20000 m3/h空分設備下塔液泛 故障原因分析與處理

周金城

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司 氣體銷售分公司，安徽 馬鞍山 243000)

0　引言

馬鞍山鋼鐵股份有限公司(以下簡稱：馬鋼)氣體銷售分公司配備的20 000 m3/h空分設備由杭氧設計、制造，采用分子篩吸附器吸附凈化、液氧內壓縮、全精餾制氬、氪氙與氖氦粗制工藝流程。20 000 m3/h空分設備下塔為篩板塔，上塔、粗氬塔、精氬塔、粗氖氦塔、貧氪氙塔均為規整填料塔。20 000 m3/h空分設備精餾系統流程簡圖見圖1。

20 000 m3/h空分設備自投產，因空分設備設計、設備維護措施及設備故障原因影響，下塔發生多起液泛，對空分設備精餾工況影響大。為此，馬鋼通過空分設備技術改造、故障隱患消除、操作方法改進等處理措施，消除下塔液泛，使空分設備安全穩定運行。

1　下塔塔板設計不完善

1.1　液泛故障現象與原因分析

2004年1月16日，馬鋼20 000 m3/h空分設備初次投運，氧氣純度合格、氮氣純度未達標，純液氮節流閥V3開度較大。2004年1月18日，為提高氮氣純度，增大下塔回流比，將純液氮節流閥V3開度減至64%時，下塔發生液泛。下塔發生液泛時空分設備運行參數見表1。

圖1　20 000 m3/h空分設備精餾系統流程簡圖Fig.1　20 000 m3 /h ASU distillation system flow diagram表1　下塔發生液泛時空分設備運行參數Table 1　The ASU operating parameters when flooding occurs

　　　項目1月16日正常運行參數1月18日液泛運行參數下塔阻力/kPa15．5～15．827～33下塔壓力/kPa451～453473～481下塔液空液位/mm500～55040～130氧氣純度/%99．899．8氮氣純度/10-6O238～432000氧氣產量/(m3·h-1)1900018700低壓空氣量/(m3·h-1)4900046500中壓膨脹空氣量/(m3·h-1)2600026000高壓空氣量/(m3·h-1)2700026000

杭氧設計人員根據20 000 m3/h空分設備工藝流程與下塔設備結構特點，對下塔液泛時空分設備運行參數分析。因馬鋼20 000 m3/h空分設備設置氖氦粗制流程，分別從主冷冷凝側、下塔頂部抽取3股富含氖氦氣的氮氣作為提取粗氖氦氣的原料氣，進入粗氖氦塔參與精餾。為提高3股含有氖氦氣的氮氣中氖氦氣濃度，在原下塔頂部增設3塊塔板，增設的3塊塔板間距設計小。

空分設備運行時，主冷冷凝側部分液氮作為下塔回流液，經液氮回流閥V11進入下塔頂部增設的3塊塔板參與精餾。因增設3塊塔板間距小，在減小純液氮節流閥V3開度，進入增設3塊塔板回流液體量增加時，塔板中液體未及時通過溢流斗流入下一塊塔板，造成增設3塊塔板液面增厚及溢流斗液位上升。在溢流斗液體液位升至與塔板液體液面水平時，回流液體在溢流斗中流動阻力大，無法通過溢流斗流入下一塊塔板，使下塔頂部Ⅰ段精餾區域發生液泛，造成下塔Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ段精餾區域回流液體量減少，上升蒸氣液化量降低，下塔壓力升高，進塔加工空氣量減少，下塔精餾工況劣化。

1.2　處理措施

1.2.1應急處理措施

為保證公司生產，對下塔頂部Ⅰ段精餾區域發生液泛處理措施如下：

增大純液氮節流閥V3開度，增大粗氖氦塔冷凝器熱負荷，增加從下塔頂部液氮抽取量。開啟下塔頂部液氮排放閥，排放液氮。以此降低下塔頂部增設3塊塔板液面厚度與溢流斗液面高度，消除下塔頂部Ⅰ段精餾區域液泛。

