分子篩粉化原因分析及裝填優化

何臣雄 吳亞奎 余光興 劉曉晨

(黔希煤化工投資有限責任公司，貴州黔西，551500)

某公司新建30萬t·a-1乙二醇裝置，于2018年3月開始系統聯動試車，并于5月開始投料生產至今。氫碳分離裝置選用法液空氣體深冷分離技術，由前端凈化單元、低溫蒸汽系統和冷箱組成，前端凈化單元包含兩個吸附器。吸附操作通過一套程序控制系統實現。兩個填充有相同數量分子篩的吸附器并行工作：當一個吸附器在吸附的時候，另外一個處于再生。吸附器的吸附量達到其最大吸附能力時，用氮氣進行再生。氣體離開前端凈化單元后經過換熱器降溫進入冷箱分離提純。下面將結合該公司凈化車間氫碳分離裝置前端凈化單元吸附器2021年度檢修情況，對分子篩粉化原因進行分析，并針對發現的問題開展處置及優化。

1 發現問題

1.1 分子篩粉化

大修過程中，為確保分子篩吸附器得到充分的檢查和修復，對前端凈化單元兩個吸附器打開，進行卸分子篩檢查。打開發現兩吸附器頂層吸附劑顆粒分明，干凈無雜質，但隨著分子篩的持續外卸，發現兩吸附罐底層0mm—300mm內分子篩部分發黑、發黃，且帶有濃重的甲醇氣味，并伴有不同程度的粉化，經對底層和頂層的分子篩進行強度對比，底層發黑分子篩硬度明顯低于頂層。

1.2 分子篩及Φ10瓷球泄漏

前端凈化單元兩吸附罐頂部彎頭及其分布器吊出時，均未發現分子篩空高下降。R-3122完全清理交出未發現異常，但R-3121完全卸出分子篩對底部分子篩和Φ10瓷球清理過程中，發現分子篩和Φ10瓷球間絲網部分位移，失去其隔離分子篩/瓷球的作用，同時底層絲網壓板邊角存在不同程度卷邊，且絲網存在一Φ8孔洞。經打開絲網隔板對其底部進行檢查，在一支撐梁底部支座下發現瓷球及部分分子篩，其他支座未發現泄漏情況和形變情況。

2 原因分析

2.1 分子篩粉化原因

(1)吸附器順控程序中升壓/降壓時間設計不合理，壓力變化幅度過大，氣量波動大，分子篩間發生磨損粉化。

(2)系統負荷大幅波動，例如氣化爐單爐跳車/雙爐跳車、引氣速率過快、后系統憋壓、變換爐進氣閥關閉等情況，大氣量、高壓力氣流對分子篩形成沖刷，且可能在分子篩和Φ10瓷球間絲網位移部分形成混床，粉化。

(3)由于2021年1月發現分子篩吸附器泄漏，為了防止頻繁升壓/泄壓引起分子篩漏量增大，特增大了單個分子篩吸附器吸附周期，由原12h修改至48h，一直運行至5月初系統停車。在48h吸附周期中，吸附器底層(合成氣下進上出)由于長時間吸附，部分分子篩可能形成甲醇液態環境(因為在再生氣冷卻器導淋處排出液態甲醇，且外卸時底部分子篩帶有濃重甲醇味)，導致分子篩經過甲醇浸泡后強度降低，經再生氣加熱后粉化。

(4)若分子篩在再生過程中溫度過高或溫度變化快也會使分子篩強度下降，投運后容易粉化。經排查前端凈化單元運行期間參數，再生溫度均在設計范圍內，除變換單元21HV006關閉至系統壓力回倒波動外無其他大幅波動情況，因此排除前端凈化系統誤操作導致分子篩床層沖擊粉化。

2.2 分子篩泄漏原因

2.2.1 設備施工缺陷

由圖1可以看出絲網破損孔整體發黑，存在熔斷，且無明顯磨損，由此可判斷該破損源自內部絲網壓板焊接時焊渣或焊條觸碰導致其熔斷成孔。

圖1 分子篩絲網泄露孔

(1)絲網上壓條與封邊壓條已焊接形式連接，封邊壓條焊接點過高，與絲網板未完全貼合，中間存在較大縫隙，最大縫隙直徑18mm，見圖2第一部分。

圖2 分子篩吸附器底部絲網安裝情況

(2)絲網板間使用雙層陶瓷纖維繩填充，但泄漏點上方陶瓷纖維繩過長，安裝填充時未減掉多余部分，而是采取曲折轉向填充，導致存在較大曲折空隙，最大間隙14mm，見圖2第二部分。

