ)過(guò)程并給予技術(shù)指導(dǎo)。

4 結(jié)語(yǔ)

空分裝置的運(yùn)行不僅要考慮安全可靠，還要考慮運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性?？諝赓|(zhì)量的日益惡化以及夏季環(huán)境溫度逐年上升等因素都與空分裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行息息相關(guān)，吸附器在日常運(yùn)行中除了時(shí)刻關(guān)注再生曲線與冷吹峰值外，還需多關(guān)注吸入口空氣質(zhì)量(可增加碳?xì)浠衔锖吭诰€監(jiān)測(cè)設(shè)備)，同時(shí)關(guān)注風(fēng)向的變化情況，在周圍出現(xiàn)異常情況而影響吸入口空氣質(zhì)量時(shí)，以便及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，保證空分裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行。2套空分裝置在修補(bǔ)絲網(wǎng)并裝填新的吸附劑后，運(yùn)行指標(biāo)正常，切換周期依然在3.3 h內(nèi)，但絲網(wǎng)破損與格柵的腐蝕依然存在，成為裝置安全運(yùn)行的隱患。

立式徑向流吸附器增設(shè)取樣口和吸附劑卸料口對(duì)于判斷吸附劑使用壽命及更換具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義，同時(shí)內(nèi)部絲網(wǎng)及格柵的選材應(yīng)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。