分子篩粉化原因分析及裝填優(yōu)化

何臣雄 吳亞奎 余光興 劉曉晨

(黔希煤化工投資有限責(zé)任公司，貴州黔西，551500)

某公司新建30萬(wàn)t·a-1乙二醇裝置，于2018年3月開(kāi)始系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)試車(chē)，并于5月開(kāi)始投料生產(chǎn)至今。氫碳分離裝置選用法液空氣體深冷分離技術(shù)，由前端凈化單元、低溫蒸汽系統(tǒng)和冷箱組成，前端凈化單元包含兩個(gè)吸附器。吸附操作通過(guò)一套程序控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。兩個(gè)填充有相同數(shù)量分子篩的吸附器并行工作：當(dāng)一個(gè)吸附器在吸附的時(shí)候，另外一個(gè)處于再生。吸附器的吸附量達(dá)到其最大吸附能力時(shí)，用氮?dú)膺M(jìn)行再生。氣體離開(kāi)前端凈化單元后經(jīng)過(guò)換熱器降溫進(jìn)入冷箱分離提純。下面將結(jié)合該公司凈化車(chē)間氫碳分離裝置前端凈化單元吸附器2021年度檢修情況，對(duì)分子篩粉化原因進(jìn)行分析，并針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題開(kāi)展處置及優(yōu)化。

1 發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

1.1 分子篩粉化

大修過(guò)程中，為確保分子篩吸附器得到充分的檢查和修復(fù)，對(duì)前端凈化單元兩個(gè)吸附器打開(kāi)，進(jìn)行卸分子篩檢查。打開(kāi)發(fā)現(xiàn)兩吸附器頂層吸附劑顆粒分明，干凈無(wú)雜質(zhì)，但隨著分子篩的持續(xù)外卸，發(fā)現(xiàn)兩吸附罐底層0mm—300mm內(nèi)分子篩部分發(fā)黑、發(fā)黃，且?guī)в袧庵氐募状細(xì)馕?，并伴有不同程度的粉化，?jīng)對(duì)底層和頂層的分子篩進(jìn)行強(qiáng)度對(duì)比，底層發(fā)黑分子篩硬度明顯低于頂層。

1.2 分子篩及Φ10瓷球泄漏

前端凈化單元兩吸附罐頂部彎頭及其分布器吊出時(shí)，均未發(fā)現(xiàn)分子篩空高下降。R-3122完全清理交出未發(fā)現(xiàn)異常，但R-3121完全卸出分子篩對(duì)底部分子篩和Φ10瓷球清理過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)分子篩和Φ10瓷球間絲網(wǎng)部分位移，失去其隔離分子篩/瓷球的作用，同時(shí)底層絲網(wǎng)壓板邊角存在不同程度卷邊，且絲網(wǎng)存在一Φ8孔洞。經(jīng)打開(kāi)絲網(wǎng)隔板對(duì)其底部進(jìn)行檢查，在一支撐梁底部支座下發(fā)現(xiàn)瓷球及部分分子篩，其他支座未發(fā)現(xiàn)泄漏情況和形變情況。

2 原因分析

2.1 分子篩粉化原因

(1)吸附器順控程序中升壓/降壓時(shí)間設(shè)計(jì)不合理，壓力變化幅度過(guò)大，氣量波動(dòng)大，分子篩間發(fā)生磨損粉化。

(2)系統(tǒng)負(fù)荷大幅波動(dòng)，例如氣化爐單爐跳車(chē)/雙爐跳車(chē)、引氣速率過(guò)快、后系統(tǒng)憋壓、變換爐進(jìn)氣閥關(guān)閉等情況，大氣量、高壓力氣流對(duì)分子篩形成沖刷，且可能在分子篩和Φ10瓷球間絲網(wǎng)位移部分形成混床，粉化。