在下塔頂部Ⅰ段精餾區域液泛消除后，未減少純液氮節流閥V3開度調節氮氣純度，以此維持設備運行。

1.2.2下塔液氮管線技術改造

通過設備技術改造，消除因下塔頂部增設3塊塔板造成下塔發生液泛現象。2004年4月，對20 000 m3/h空分設備下塔液氮管線進行技術改造，具體技術改造措施如下：

經杭氧設計人員對20 000 m3/h空分設備下塔理論計算，將下塔頂部增加3塊塔板的Ⅰ段精餾區域不作為精餾區域，下塔Ⅱ段精餾區域至下塔Ⅵ段精餾區域塔板數量可以在下塔Ⅱ段精餾區域頂部分離出氧含量不大于5×10-6氮氣，在下塔Ⅵ段精餾區域底部分離出純度合格的富氧液空。

將液氮回流閥V11出口液氮管道移出下塔Ⅰ段精餾區域，直接導入下塔Ⅱ段精餾區域頂部，使液氮回流閥V11出口液氮不經過增設3塊塔板。因增設的3塊塔板無回流液體下流，避免下塔回流液體因增設的3塊塔板間距小，在Ⅰ段精餾區域塔板上滯留，不使下塔Ⅰ段精餾區域發生液泛。下塔液氮管線改造示意圖如圖2所示。

圖2　下塔液氮管線改造示意圖Fig.2　A schematic diagram for the reconstruction of the liquid nitrogen pipeline in the lower tower

1.3　效果

2004年5月7日，20 000 m3/h空分設備液氮管線改造完畢投入運行，效果顯著?？辗衷O備運行至今，下塔頂部Ⅰ段精餾區域未因增設的3塊塔板發生液泛，氮氣氧含量降至不大于10×10-6。

2　下塔液空管線設計不佳

2.1　液泛故障現象與原因分析

20 000 m3/h空分設備自投產運行，液空節流閥V1保持全開狀態。2005年6月3日，在減小純液氮節流閥V3開度，增加下塔回流比，使氮氣氧含量達到設計指標時，下塔發生液泛。下塔發生液泛時空分設備運行參數見表2。

表2　下塔液泛時空分設備運行參數Table 2　The ASU operating parameters when flooding occurs

杭氧設計人員根據20 000 m3/h空分設備工藝流程設計特點，對下塔液泛運行參數分析。馬鋼20 000 m3/h空分設備設置氪氙粗制流程，從下塔塔釜抽取一股富含氪氙的液空進入貧氪氙塔，作為提取貧氪氙的原料液。因馬鋼20 000 m3/h空分設備未設置氪氙精制設備，貧氪氙塔未投運，下塔液空經液空節流閥V1、V701分別進入上塔提餾段與粗氬冷凝器。

液空節流閥V1與閥門進口處液空管線直徑均為Φ90 mm，將液空節流閥V1全開，液空經此液空管線流量低。在減小純液氮節流閥V3開度時，下塔增加回流液體滯留于下塔Ⅵ段精餾區域，無法通過液空節流閥V1進入上塔提餾段，下塔塔釜液空液位高。造成下塔Ⅵ段精餾區域塔板與溢流斗液面均上升，下塔Ⅵ段精餾區域塔板回流液體積累、懸浮，下塔Ⅵ段精餾區域發生液泛。

因下塔Ⅵ段精餾區域發生液泛，下塔Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ段精餾區域回流液體與上升蒸氣熱質交換效率降低，氮氣氧含量上升，進塔加工空氣量減少，氧氣產量降低。

