吳潤鈿 謝明財 劉永平

(中央儲備糧揭陽直屬庫有限公司 522000)

碳分子篩是變壓吸附制氮機的核心部件,制氮設備的性能高低主要取決于碳分子篩的性能高低。碳分子篩利用微孔的篩分特性分離氧氣和氮氣,分子篩的比表面積越大、孔徑分布越均勻、微孔數量越多,吸附量就越大,氮氧分離效果就越好。制造工藝和裝填技術是碳分子篩的比表面積、微孔數量和孔徑分布等性能指標的主要決定因素,但運行過程中設定的產氣時間、均壓時間、操作壓力和使用溫度也會對碳分子篩的使用性能產生影響,特別是原料空氣質量對碳分子篩的使用性能影響尤為明顯。這是由于空氣中含有一定的水和油蒸汽,壓縮空氣如果不經嚴格的凈化處理,水蒸汽會增加碳分子篩的吸附“負荷”,影響其吸附氧氣的能力,而油蒸汽則容易被碳分子篩吸附,并且難以脫附,堵塞分子篩微孔,使氧氣、氮氣都不能進入到微孔中,進而使碳分子篩的分離性能逐漸降低,甚至起不到分離的作用,導致分子篩“中毒”失效。因此,在壓縮空氣進入吸附塔前,設置嚴格有效的空氣凈化裝置,全力做好壓縮空氣的凈化處理工作就顯得尤其重要?；谝陨峡紤],中央儲備糧揭陽直屬庫有限公司(以下簡稱“揭陽直屬庫”)通過改造制氮系統(tǒng)中的空氣凈化裝置,強化空氣凈化能力,進一步提高壓縮空氣的干燥、干凈程度,改善碳分子篩的運行工作環(huán)境,提高碳分子篩性能,進而實現(xiàn)提高制氮設備產氣量和產氣純度、延長制氮設備使用壽命以及降低能耗的目的。

1 制氮系統(tǒng)改造前基本情況

1.1 制氮系統(tǒng)配置情況

揭陽直屬庫固定式變壓吸附制氮系統(tǒng)于2020年投入使用,設計氮氣產量350 Nm3/hr,產氣純度99.5%?？諌簷C為風冷式噴油螺桿空壓機。該制氮系統(tǒng)空氣凈化裝置主要包含高效除油器、冷凍式壓縮空氣干燥機、兩級精密過濾器和活性炭過濾器等裝置。

1.2 制氮系統(tǒng)工作原理和工藝流程

變壓吸附簡稱PSA,是指在絕熱等溫條件下,利用氣體組分在加壓時被吸附劑吸附,在減壓時自動脫附的一種循環(huán)工作過程,從而實現(xiàn)氣體混合物分離的一種常溫氣體分離技術。變壓吸附制氮系統(tǒng)是以碳分子篩為吸附劑,利用加壓吸附,降壓解吸的原理從空氣中吸附和釋放氧氣,從而分離出氮氣的自動化設備。基本流程:原料空氣進入空氣壓縮機后,壓縮成壓縮空氣,隨后經一系列空氣凈化裝置進行嚴格的除油、除水、除塵,處理成干凈的壓縮空氣,再送入變壓吸附制氮機的兩個裝有碳分子篩的吸附工作塔,經加壓吸附、降壓解吸循環(huán)交替從空氣中吸附和釋放氧氣、二氧化碳等需要分離的組分,從而源源不斷地制備出符合純度要求的氮氣。

1.3 制氮系統(tǒng)使用情況

制氮系統(tǒng)投入使用兩年后,當產氣純度99.0%時,實際產氣量只有約270 Nm3/h,產氣量達不到設計要求。

2 制氮系統(tǒng)改造情況

2.1 增加安裝油水分離過濾器

在空氣緩沖罐后方加裝1個型號為10/1.25 MPa的不銹鋼材質油水分離過濾器,主要工作原理如下:當壓縮空氣進入油水分離過濾器后,通過筒狀網眼過濾芯時產生聚結效應,大一點的顆粒將被吸附在濾材上,而水分則會凝結成較大的水滴;進入分離室時,壓縮空氣速度減緩,使得顆粒再次聚集,水霧再次凝結在一個蜂窩狀的聚水上,載著雜質顆粒的水沿著底部流到排水裝置,通過自動排水閥排出;壓縮空氣通過多層纖維過濾網時,會產生眾多的小漩渦,同時壓縮空氣被加速,形成真空狀態(tài),使沒有被濾除的水滴再次被氣化、轉換、濾除,有效去除壓縮空氣中的細微油污、殘留水分及其它雜質,綜合提高空氣凈化裝置的凈化效果。該過濾器具有耐高壓、濾芯易更換、處理水量大、占地面積小、過濾效果好等特點。