(3)由于2021年1月發(fā)現(xiàn)分子篩吸附器泄漏，為了防止頻繁升壓/泄壓引起分子篩漏量增大，特增大了單個(gè)分子篩吸附器吸附周期，由原12h修改至48h，一直運(yùn)行至5月初系統(tǒng)停車(chē)。在48h吸附周期中，吸附器底層(合成氣下進(jìn)上出)由于長(zhǎng)時(shí)間吸附，部分分子篩可能形成甲醇液態(tài)環(huán)境(因?yàn)樵谠偕鷼饫鋮s器導(dǎo)淋處排出液態(tài)甲醇，且外卸時(shí)底部分子篩帶有濃重甲醇味)，導(dǎo)致分子篩經(jīng)過(guò)甲醇浸泡后強(qiáng)度降低，經(jīng)再生氣加熱后粉化。

(4)若分子篩在再生過(guò)程中溫度過(guò)高或溫度變化快也會(huì)使分子篩強(qiáng)度下降，投運(yùn)后容易粉化。經(jīng)排查前端凈化單元運(yùn)行期間參數(shù)，再生溫度均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，除變換單元21HV006關(guān)閉至系統(tǒng)壓力回倒波動(dòng)外無(wú)其他大幅波動(dòng)情況，因此排除前端凈化系統(tǒng)誤操作導(dǎo)致分子篩床層沖擊粉化。

2.2 分子篩泄漏原因

2.2.1 設(shè)備施工缺陷

由圖1可以看出絲網(wǎng)破損孔整體發(fā)黑，存在熔斷，且無(wú)明顯磨損，由此可判斷該破損源自內(nèi)部絲網(wǎng)壓板焊接時(shí)焊渣或焊條觸碰導(dǎo)致其熔斷成孔。

圖1 分子篩絲網(wǎng)泄露孔

(1)絲網(wǎng)上壓條與封邊壓條已焊接形式連接，封邊壓條焊接點(diǎn)過(guò)高，與絲網(wǎng)板未完全貼合，中間存在較大縫隙，最大縫隙直徑18mm，見(jiàn)圖2第一部分。

圖2 分子篩吸附器底部絲網(wǎng)安裝情況

(2)絲網(wǎng)板間使用雙層陶瓷纖維繩填充，但泄漏點(diǎn)上方陶瓷纖維繩過(guò)長(zhǎng)，安裝填充時(shí)未減掉多余部分，而是采取曲折轉(zhuǎn)向填充，導(dǎo)致存在較大曲折空隙，最大間隙14mm，見(jiàn)圖2第二部分。

(3)絲網(wǎng)支撐梁與支座、絲網(wǎng)板邊緣支撐與器壁均采用焊接形式相連，但支撐梁制造過(guò)短，與絲網(wǎng)板邊緣存在明顯間隙，最大20mm，見(jiàn)圖2第三部分。

綜上，結(jié)合僅在該支撐座下發(fā)現(xiàn)瓷球/分子篩泄漏，所以，出現(xiàn)分子篩泄漏的主要原因是該絲網(wǎng)和支撐施工存在缺陷。

2.2.2 設(shè)計(jì)缺陷

分子篩吸附器由設(shè)計(jì)方推薦安裝，其底部絲網(wǎng)固定后，分子篩直接散堆在絲網(wǎng)上，合成氣出口氣體分布器與分子篩齊平。在裝置試車(chē)階段，出現(xiàn)過(guò)分子篩泄漏，修復(fù)后在吸附器底部裝填量100mm的Φ10惰性瓷球。由于填裝的瓷球粒徑較小，且分子篩極細(xì)，底層絲網(wǎng)板與支撐、壓條結(jié)合不嚴(yán)密，同時(shí)絲網(wǎng)位移，形成混床；再加上分子篩再生加熱和降溫過(guò)程中溫度變化區(qū)間大(再生溫度最高200℃，運(yùn)行溫度最低-12℃)，且再生氣體流向和運(yùn)行合成氣流向相反[1]，導(dǎo)致分子篩間存在磨損，并從絲網(wǎng)和支撐梁、壓條間縫隙泄漏，造成流失。

3 問(wèn)題處置及優(yōu)化

3.1 嚴(yán)格控制前端凈化單元進(jìn)氣指標(biāo)

