空分分子篩運(yùn)行分析及保護(hù)措施

王 偉，劉德清

（中海石油天野化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古呼和浩特 010070）

1 概 述

中海石油天野化工有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱天野化工）化肥裝置設(shè)計(jì)產(chǎn)能為300kt／a合成氨、520kt／a尿素，配套空分裝置設(shè)計(jì)氧氣產(chǎn)能為22950m3／h，氧氣供給氣化系統(tǒng)，天然氣與氧氣及蒸汽通過(guò)燒嘴在氣化爐內(nèi)部進(jìn)行部分氧化反應(yīng)，生產(chǎn)以CO和H2為主的合成氣。

天野化工空分分子篩吸附器（A2626A／B）裝填的吸附劑有條形分子篩和球形氧化鋁兩種，條形分子篩、球形氧化鋁裝填量分別為35000kg、14400kg，裝填形式為分層裝填，下部裝填球形氧化鋁、上部裝填條形分子篩。球形氧化鋁的主要作用是吸附空氣中大量的水分，條形分子篩的主要作用是吸附微量水分、全部CO2以及部分有機(jī)氣體。條形分子篩和球形氧化鋁生產(chǎn)廠家建議使用壽命均為5a，一般企業(yè)實(shí)際使用壽命大致在5～7a，天野化工實(shí)際使用壽命最長(zhǎng)均達(dá)9a；若使用條件受限，如發(fā)生進(jìn)水或酸性氣中毒等事故，條形分子篩和球形氧化鋁就會(huì)粉化，其使用壽命會(huì)大幅縮短，嚴(yán)重時(shí)需停車更換。

空分分子篩系統(tǒng)工藝流程如圖1?？辗址肿雍Y在高壓低溫下吸附、在低壓高溫下解吸（自預(yù)冷系統(tǒng)來(lái)的干燥空氣通過(guò)程控閥進(jìn)入分子篩吸附器，一臺(tái)吸附器吸附時(shí)另一臺(tái)吸附器再生；再生氣為低溫冷箱出來(lái)的污氮?dú)?，通過(guò)加熱器加熱至250℃后經(jīng)由程控閥進(jìn)入吸附器中對(duì)吸附劑進(jìn)行再生，再生后的氣體通過(guò)管道出系統(tǒng)后放空至大氣中），利用選擇性吸附原理等將空氣中的水分、CO2、乙炔等碳?xì)浠衔锴宄?，?jīng)吸附劑吸附后的空氣露點(diǎn)可達(dá)-70℃，CO2含量控制在1×10-6以下、CH4含量控制在20×10-6以下、乙炔含量控制在0.01×10-6以下，合格的工藝空氣進(jìn)入低溫冷箱。天野化工空分分子篩系統(tǒng)一個(gè)運(yùn)行周期為2.8h，分子篩的吸附、再生及切換均由程序自動(dòng)控制。

圖1 空分分子篩系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖

2 空分分子篩系統(tǒng)運(yùn)行情況

2.1 空分分子篩歷年裝卸情況

天野化工合成氨裝置自1996年投產(chǎn)以來(lái)，空分分子篩系統(tǒng)條形分子篩和球形氧化鋁共計(jì)更換過(guò)3次，分別在2005年8月（更換時(shí)分子篩運(yùn)行年限為9a）、2011年8月（更換時(shí)分子篩運(yùn)行年限為6a）和2021年1月（更換時(shí)分子篩運(yùn)行年限近9a），2004年6月發(fā)生過(guò)一次干燥空氣帶水事故，因發(fā)現(xiàn)及時(shí)未造成大的影響。空分分子篩系統(tǒng)條形分子篩、球形氧化鋁生產(chǎn)廠家均為上海環(huán)球分子篩有限公司；惰性瓷球裝填在最底部，起支撐和分布?xì)怏w的作用，裝填量為6000kg?？辗址肿雍Y歷年更換／裝填情況見(jiàn)表1。

表1 空分分子篩歷年更換／裝填情況

第三爐空分分子篩裝填于2011年8月，使用期間2016年系統(tǒng)停車5個(gè)月（0.42a）、2017年系統(tǒng)停車3個(gè)月（0.25a）、2018年系統(tǒng)停車1.5個(gè)月 （0.13a）、2019年系統(tǒng)停車1個(gè)月（0.08a），截至2020年12月，第三爐空分分子篩實(shí)際運(yùn)行時(shí)間為8年零8個(gè)月（8.67a），遠(yuǎn)超廠家設(shè)計(jì)使用壽命。