(3)絲網支撐梁與支座、絲網板邊緣支撐與器壁均采用焊接形式相連，但支撐梁制造過短，與絲網板邊緣存在明顯間隙，最大20mm，見圖2第三部分。

綜上，結合僅在該支撐座下發現瓷球/分子篩泄漏，所以，出現分子篩泄漏的主要原因是該絲網和支撐施工存在缺陷。

2.2.2 設計缺陷

分子篩吸附器由設計方推薦安裝，其底部絲網固定后，分子篩直接散堆在絲網上，合成氣出口氣體分布器與分子篩齊平。在裝置試車階段，出現過分子篩泄漏，修復后在吸附器底部裝填量100mm的Φ10惰性瓷球。由于填裝的瓷球粒徑較小，且分子篩極細，底層絲網板與支撐、壓條結合不嚴密，同時絲網位移，形成混床；再加上分子篩再生加熱和降溫過程中溫度變化區間大(再生溫度最高200℃，運行溫度最低-12℃)，且再生氣體流向和運行合成氣流向相反[1]，導致分子篩間存在磨損，并從絲網和支撐梁、壓條間縫隙泄漏，造成流失。

3 問題處置及優化

3.1 嚴格控制前端凈化單元進氣指標

嚴格控制低溫甲醇洗裝置出口合成氣指標，增加氣體分析頻次，確保合成氣中二氧化碳和甲醇指標在設計范圍內。同時加強分子篩出口合成氣指標監控，手動分析結果及時與在線分析結果對比，及早發現問題，手動干預分子篩吸附/再生，保證冷箱進口指標合格。

3.2 優化分子篩吸附器吸附周期及順控系統

前端凈化單元吸附周期調整為原12h，吸附器泄壓閥開至30%(均壓1段)后維持時間延長60 min，由原來3min調整為63min；吸附器泄壓閥開至100%(均壓2段)后維持時間由原來15min調整為30min，確保分子篩吸附器升降壓時間滿足順控邏輯，以緩解正常吸附/再生過程壓力波動幅度大、變化速率快對分子篩床層沖刷造成粉化磨損。

3.3 安裝施工缺陷修復

拆除原漏點曲折陶瓷纖維繩，根據支撐梁實際長度剪裁填充。絲網壓板與絲網板螺絲擰緊后，與封邊壓板采用焊接方式固定。封邊壓板與絲網板間隙先采用陶瓷纖維繩填充，再采用石墨繩外封壓實，最后在封邊壓條外用鋼條電焊，確保原封邊壓條與絲網板完全貼合，并密封內部石墨繩，防止在氣流方向改變時分子篩從縫隙流失，詳見圖3。

圖3 分子篩吸附器底部絲網安裝修復

3.4 優化吸附器分子篩裝填設置

在吸附器設計承重基礎上，增加惰性瓷球裝填。在吸附器支撐梁原絲網板上先裝填一層Φ50mm的瓷球，隨后在Φ50mm瓷球上方裝填Φ15mm瓷球80mm，再在Φ15mm瓷球上方鋪一層絲網，并采用不銹鋼格柵、壓條將絲網壓緊，在絲網上方進行分子篩散裝堆積，保證合成氣進口氣體分布均勻，不產生偏流，并且分子篩和瓷球間絲網層留存100mm卷邊(用鋼絲固定)，確保其牢固不位移，避免發生局部混床。

4 結語

該公司凈化車間氫碳分離裝置前端凈化的分子篩在生產過程中吸附低溫甲醇洗來的合成氣中H2O、CO2及CH3OH，唯有清除這些高凝固點雜質才能保證氫碳分離過程的正常運行，否則將會造成冷箱內的設備、管道堵塞或其他安全事故。吸附器分子篩的裝填質量、進口合成氣指標以及吸附周期等在很大程度上影響著合成氣的凈化質量，同時影響分子篩的使用壽命，故清除合成氣雜質是氫碳分離裝置正常運行的基礎。通過對分子篩運行情況及裝填情況分析，有針對性地實施一系列處置和優化，解決了分子篩嚴重粉化及泄漏問題，達到提高分子篩吸附器運行率、減緩分子篩流失的目的，但后續的維護、進一步優化等需要不斷地根據運行情況持續開展。