2.2　 處理措施

2.2.1操作方法改進

開啟下塔液空排放閥，排放下塔Ⅵ段精餾區域液空。同時，增大粗氬冷凝器液空進液閥V701開度，因入粗氬冷凝器液空管線直徑為Φ203 mm，可有效將下塔Ⅵ段精餾區域液體通過粗氬冷凝器工作輸入上塔。為避免因進入粗氬塔氬餾分流量高，粗氬冷凝器冷凝側氮氣積聚量增大，降低氬餾分氬含量，不使粗氬塔發生氮塞。以此，降低下塔液空液位與阻力，消除下塔Ⅵ段精餾區域液泛。

同時，在空分設備冷開車、熱開車調純階段，減小純液氮節流閥V3開度，調節氮氣純度時，采用同步投運粗氬塔方法，將下塔Ⅵ段精餾區域液空及時轉移至粗氬冷凝器，不使下塔Ⅵ段精餾區域發生液泛。

2.2.2下塔液空管線技術改造

2010年10月，通過對下塔液空管線進行技術改造，消除下塔Ⅵ段精餾區域發生液泛。具體下塔液空管線改造措施如下：

針對馬鋼20 000 m3/h空分設備自投產，貧氪氙塔未投運狀況，取消貧氪氙塔精餾功能。將從下塔抽取經液空節流閥V1603進入貧氪氙塔，作為提取貧氪氙原料液的部分液空，改為進入液空節流閥V1出口直徑為Φ110 mm液空管線，使液空節流閥V1與V1603并聯，從而增加液空節流閥V1所在液空管線的液空流量，有效將下塔Ⅵ段精餾區域液空輸入上塔提餾段。下塔液空管線改造示意圖如圖3所示。

圖3　改造后空分設備精餾系統流程簡圖Fig.3　The schematic diagram of the reconstruction of the lower tower liquid and air pipeline

2.3　效果

2005年6月，20 000 m3/h空分設備操作方法改進完畢，下塔Ⅵ段精餾區域未因液空節流閥V1所在液空管徑小發生液泛，氮氣氧含量調至5×10-6～8×10-6。同時，因氬餾分氬含量控制較低，液氬產量未達標。

2010年12月，20 000 m3/h空分設備下塔液空管線改造完畢，投入運行，下塔Ⅵ段精餾區域未因液空管徑小發生液泛，氮氣氧含量小于5×10-6，液氬產量較大幅度提高，效果明顯。

3　分子篩吸附器故障影響

3.1　液泛故障現象與原因分析

2011年8月，處于冷備用狀態的20 000 m3/h空分設備分子篩吸附器發生進水故障。使用庫存分子篩、氧化鋁將進水失效的分子篩、氧化鋁更換、活化后，空分設備開車，下塔阻力較高，氧氣純度合格，氮氣氧含量大于22×10-6未達標。

隨著空分設備運行時間延長，下塔液空液位與阻力波動幅度增大，分子篩吸附器出口空氣中二氧化碳含量與氮氣氧含量同步升高。對下塔液空分析化驗，液空中二氧化碳含量高。根據生產計劃，空分設備運行3周后，停機再次轉入冷備用狀態。20 000 m3/h空分設備停運前運行參數見表3。

表3　20 000 m3/h空分設備停運前運行參數Table 3　20 000 m3/h ASU before the stoppage of operation parameters

通過對20 000 m3/h空分設備運行參數分析，20 000 m3/h空分設備下塔發生液泛。在空分設備停機后，對分子篩吸附器中分子篩、活性氧化鋁取樣分析化驗，更換的分子篩、活性氧化鋁因庫存時間長，吸附容量大幅度降低。在空分設備運行時，分子篩吸附器吸附效率降低，分子篩吸附器出口空氣中二氧化碳含量逐步上升，使下塔塔板篩孔被固態二氧化碳逐步堵塞，下塔塔板液體厚度增加，下塔塔板阻力逐步增加，使下塔Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ段精餾區域發生液泛。