2.2 分子篩運(yùn)行參數(shù)分析

2.2.1 分子篩吸附及再生過(guò)程

空分分子篩系統(tǒng)設(shè)計(jì)為2 臺(tái)吸附器（A2626A／B），一臺(tái)運(yùn)行時(shí)另一臺(tái)再生，運(yùn)行和再生時(shí)間（切換周期）為2.8h。運(yùn)行時(shí)分子篩設(shè)計(jì)入口溫度為8℃、設(shè)計(jì)出口溫度為12℃，實(shí)際運(yùn)行時(shí)分子篩入口溫度在8～11℃、出口溫度在12～17℃。

空分分子篩再生過(guò)程設(shè)計(jì)為九步——預(yù)泄壓、泄壓、預(yù)加熱、加熱、冷吹、預(yù)均壓、均壓、預(yù)切換、切換；其中，第四步為加熱——用0.98MPa蒸汽加熱再生氣至160℃以上進(jìn)行熱再生，第五步為冷吹——用3.3℃的再生氣將分子篩床層冷卻至30℃以下。這兩步屬于再生過(guò)程中的關(guān)鍵步驟，直接決定了分子篩再生效果的好壞。隨機(jī)抽取第三爐空分分子篩投運(yùn)以來(lái)再生過(guò)程中的加熱峰值、冷卻峰值，具體見(jiàn)表2?？梢钥闯觯涸诩訜岱逯祹缀醪蛔兊那闆r下，冷卻峰值逐年上漲，表明分子篩的吸附效果在下降。

表2 第三爐分子篩再生過(guò)程加熱峰值與冷卻峰值 ℃

2.2.2 泄壓、加熱結(jié)束時(shí)吸附器出口溫度

隨機(jī)抽取第三爐空分分子篩投運(yùn)以來(lái)再生過(guò)程中泄壓、加熱結(jié)束時(shí)分子篩吸附器出口溫度數(shù)據(jù)，具體見(jiàn)表3?？梢钥闯觯盒箟?、加熱結(jié)束時(shí)吸附器出口溫度逐年上漲，表明分子篩解吸能力越來(lái)越弱，也就意味著分子篩吸附深度越來(lái)越差，最終影響分子篩的吸附效率；因分子篩吸附能力下降，再生過(guò)程中所需熱量就會(huì)減少，最終冷吹溫度會(huì)上升，分子篩吸附效果變差。

表3 泄壓、加熱結(jié)束時(shí)分子篩吸附器出口溫度 ℃

3 分子篩運(yùn)行的影響因素

（1）分子篩浸水。分子篩使用壽命在很大程度受工藝條件的影響，第三爐空分分子篩在近9a的運(yùn)行中操作控制較好，沒(méi)有發(fā)生浸水、浸酸等污染事故，未影響分子篩的正常使用壽命。

（2）分子篩底部篩網(wǎng)破損、塌陷。2013年裝置小修、2014年裝置大修、2016年裝置大修、2017年裝置冬季停車檢修等四次檢修時(shí)，未發(fā)現(xiàn)分子篩上部塌陷，表明篩網(wǎng)未破損；這四次檢修期間均對(duì)分子篩進(jìn)行了少量補(bǔ)加，并把上部攤平，以保證氣流正常分布，防止發(fā)生偏流。

（3）分子篩粉化、塌陷。平時(shí)在分子篩底部導(dǎo)淋處檢查分子篩再生氣無(wú)粉末，表明分子篩無(wú)粉化現(xiàn)象。2018年1月裝置冬季檢修時(shí)，打開(kāi)分子篩吸附器（A2626A／B）人孔進(jìn)行檢查，分子篩粒度完整，無(wú)粉化現(xiàn)象，但偶有顆粒表面粗糙和顆粒斷裂現(xiàn)象（程度輕而無(wú)需處理）；底部導(dǎo)淋處未見(jiàn)條形分子篩及球形氧化鋁泄漏，表明底部篩網(wǎng)完好，無(wú)泄漏；頂部平整無(wú)異常，表明氣流分布正常，無(wú)偏流。

（4）分子篩再生不徹底。分子篩再生時(shí)，需保證再生溫度和時(shí)間，再生加熱溫度控制在200℃以上，冷吹時(shí)間必須保證其溫度降至常溫，分子篩再生不徹底、（系統(tǒng)停車）分子篩放置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等，均會(huì)影響分子篩的吸附質(zhì)量與效果。2016年裝置大修后，分子篩放置時(shí)間超過(guò)7個(gè)月，2017年冬季裝置停車后停運(yùn)3個(gè)月，停車前雖經(jīng)加熱再生及防凍處理，但由于當(dāng)時(shí)再生氣量?。ㄕ饬?3000m3／h，當(dāng)時(shí)因使用儀表空氣再生，實(shí)際再生氣量非常小，只有1000 m3／h）、壓力低，再生過(guò)程中發(fā)生氣體偏流，部分分子篩再生并不徹底或未再生，為此，我們采取在吸附器罐體外部增設(shè)伴熱和保溫設(shè)施的保護(hù)措施（以保證冬季吸附器內(nèi)溫度為常溫，防止含水條形分子篩和球形氧化鋁凍裂粉化），系統(tǒng)重啟后分子篩吸附效果未下降。