嚴(yán)格控制低溫甲醇洗裝置出口合成氣指標(biāo)，增加氣體分析頻次，確保合成氣中二氧化碳和甲醇指標(biāo)在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。同時(shí)加強(qiáng)分子篩出口合成氣指標(biāo)監(jiān)控，手動(dòng)分析結(jié)果及時(shí)與在線分析結(jié)果對(duì)比，及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，手動(dòng)干預(yù)分子篩吸附/再生，保證冷箱進(jìn)口指標(biāo)合格。

3.2 優(yōu)化分子篩吸附器吸附周期及順控系統(tǒng)

前端凈化單元吸附周期調(diào)整為原12h，吸附器泄壓閥開(kāi)至30%(均壓1段)后維持時(shí)間延長(zhǎng)60 min，由原來(lái)3min調(diào)整為63min；吸附器泄壓閥開(kāi)至100%(均壓2段)后維持時(shí)間由原來(lái)15min調(diào)整為30min，確保分子篩吸附器升降壓時(shí)間滿足順控邏輯，以緩解正常吸附/再生過(guò)程壓力波動(dòng)幅度大、變化速率快對(duì)分子篩床層沖刷造成粉化磨損。

3.3 安裝施工缺陷修復(fù)

拆除原漏點(diǎn)曲折陶瓷纖維繩，根據(jù)支撐梁實(shí)際長(zhǎng)度剪裁填充。絲網(wǎng)壓板與絲網(wǎng)板螺絲擰緊后，與封邊壓板采用焊接方式固定。封邊壓板與絲網(wǎng)板間隙先采用陶瓷纖維繩填充，再采用石墨繩外封壓實(shí)，最后在封邊壓條外用鋼條電焊，確保原封邊壓條與絲網(wǎng)板完全貼合，并密封內(nèi)部石墨繩，防止在氣流方向改變時(shí)分子篩從縫隙流失，詳見(jiàn)圖3。

圖3 分子篩吸附器底部絲網(wǎng)安裝修復(fù)

3.4 優(yōu)化吸附器分子篩裝填設(shè)置

在吸附器設(shè)計(jì)承重基礎(chǔ)上，增加惰性瓷球裝填。在吸附器支撐梁原絲網(wǎng)板上先裝填一層Φ50mm的瓷球，隨后在Φ50mm瓷球上方裝填Φ15mm瓷球80mm，再在Φ15mm瓷球上方鋪一層絲網(wǎng)，并采用不銹鋼格柵、壓條將絲網(wǎng)壓緊，在絲網(wǎng)上方進(jìn)行分子篩散裝堆積，保證合成氣進(jìn)口氣體分布均勻，不產(chǎn)生偏流，并且分子篩和瓷球間絲網(wǎng)層留存100mm卷邊(用鋼絲固定)，確保其牢固不位移，避免發(fā)生局部混床。

4 結(jié)語(yǔ)

該公司凈化車(chē)間氫碳分離裝置前端凈化的分子篩在生產(chǎn)過(guò)程中吸附低溫甲醇洗來(lái)的合成氣中H2O、CO2及CH3OH，唯有清除這些高凝固點(diǎn)雜質(zhì)才能保證氫碳分離過(guò)程的正常運(yùn)行，否則將會(huì)造成冷箱內(nèi)的設(shè)備、管道堵塞或其他安全事故。吸附器分子篩的裝填質(zhì)量、進(jìn)口合成氣指標(biāo)以及吸附周期等在很大程度上影響著合成氣的凈化質(zhì)量，同時(shí)影響分子篩的使用壽命，故清除合成氣雜質(zhì)是氫碳分離裝置正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)分子篩運(yùn)行情況及裝填情況分析，有針對(duì)性地實(shí)施一系列處置和優(yōu)化，解決了分子篩嚴(yán)重粉化及泄漏問(wèn)題，達(dá)到提高分子篩吸附器運(yùn)行率、減緩分子篩流失的目的，但后續(xù)的維護(hù)、進(jìn)一步優(yōu)化等需要不斷地根據(jù)運(yùn)行情況持續(xù)開(kāi)展。