程曉城,莊正杰,劉躍康 ,王 晨

(酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心,甘肅 酒泉 732750)

1 前 言

某制氧車間采用的全液體空分設(shè)備以空氣為原料,通過壓縮、凈化、換熱、達(dá)到低溫液化后,利用氧、氮沸點(diǎn)不同,實(shí)現(xiàn)氧氮分離達(dá)到獲得產(chǎn)品分離的目的。

生產(chǎn)間歇期內(nèi),增加預(yù)冷機(jī)組降低進(jìn)純化器溫度。改造完成后,在設(shè)備開車72 h后,主換熱器循環(huán)氣通道出現(xiàn)堵塞,并且類似的問題在后續(xù)生產(chǎn)中多次發(fā)生。造成主換熱器堵塞的主要根源有機(jī)械雜質(zhì)和氣體雜質(zhì),機(jī)械雜質(zhì)包括粉塵、金屬顆粒物等,氣體雜質(zhì)包括水分、碳?xì)浠衔?、二氧化碳等?/p>

問題分析處理過程中,首先對(duì)循環(huán)管路中的過濾器、各管路進(jìn)行拆卸檢查,未發(fā)現(xiàn)有可能造成堵塞的機(jī)械雜質(zhì)。而后在管路加溫吹除后在線監(jiān)測露點(diǎn),露點(diǎn)均低于-65℃,可以排除水分原因造成堵塞。造成系統(tǒng)堵塞的原因可能為CO2和碳?xì)浠衔?。結(jié)合生產(chǎn)環(huán)境及取樣分析結(jié)果,進(jìn)氣環(huán)境中碳?xì)浠衔锖糠弦?因此推斷是CO2在高壓低溫下凝固逐漸積聚造成主換熱器循環(huán)氣通道堵塞的可能性最大。

2 CO2超標(biāo)現(xiàn)象

該設(shè)備的原料空氣凈化裝置填充吸附劑為13X-APG型分子篩。2只吸附桶,1用1再生、運(yùn)行周期為8 h。進(jìn)塔原料空氣中CO2經(jīng)分子篩吸附,設(shè)計(jì)指標(biāo)為其含量小于1×10-6。

對(duì)純化器前、后氣體取樣,化驗(yàn)分析樣品的總烴、總碳含量,經(jīng)化驗(yàn)純化器前總烴約7.4×10-6,總碳則約300×10-6,純化器后總烴約7.4×10-6,總碳約130×10-6?？諝庵蠧O2含量0.03%～0.04%,CO含量為9×10-6,CO2含量遠(yuǎn)大于CO,可判定純化器后氣體總碳中主要為CO2,并且已大大超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的1×10-6,如表1所示。

表1 純化器前后氣體化驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 CO2超標(biāo)導(dǎo)致的后果

純化器后空氣CO2超標(biāo),帶入空分塔內(nèi)的CO2增多。CO2低溫高壓條件下達(dá)到飽和而凝結(jié)析出,堵塞主換熱器通道、冷凝蒸發(fā)器通道和塔板篩孔。嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)制冷量不足,進(jìn)塔空氣量減小、產(chǎn)量降低甚至出現(xiàn)液泛、產(chǎn)品純度不合格等情況,縮短了設(shè)備運(yùn)行周期。全液體空分設(shè)備設(shè)計(jì)運(yùn)行周期為6個(gè)月,實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)堵塞后,最短僅為3 d,嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)程。

4 純化器工作狀態(tài)

該設(shè)備主要采用純化器凈化原料空氣,純化器中裝填13X-APG型分子篩。主要利用分子篩內(nèi)部多孔型結(jié)構(gòu)對(duì)極性分子和不飽和分子具很強(qiáng)附能力來凈化空氣中氣體雜質(zhì)。各種氣體雜質(zhì)穿過13X-APG型分子篩的狀態(tài)如表2所示。從表2可以看出,13X-APG型分子篩對(duì)CO2的吸附能力居中,在同樣的工況下要完全吸附CO2需要裝填更多的分子篩。吸附劑的使用壽命受環(huán)境和使用頻率的影響比較大。受間歇性生產(chǎn)的影響,每次生產(chǎn)結(jié)束后,有一只吸附桶內(nèi)分子篩處于飽和狀態(tài),相當(dāng)于長期處于不利環(huán)境而未進(jìn)行有效處理,導(dǎo)致分子篩使用壽命下降。由于該套設(shè)備使用年限較長且未配備在線監(jiān)測設(shè)備,僅在純化器后有一臺(tái)露點(diǎn)儀,露點(diǎn)僅能表示吸附后原料空氣中水分的含量,不能表征其他如二氧化碳、碳?xì)浠衔锏鹊暮俊?/p>

表2 分子篩吸附雜質(zhì)順序表

5 分子篩出口CO2含量超標(biāo)原因分析

分子篩出口氣體中CO2含量超標(biāo)的原因可能有:分子篩質(zhì)量不合格;分子篩再生不徹底;分子篩粉化、中毒;純化器壓力波動(dòng);氣體帶水造成分子篩吸附能力下降等。

