變壓吸附制氧工藝常見問題處理

(安徽晉煤中能化工股份有限公司，安徽 臨泉 236400)

1 原理及工藝流程

1.1 變壓吸附制氧基本原理

變壓吸附制氧的基本原理是，原料空氣經鼓風機進口過濾器去除雜質后進入鼓風機，被鼓風機增壓后，通過管道和氣動切換閥門進入吸附劑床層，原料空氣中的水分和二氧化碳被底部的13X吸附劑吸附，凈化后的空氣在吸附器內繼續上升，經過PU-8制氧吸附劑的過程中氮氣逐漸被吸附，從而在吸附器頂部富集到氧氣。產品氧氣從吸附器頂部流出后，進入氧氣緩沖罐，再經增壓，供造氣崗位使用。

為了連續獲得氧氣，一般設兩個或兩個以上的吸附器，一個吸附器在較高壓力下吸附空氣中的氮氣，從吸附器出口端獲得產品氧氣；其他的吸附器在較低壓力下解吸或升壓，以便在下一個周期內吸附原料空氣中的氮氣。幾個吸附器輪流切換，從而達到連續產氧的目的。

對于VPSA制氧工藝，每個周期都必須完成吸附、順向放壓、真空解吸、清洗、均壓、升壓等步驟。

吸附 空氣經過吸附床層，氮氣被吸附，當吸附器達到一定壓力后，產品氧氣流入氧氣緩沖罐。

順向放壓 吸附結束后，吸附器上部氣體含氧量相對較高，將這部分氣體順向放至低壓吸附器。

真空解吸 順向放壓結束后，吸附器壓力還是較高，需要通過抽真空的方法使吸附器壓力進一步降低，將解吸的氮氣抽出放空。

清洗 在吸附器抽真空達到最低解吸壓力之前，將氧氣從頂部通入吸附器，同時從底部繼續抽真空，使吸附的氮氣進一步解吸。

均壓 吸附器再生結束后，將完成吸附的吸附器從頂部通入氣體，同時對吸附器從底部繼續抽真空。

升壓 均壓后吸附器壓力仍較低，利用氧氣緩沖罐中的產品氣從頂部送入吸附器，同時從吸附器底部引入空氣，對吸附器進行升壓。

以上各步驟循環進行，即可實現空氣的氧氮分離，從而得到符合要求的產品氧氣。各工作步驟的切換，是靠氣動切換閥來實現的，氣動閥門根據控制系統程序的設定實現自動開啟和關閉。

1.2 VPSA制氧裝置系統組成

VPSA制氧裝置由鼓風機系統、真空泵系統、吸附系統、儀表控制系統、電氣控制系統、儀表空氣系統、氧氣增壓系統共七部分組成。

鼓風機系統 為制氧裝置提供原料空氣，將空氣加壓后送入吸附器。此系統主要由鼓風機進氣過濾器、鼓風機、鼓風機出口冷卻器和相應的管道及閥門組成。

真空泵系統 在吸附結束后對吸附器抽真空，將解吸的氮氣排出系統。此系統主要由真空泵、真空泵出口消音室和相應的管道及閥門組成。

吸附系統 空氣中氧氣和其他組分(氮氣、水分、二氧化碳等)分離的場所，其他組分被吸附劑吸附，而氧氣吸附較少，在吸附器頂部得到富集，從而將氧氣從空氣中分離出來。此系統主要由吸附器(內裝有各種吸附劑及填料)、氧氣緩沖罐和相應的管道及閥門組成。

儀表控制系統 用來控制制氧裝置的啟動、停止，通過各氣動閥門的自動運行實現各步驟的切換。此系統主要由上位機、儀表控制柜、傳感器、變送器等現場儀表監控系統，自動控制硬件、自動控制軟件、自動控制程序等辦公室操作系統，氣動切換閥門和氣動調節閥門等流量控制系統組成。

電氣控制系統 為制氧裝置內的動力裝置等用電設備提供電源及控制動力設備的啟動、停止及保護。此系統主要由電氣控制柜、電氣操作開關、電氣自動化保護、動力電纜和控制電纜等部分組成。

儀表空氣系統 為氣動控制閥門提供高壓、清潔、連續、充足的氣源，保證氣動控制閥門可以順利開關。此系統主要由空氣壓縮機、干燥機、空氣過濾器和相應的管道及控制閥門組成。

氧氣增壓系統 從吸附器流出的氧氣收集在氧氣緩沖罐內，輸出壓力為20 kPa左右，經氧氣增壓裝置加壓后達到要求的供氧壓力，供用戶使用。此系統主要由氧氣增壓風機、氧氣增壓風機后冷器、低壓氧氣緩沖罐和供氧管道組成。

1.3 裝置性能指標

氧氣純度 80%

氧氣輸出壓力 45 kPa(表)