2.2 更換自動排水器

原制氮系統(tǒng)在高效除油器、冷凍式壓縮空氣干燥機、兩級精密過濾器、活性炭過濾器和空氣緩沖罐等部位配置了6個電子式自動排水器,這些排水器通過電磁閥控制閥門的開關,并通過開關調節(jié)自動排水開啟的時間和周期。使用過程中存在如下不足:管道比較小、濾網比較小,易堵塞造成排水不暢,加之有一定的使用壽命限制,損壞或排水不順暢時,難以及時發(fā)現(xiàn)。為此,將上述排水器更換為球形物理自動排水器,型號為HAD20B,直徑100 mm,高度110 mm,口徑25 mm,浮球結構,由鋁合金壓鑄,過濾精度0.001 ppm,最大工作壓力20 Bar,用于解決壓縮空氣中產生的冷凝水的自動排放問題。球形物理排水器通過內置的浮標壓力來開啟排水器,排水器里的液面上升,浮標上升,閥門就自動開啟,反之,液面下降,浮標下降,閥門關閉。由于球形物理排水器堅固耐用,加上利用的是浮球自身重量和壓縮空氣施加的壓力來進行排水,當冷凝水積累到一定程度,浮力足夠,就會自動排水,杜絕了電子排水器存在的管網偏小、線路故障誤操作、電磁閥損壞不操作等弊端,使排水更加及時、可靠,保證壓縮空氣的除水、去污效果。

2.3 改造及服務費用(見表1)

表1 空氣凈化裝置改造及服務費用

2.4 加強日常維護與保養(yǎng)

2.4.1 當系統(tǒng)運行時,要定期巡檢吸附塔工作過程中的吸附、均壓力、氣源壓力及氮氣輸出壓力是否正常,要認真做好制氮系統(tǒng)各部件、各閥門、各電氣控制系統(tǒng)的日常維護和定期保養(yǎng),防止設備發(fā)生故障,延長設備使用壽命。

2.4.2 為確保油水分離過濾器和排水器的排水去污效果,每次使用前,須擰開排水閥排污;長久未使用時,每周需對油水分離過濾器的排水閥排水一次,并根據設備使用情況,及時更換濾芯;每周需對HAD20B排水器進行檢查,操作方法如下:擰開手動排污閥,讓排水器內水液流完,直至設備內壓縮空氣進入球體內缸幾秒鐘,再關閉手閥,如排出的水液多于0.5 L,即證明自動排水器有堵塞,必須將排水器徹底清洗干凈。每年需拆出自動排水器清洗內部配件,清洗時,可使用肥皂水或洗潔精清洗,切勿使用溶劑,以免損壞橡膠類配件。

3 制氮系統(tǒng)改造效果

3.1 提高了氮氣純度和產氣量

空氣凈化系統(tǒng)經過以上改造后,制氮設備的產氣量和產氣純度均較改造前有較大提升,當產氣純度為99.5%時,氮氣產量可以達到380 Nm3/h。

3.2 延長了制氮設備使用壽命

由于進入變壓吸附制氮設備的壓縮空氣得到進一步地除水、去油凈化,降低了堵塞碳分子篩的機率,對制氮設備中的分子篩起到一定保護作用。此外,通過設置合適的均壓時間,減緩制氮過程中對吸附塔內的碳分子篩的沖擊,有效延長了制氮設備中碳分子篩的使用壽命。

3.3 經濟效益明顯

在理想狀況下,碳分子篩可以長久使用;但在實際工作中,由于裝填緊密度、使用壓力、原料空氣質量等原因,碳分子篩會受到一定程度的損壞。據中成航宇有關碳分子篩實際裝填研究,碳分子篩的壽命在正常使用下大概為6～10年,每年約以5%的產能遞減,因此,制氮系統(tǒng)使用一定年限后,需對吸附塔的碳分子篩進行補充裝填或重新裝填。目前,市面上碳分子篩價格高昂,質量比較理想的碳分子篩約為160元/kg,以我?guī)飚a氮量為350 Nm3/h的制氮系統(tǒng)為例,據廠家維保工作人員測算,重新裝填兩個吸附塔約需要1300 kg的碳分子篩,一次裝填成本超過20萬元,按10年折舊,碳分子篩使用成本約為2萬元/年;而通過空氣凈化裝置改造,設備改造費用、配件、安裝服務等費用合計8560元,預計制氮設備中碳分子篩可延長2～3年使用壽命,改造效益明顯;此外,由于制氮設備制氮產量和氮氣純度提高后,在實現(xiàn)同樣的保糧目標的情況下,可縮短開機充氮時間,也節(jié)約了充氮運行成本,能夠取得較好的經濟效益。

4 制氮系統(tǒng)改造結論

試驗表明,通過對制氮系統(tǒng)中的空氣凈化裝置進行適當改造,強化空氣凈化處理,可以進一步提高原料空氣質量,改善碳分子篩的運行工作環(huán)境,提高碳分子篩性能,進而實現(xiàn)延長制氮設備使用壽命、提高制氮設備的制氮效率和制氮質量的目的。