空分分子篩運行分析及保護措施

王 偉，劉德清

（中海石油天野化工有限責任公司，內蒙古呼和浩特 010070）

1 概 述

中海石油天野化工有限責任公司（簡稱天野化工）化肥裝置設計產能為300kt／a合成氨、520kt／a尿素，配套空分裝置設計氧氣產能為22950m3／h，氧氣供給氣化系統，天然氣與氧氣及蒸汽通過燒嘴在氣化爐內部進行部分氧化反應，生產以CO和H2為主的合成氣。

天野化工空分分子篩吸附器（A2626A／B）裝填的吸附劑有條形分子篩和球形氧化鋁兩種，條形分子篩、球形氧化鋁裝填量分別為35000kg、14400kg，裝填形式為分層裝填，下部裝填球形氧化鋁、上部裝填條形分子篩。球形氧化鋁的主要作用是吸附空氣中大量的水分，條形分子篩的主要作用是吸附微量水分、全部CO2以及部分有機氣體。條形分子篩和球形氧化鋁生產廠家建議使用壽命均為5a，一般企業實際使用壽命大致在5～7a，天野化工實際使用壽命最長均達9a；若使用條件受限，如發生進水或酸性氣中毒等事故，條形分子篩和球形氧化鋁就會粉化，其使用壽命會大幅縮短，嚴重時需停車更換。

空分分子篩系統工藝流程如圖1?？辗址肿雍Y在高壓低溫下吸附、在低壓高溫下解吸（自預冷系統來的干燥空氣通過程控閥進入分子篩吸附器，一臺吸附器吸附時另一臺吸附器再生；再生氣為低溫冷箱出來的污氮氣，通過加熱器加熱至250℃后經由程控閥進入吸附器中對吸附劑進行再生，再生后的氣體通過管道出系統后放空至大氣中），利用選擇性吸附原理等將空氣中的水分、CO2、乙炔等碳氫化合物清除，經吸附劑吸附后的空氣露點可達-70℃，CO2含量控制在1×10-6以下、CH4含量控制在20×10-6以下、乙炔含量控制在0.01×10-6以下，合格的工藝空氣進入低溫冷箱。天野化工空分分子篩系統一個運行周期為2.8h，分子篩的吸附、再生及切換均由程序自動控制。

圖1 空分分子篩系統工藝流程簡圖

2 空分分子篩系統運行情況

2.1 空分分子篩歷年裝卸情況

天野化工合成氨裝置自1996年投產以來，空分分子篩系統條形分子篩和球形氧化鋁共計更換過3次，分別在2005年8月（更換時分子篩運行年限為9a）、2011年8月（更換時分子篩運行年限為6a）和2021年1月（更換時分子篩運行年限近9a），2004年6月發生過一次干燥空氣帶水事故，因發現及時未造成大的影響?？辗址肿雍Y系統條形分子篩、球形氧化鋁生產廠家均為上海環球分子篩有限公司；惰性瓷球裝填在最底部，起支撐和分布氣體的作用，裝填量為6000kg?？辗址肿雍Y歷年更換／裝填情況見表1。

表1 空分分子篩歷年更換／裝填情況

第三爐空分分子篩裝填于2011年8月，使用期間2016年系統停車5個月（0.42a）、2017年系統停車3個月（0.25a）、2018年系統停車1.5個月 （0.13a）、2019年系統停車1個月（0.08a），截至2020年12月，第三爐空分分子篩實際運行時間為8年零8個月（8.67a），遠超廠家設計使用壽命。

2.2 分子篩運行參數分析

2.2.1 分子篩吸附及再生過程

空分分子篩系統設計為2 臺吸附器（A2626A／B），一臺運行時另一臺再生，運行和再生時間（切換周期）為2.8h。運行時分子篩設計入口溫度為8℃、設計出口溫度為12℃，實際運行時分子篩入口溫度在8～11℃、出口溫度在12～17℃。