5.1 質(zhì)量問題

開車結(jié)束后對(duì)純化器1號(hào)、2號(hào)吸附筒內(nèi)分子篩進(jìn)行取樣,對(duì)比密封儲(chǔ)存的全新分子篩,外觀無明顯變化,破碎分子篩無明顯增多。將分子篩使用周期由原來的8 h縮短為6 h,通過對(duì)比,堵塞趨勢較以往開車中有所減緩。

隨后按計(jì)劃對(duì)兩組純化器分子篩逐一進(jìn)行更換,而后組織開車運(yùn)行測試。9 d后,2#膨脹機(jī)增壓機(jī)出口與膨脹機(jī)進(jìn)口壓差從10 kPa逐漸升至160 kPa,又出現(xiàn)堵塞問題,通過取樣化驗(yàn)發(fā)現(xiàn),分子篩后氣體CO2含量約10×10-6～20×10-6,仍不滿足要求。由于分子篩為新購置更換,結(jié)合實(shí)際情況咨詢分子篩廠家技術(shù)人員,協(xié)調(diào)分子篩供應(yīng)商對(duì)分子篩進(jìn)行檢測,經(jīng)檢驗(yàn)分子篩檢驗(yàn)項(xiàng)目指標(biāo)符合要求,不存在分子篩質(zhì)量問題。但底部取樣分子篩強(qiáng)度明顯降低,吸附能力較新品有所下降,有遇明水的可能。

5.2 再生不徹底

根據(jù)操作要求,再生時(shí)分子篩吸附劑的加熱溫度控制在170℃以上,出口溫度達(dá)到100℃時(shí)停止加熱進(jìn)入冷吹階段,峰值控制在140℃以上。冷吹峰值是判斷分子篩再生完善程度的重要指標(biāo),峰值越高,再生完善度越高;峰值降低,再生完善度也會(huì)相應(yīng)下降,吸附性能下降。可能導(dǎo)致純化器出口中CO2的含量超標(biāo)。

分子篩更換后二氧化碳超標(biāo)問題再次出現(xiàn),決定徹底活化分子篩。按分子篩活化再生要求:再生氣流量800 m3/h,控制再生氣溫度220℃,再生氣出口溫度達(dá)150℃停電加熱爐,冷吹峰值達(dá)192℃,兩組純化器各活化一個(gè)周期后轉(zhuǎn)入正常操作流程,控制再生氣進(jìn)口溫度170℃,再生氣出口溫度達(dá)100℃時(shí),停電加熱爐冷吹,峰值達(dá)150℃。根據(jù)出口峰值來看,純化器再生徹底,不是造成CO2超標(biāo)的原因。

5.3 分子篩中毒、粉化

打開頂部的分子篩吸附劑填裝孔,取出部分吸附劑,觀察其顏色、形狀是否發(fā)生改變、粒度大小及是否發(fā)生粉化,判斷分子篩是否有失活、中毒及粉化等情況。觀察內(nèi)部填裝情況,分子篩床層上表面平整無沉降。從下部封頭人孔觀察,未發(fā)現(xiàn)明顯粉末。經(jīng)過以上檢查可排除分子篩中毒、粉化導(dǎo)致出口CO2超標(biāo)的可能。

5.4 空氣壓力波動(dòng)

查看純化器空氣壓力、出口溫度等歷史數(shù)據(jù),其數(shù)值平穩(wěn)無明顯波動(dòng)。若床層表面不平,會(huì)導(dǎo)致空氣分布不均,出口溫度則會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的波動(dòng);查看二氧化碳超標(biāo)期間的純化器出口溫度曲線變化趨勢,無異常數(shù)據(jù)。純化系統(tǒng)在運(yùn)行過程中,溫度曲線沒有異常變化,可判斷純化器內(nèi)空氣壓力無異常情況,可排除該原因?qū)е路肿雍Y出口CO2含量超標(biāo)的可能性。

5.5 氣體帶水

根據(jù)空分流程,空氣預(yù)冷系統(tǒng)設(shè)置在純化系統(tǒng)之前,可采取一定的防止氣體帶水措施。如果空氣預(yù)冷系統(tǒng)出現(xiàn)氣體帶水,油水分離器會(huì)分離掉游離水分。一旦油水分離器分離效果不夠,水分會(huì)進(jìn)入純化器,導(dǎo)致分子篩進(jìn)水失效?？赡軐?dǎo)致純化器后氣體中CO2含量超標(biāo)。

農(nóng)村居家養(yǎng)老服務(wù)是為了服務(wù)農(nóng)村居家老人，本研究從內(nèi)、外部環(huán)境客觀地對(duì)農(nóng)村居家養(yǎng)老模式進(jìn)行分析之后得出SWOT矩陣分析圖（圖4）。