（5）分子篩充壓或泄壓快，分子篩粉化。分子篩充壓或泄壓必須按照程序進(jìn)行，并自動(dòng)切換再生。每天切換后泄壓時(shí)，檢查底部導(dǎo)淋處未發(fā)現(xiàn)分子篩粉末，表明分子篩未出現(xiàn)粉化現(xiàn)象。

（6）上游預(yù)冷系統(tǒng)溫度太高，導(dǎo)致分子篩入口溫度高。當(dāng)前2臺(tái)分子篩吸附器的運(yùn)行參數(shù)均在許可范圍內(nèi)，但吸附器出口溫度較設(shè)計(jì)值稍高，原因是夏季空分預(yù)冷系統(tǒng)深冷水達(dá)不到設(shè)計(jì)溫度5℃（一般偏高1～2℃），以及2018年水冷塔噴頭堵塞嚴(yán)重致預(yù)冷系統(tǒng)深冷水溫度偏高3℃左右，繼而導(dǎo)致分子篩吸附器入口溫度基本上在9～11℃，較設(shè)計(jì)值8℃略偏高。

4 延長(zhǎng)分子篩使用壽命的保護(hù)措施

（1）嚴(yán)格按照切換周期切換分子篩吸附器，執(zhí)行分子篩吸附器切換記錄確認(rèn)表；關(guān)注分子篩再生過(guò)程中的加熱峰值與冷卻峰值，中控（人員）記錄每一次加熱與冷吹峰值；編制分子篩吸附器切換記錄表，對(duì)分子篩吸附器切換過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控并記錄有關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行處理。

（2）中控每小時(shí)查看1次分子篩DCS畫(huà)面，檢查出口空氣中CO2、CH4微量變化情況；中控與現(xiàn)場(chǎng)崗位每班執(zhí)行冷箱檢查表；定期校驗(yàn)分子篩出口CO2含量檢測(cè)儀，中化（人員）定期分析分子篩出口CO2含量，并與CO2含量檢測(cè)儀示數(shù)對(duì)比。

（3）在保證后工段需要的情況下，按需控制空分裝置負(fù)荷；分子篩底部疏水器定期檢查，保證疏水暢通；上游預(yù)冷系統(tǒng)保證洗滌降溫正常，控制預(yù)冷塔液位正常，保證氣體不帶水。

（4）停車后必須打開(kāi)人孔檢查分子篩頂部，確認(rèn)有無(wú)塌陷，并平整頂部，必要時(shí)補(bǔ)充分子篩；冬季停車必須對(duì)未再生分子篩吸附器罐體外部增設(shè)伴熱和保溫（設(shè)施），防止含水條形分子篩和球形氧化鋁凍裂粉化；冬季停車必須對(duì)未再生分子篩用干燥空氣或氮?dú)膺M(jìn)行再生。

（5）分子篩吸附器開(kāi)人孔檢查后，必須及時(shí)封人孔，不過(guò)夜，防止晚間下雨雪或長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)人孔而致空氣中水分被分子篩吸附；雨天或空氣濕度大時(shí)，嚴(yán)禁打開(kāi)分子篩吸附器人孔檢查。

5 結(jié)束語(yǔ)

空分裝置是氣頭或煤頭合成氨裝置、甲醇裝置或煤化工裝置等的龍頭，必須進(jìn)行安全分析，并采取保護(hù)措施保證其安全、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行，尤其是對(duì)分子篩的保護(hù)須做好做到位，若分子篩對(duì)空氣吸附不合格，會(huì)使分子篩出口空氣中帶水或帶CO2進(jìn)入冷箱，容易結(jié)冰（或干冰）堵塞低溫管線，嚴(yán)重時(shí)會(huì)凍裂低溫管線，此種情況下檢修周期長(zhǎng)（約1個(gè)月），將嚴(yán)重影響企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)與經(jīng)濟(jì)效益。天野化工有20多年的空分分子篩運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，尤其是第三爐空分分子篩使用近9a（第四爐空分分子篩于2021年1月完成更換），實(shí)際使用壽命遠(yuǎn)超廠家設(shè)計(jì)使用壽命，表明天野化工在空分分子篩使用過(guò)程中采取的安全保護(hù)措施是有效且到位的，可為業(yè)內(nèi)空分分子篩的運(yùn)行與保護(hù)提供一些參考與借鑒。