隨著下塔塔板篩孔堵塞程度增加，下塔液泛逐步加劇，下塔上升蒸氣液化量與回流液體蒸發量逐步降低，使氮氣氧含量上升，下塔液空液位與阻力波動，入下塔低壓空氣、中壓膨脹空氣、高壓空氣流量降低。

3.2　處理措施及效果

通過訂購質量合格的分子篩與活性氧化鋁，將空分設備2臺分子篩吸附器中分子篩、活性氧化鋁全部更換。同時，將下塔、主冷、粗氬塔、精氬塔、粗氖氦塔液體排盡，在分子篩吸附器中分子篩、活性氧化鋁全部更換完畢，啟動空壓機、投運空冷系統、再生活化分子篩吸附器，對20 000 m3/h空分設備進行全面加溫，清除空分設備低溫系統積聚的二氧化碳。

2012年2月，20 000 m3/h空分設備開車運行，下塔Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ段精餾區域液泛現象消除，空分設備運行工況穩定，效果較好。

4　粗氬塔氮塞影響

4.1　液泛故障現象與原因分析

2011年4月25日，空壓機入口導葉因定位器故障出現波動現象。在分子篩吸附器升壓階段，氬餾分氬含量升至15%，粗氬冷凝器液空液位由正常運行280 mm升至750 mm。同時，下塔液空液位與阻力值均大于其報警值，氮氣氧含量由2.1×10-6升至大于7000×10-6，入下塔低壓空氣、中壓膨脹空氣、高壓空氣流量均降低。

根據故障現象分析，下塔Ⅵ段精餾區域發生液泛。在分子篩吸附器升壓階段，空壓機入口導葉因定位器故障波動，入下塔參與精餾加工空氣量減少，主冷熱負荷降低，上塔提餾段氬富集區下移，氬餾分氮含量增大，粗氬冷凝器冷凝側氮氣積聚量增大，粗氬冷凝器熱負荷下降，粗氬塔發生氮塞。

因粗氬塔發生氮塞，粗氬冷凝器液空蒸發量減少，粗氬冷凝器液空液位升高，下塔部分液空無法通過粗氬冷凝器工作輸入上塔，滯留于下塔Ⅵ段精餾區域，下塔Ⅵ段精餾區域塔板液面厚度與溢流斗液位上升，使下塔Ⅵ段精餾區域發生液泛，下塔回流液體與上升蒸氣熱質交換效率降幅大，氮氣氧含量高。

4.2　處理措施及效果

1.將液空節流閥V1全開，開啟下塔液空排放閥，同時增大純液氮節流閥V3、污液氮節流閥V2開度，降低下塔液空液位及阻力。

調節主塔工況，使氧氣純度與氬餾分氬含量穩定。同時調節粗氬塔工況，消除粗氬塔氮塞，保持粗氬塔運行，消除下塔Ⅵ段精餾區域液泛。

2.根據生產計劃，在空分設備停機時，將空壓機入口導葉定位器更換。同時，針對空壓機入口導葉定位器故障較多，造成粗氬塔氮塞，使下塔Ⅵ段精餾區域發生液泛現象，2012年1月，對空壓機入口導葉定位器實施移位技術改造。

空壓機入口導葉定位器安裝在入口導葉執行機構支架中，因空壓機機體振動影響，入口導葉定位器故障率高。通過對入口導葉定位器進行移位技術改造，將入口導葉定位器移出空壓機機體，安置在無振動固定支架中，有效避免入口導葉定位器故障，粗氬塔運行工況穩定，下塔Ⅵ段精餾區域未再次發生液泛，效果明顯。

5　結束語

針對馬鋼20 000 m3/h空分設備投產后，下塔發生多起液泛現象，馬鋼在杭氧設計人員指導下，分析下塔發生液泛具體原因，根據20 000 m3/h空分設備工藝流程與設備結構特點、通過設備技術改造、故障隱患消除、操作方法改進，消除下塔發生液泛影響因素，保證設備安全穩定運行。