啟動時間 15～30 min

電耗 0.415±0.02 kW·h/m3(折純氧計，按電源進線柜電度表有功功率計量，包括鼓風機、真空泵、氧氣增壓機、儀表用電等)

2 常見故障及排除方法

2.1 導致氧氣純度降低的原因

氧氣純度降低通常是由于其他氣體流進或流出吸附塔，或者是因為過度加大產品氧氣產量造成的。但是，氧氣純度降低也可能是其他未知原因造成的，因此需要檢查來確定氧氣純度降低的原因。

當氧氣純度出現問題時，應首先比較吸附塔的實際壓力曲線和平時正常壓力曲線是否一致，特別是解吸壓力是否達到正常的解吸壓力。造成壓力偏差的一個常見原因就是閥門開關故障或者在循環過程中開關位置不正常。確定是哪些閥門出現故障需要搞清在循環過程中壓力出現偏差時處于循環過程的哪個階段，將各個閥門正常的開關位置與實際開關情況進行比較，就可以判斷。

2.2 導致氧氣流量降低的原因

鼓風機進氣過程有損失會造成吸附塔內進氣量不足，從計算機上檢測到的吸附塔頂部壓力變化可以診斷以上問題。造成以上現象的原因可能是因為進氣時鼓風機放空閥(氣動閥及手動閥)泄漏造成，也可能是鼓風機進氣閥門和真空泵抽氣閥門泄漏，氣體異常流動造成。吸附塔頂部開關閥開關不正常，或者調節閥在循環過程中開度不準確，也會造成流量不正常，此時需檢查開關閥動作情況或者重新校正調節閥的開度。

2.3 導致純度及產量降低的其他因素

真空泵密封水進水量不足會造成真空泵抽氣不足，導致真空度不夠，吸附劑解吸不徹底，影響產量及純度。

環境溫度變化會導致空氣進氣量變化，在不同的季節流量不一樣。

換熱器的冷卻效果降低會導致進入吸附器的氣體溫度升高，影響吸附性能，應定期檢查換熱器后氣體的溫度及吸附塔頂部的溫度，換熱器后的氣體溫度不宜超過40 ℃。

2.4 氧氣產量和純度異常的排除方法(表1)

3 吸附劑相關注意事項

確保吸附劑與會造成其性能嚴重下降的環境相隔絕。可能的因素主要如下。

(1)水 除了正常進氣所帶水蒸氣外，不應該有其他液態水或水蒸氣進入吸附塔。

(2)化學污染 禁止超過可覺察數量的氯氣或者氯的化合物，硫或者硫的化合物或者碳氫化合物進入吸附塔。

(3)二氧化碳 吸附劑再生后不應該有二氧化碳聚集存留在吸附塔內。

如果出現以上情況，會對吸附劑造成不可挽救的損壞。因此，必須熟悉、理解并實施以下的措施來預防這些情況的發生。

3.1 預防水污染

一定數量的水蒸氣會隨著原料氣進入吸附塔并被吸附塔底部的吸附劑所吸附。吸水受潮后的吸附劑會失去吸附氮氣的能力，也會使整個分離過程失去作用。正常的狀況在工藝流程設計中已說明。

正常吸附過程中，空氣中所含水分將被吸附器底部分子篩吸附并通過真空泵解吸。但如果所進氣量中水分超過分子篩的吸附能力，則會造成上部PU-8分子篩失效，從而影響整個裝置的正常生產。除鼓風機進氣所含水外其他水的進入及不正常的操作工況都會造成多余水進入。

因為解吸過程中吸附塔在一段時間內存在負壓，此時潮濕的空氣可能通過吸附器上部進入吸附塔內部，因此必須嚴格檢查吸附塔上部法蘭及閥門連接處、氣動閥門閥軸密封處等可能存在隱患的地方，以盡可能減少漏氣的可能。

如果長時間存在以上所說的泄漏，分子篩將會因吸附潮濕空氣并且不能解吸而失效，出現這種情況將會影響吸附劑的吸附效果，從而影響整個裝置的性能。

因為分子篩在潮濕的空氣中極易吸水，所以吸附器非必要情況下不能打開。如有疑問可以聯系北大先鋒工程技術部咨詢。

盡管液態水進入吸附塔的幾率非常小，但以下情況需注意。

(1)正常情況下鼓風機排氣管道不應該有液態水存在，如果出現液態水，則有可能是鼓風機后換熱器漏水，應經常檢查換熱器封頭處閥門是否有水。

(2)隨著真空泵的運行，密封水被吸入到真空泵內。正常運行時，通過真空泵后氣水分離器及消音器放空。應注意采取預防措施，防止密封水進入吸附塔。

3.2 預防化學污染

本套裝置正常運轉時鼓風機吸入氣體應該為空氣。如果含有過多的硫、硫化物及氯、氯化物或碳氫化合物，可能會造成分子篩失效。所以如果可能存在以上現象，則應立即停運裝置。