該套空分設(shè)備在完成了預(yù)冷機(jī)組改造以后,流程為:原料空氣兩級(jí)壓縮后經(jīng)系統(tǒng)原有油水分離器,進(jìn)入預(yù)冷機(jī)冷卻后再經(jīng)過預(yù)冷系統(tǒng)油水分離器進(jìn)入純化器(見圖1)。進(jìn)純化器溫度由原來的35℃降低至8℃,壓力無變化。

圖1 預(yù)冷機(jī)原流程

經(jīng)查相關(guān)數(shù)據(jù)可知,進(jìn)純化器溫度均值為溫度35℃,對(duì)應(yīng)飽和含水量為39.45 g/m3。在加裝預(yù)冷機(jī)后,進(jìn)純化器溫度為8℃,對(duì)應(yīng)的飽和含水量為8.28 g/m3。液體空分加工空氣量為2500 m3/h,純化器運(yùn)行一個(gè)周期為8 h。壓力0.6 MPa,35℃時(shí),一個(gè)周期水分含量為:

M=ρs·V·h

=39.45×10-3kg/m3×(2500÷6)m3/h×8 h

=131.5 kg

壓力0.6 MPa,溫度8℃時(shí),一個(gè)周期水分含量為:

=8.28×10-3kg/m3×(2500÷6)m3/h×8 h

=27.6 kg

在加裝預(yù)冷機(jī)后,原料氣溫度由35℃降至8℃時(shí),純化器一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)氣體水分含量減少103.9 kg。其余水分以游離態(tài)或液體水形式混合于空氣中,析出的水分經(jīng)預(yù)冷機(jī)后油水分離器排除。若排除不徹底,將會(huì)有明水進(jìn)入分子篩,造成純化器底部分子篩被明水浸泡,強(qiáng)度降低,純化器有效吸附面積減小,致使純化器后CO2超標(biāo)。通過分析表3發(fā)現(xiàn),預(yù)冷機(jī)運(yùn)行時(shí),CO2含量均值為6.6×10-6;預(yù)冷機(jī)未運(yùn)行時(shí),CO2含量均值為4.0×10-6。預(yù)冷機(jī)是否運(yùn)行對(duì)純化器后氣體CO2含量影響比較直接。再結(jié)合表2分析結(jié)果,可以說明是預(yù)冷機(jī)油水分離器分離能力不夠,致使部分析出的水分進(jìn)入純化器底部,分子篩帶水造成對(duì)CO2吸附能力不夠,導(dǎo)致純化器后CO2含量超標(biāo)。

表3 純化器后氣體CO2含量分析結(jié)果

經(jīng)過逐一排查,最終確認(rèn)導(dǎo)致純化器后CO2超標(biāo)的原因是:預(yù)冷機(jī)流程不合理致使純化器分子篩帶水,吸附能力下降。

6 處理措施

6.1 優(yōu)化預(yù)冷機(jī)流程

在增設(shè)預(yù)冷機(jī)時(shí)考慮到預(yù)冷機(jī)組自帶油水分離器 ,將預(yù)冷機(jī)組放置在油水分離器后,純化器前。通過分析得知,由于預(yù)冷機(jī)冷凝析出的水分超過了自帶油水分離器的處理能力,造成分子篩帶水。為了加強(qiáng)預(yù)冷機(jī)后析出水分的分離,將原有流程修改為預(yù)冷機(jī)組放置在空分設(shè)備自帶油水分離器之前,加大對(duì)析出水分的分離吹出,確保分子篩的工作效率,見圖2。

圖2 改造后預(yù)冷機(jī)流程

6.2 更換分子篩

根據(jù)分子篩返廠化驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行分析,純化器底部分子篩有遇明水的可能。經(jīng)明水浸泡的分子篩完全解吸需要500～550℃高溫進(jìn)行再生,受電加熱爐溫度限制和純化器電磁閥耐高溫低于250℃限制,現(xiàn)有條件無法進(jìn)行完全再生。為解決分子篩后CO2超標(biāo)問題,對(duì)在用分子篩進(jìn)行更換。在通過預(yù)冷機(jī)流程優(yōu)化、分子篩更換后,在測試以及正常生產(chǎn)中均未出現(xiàn)主換熱器堵塞的現(xiàn)象。并取樣分析,純化器后CO2達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo),平均值在0.45×10-6左右。

7 結(jié) 論

純化器后CO2超標(biāo)是因?yàn)轭A(yù)冷機(jī)流程不合理、空氣冷凝水未分離完全帶入純化器,造成分子篩永久吸附對(duì)CO2吸附能力下降。針對(duì)這一問題進(jìn)行了預(yù)冷機(jī)流程優(yōu)化,更換分子篩,經(jīng)實(shí)際開車檢驗(yàn)和氣體取樣分析,出純化器后氣體中CO2達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo),確保了生產(chǎn)的順利進(jìn)行。