空分分子篩再生過程設計為九步——預泄壓、泄壓、預加熱、加熱、冷吹、預均壓、均壓、預切換、切換；其中，第四步為加熱——用0.98MPa蒸汽加熱再生氣至160℃以上進行熱再生，第五步為冷吹——用3.3℃的再生氣將分子篩床層冷卻至30℃以下。這兩步屬于再生過程中的關鍵步驟，直接決定了分子篩再生效果的好壞。隨機抽取第三爐空分分子篩投運以來再生過程中的加熱峰值、冷卻峰值，具體見表2?？梢钥闯觯涸诩訜岱逯祹缀醪蛔兊那闆r下，冷卻峰值逐年上漲，表明分子篩的吸附效果在下降。

表2 第三爐分子篩再生過程加熱峰值與冷卻峰值 ℃

2.2.2 泄壓、加熱結束時吸附器出口溫度

隨機抽取第三爐空分分子篩投運以來再生過程中泄壓、加熱結束時分子篩吸附器出口溫度數據，具體見表3。可以看出：泄壓、加熱結束時吸附器出口溫度逐年上漲，表明分子篩解吸能力越來越弱，也就意味著分子篩吸附深度越來越差，最終影響分子篩的吸附效率；因分子篩吸附能力下降，再生過程中所需熱量就會減少，最終冷吹溫度會上升，分子篩吸附效果變差。

表3 泄壓、加熱結束時分子篩吸附器出口溫度 ℃

3 分子篩運行的影響因素

（1）分子篩浸水。分子篩使用壽命在很大程度受工藝條件的影響，第三爐空分分子篩在近9a的運行中操作控制較好，沒有發生浸水、浸酸等污染事故，未影響分子篩的正常使用壽命。

（2）分子篩底部篩網破損、塌陷。2013年裝置小修、2014年裝置大修、2016年裝置大修、2017年裝置冬季停車檢修等四次檢修時，未發現分子篩上部塌陷，表明篩網未破損；這四次檢修期間均對分子篩進行了少量補加，并把上部攤平，以保證氣流正常分布，防止發生偏流。

（3）分子篩粉化、塌陷。平時在分子篩底部導淋處檢查分子篩再生氣無粉末，表明分子篩無粉化現象。2018年1月裝置冬季檢修時，打開分子篩吸附器（A2626A／B）人孔進行檢查，分子篩粒度完整，無粉化現象，但偶有顆粒表面粗糙和顆粒斷裂現象（程度輕而無需處理）；底部導淋處未見條形分子篩及球形氧化鋁泄漏，表明底部篩網完好，無泄漏；頂部平整無異常，表明氣流分布正常，無偏流。

（4）分子篩再生不徹底。分子篩再生時，需保證再生溫度和時間，再生加熱溫度控制在200℃以上，冷吹時間必須保證其溫度降至常溫，分子篩再生不徹底、（系統停車）分子篩放置時間過長等，均會影響分子篩的吸附質量與效果。2016年裝置大修后，分子篩放置時間超過7個月，2017年冬季裝置停車后停運3個月，停車前雖經加熱再生及防凍處理，但由于當時再生氣量小（正常氣量23000m3／h，當時因使用儀表空氣再生，實際再生氣量非常小，只有1000 m3／h）、壓力低，再生過程中發生氣體偏流，部分分子篩再生并不徹底或未再生，為此，我們采取在吸附器罐體外部增設伴熱和保溫設施的保護措施（以保證冬季吸附器內溫度為常溫，防止含水條形分子篩和球形氧化鋁凍裂粉化），系統重啟后分子篩吸附效果未下降。

（5）分子篩充壓或泄壓快，分子篩粉化。分子篩充壓或泄壓必須按照程序進行，并自動切換再生。每天切換后泄壓時，檢查底部導淋處未發現分子篩粉末，表明分子篩未出現粉化現象。

（6）上游預冷系統溫度太高，導致分子篩入口溫度高。當前2臺分子篩吸附器的運行參數均在許可范圍內，但吸附器出口溫度較設計值稍高，原因是夏季空分預冷系統深冷水達不到設計溫度5℃（一般偏高1～2℃），以及2018年水冷塔噴頭堵塞嚴重致預冷系統深冷水溫度偏高3℃左右，繼而導致分子篩吸附器入口溫度基本上在9～11℃，較設計值8℃略偏高。

4 延長分子篩使用壽命的保護措施

（1）嚴格按照切換周期切換分子篩吸附器，執行分子篩吸附器切換記錄確認表；關注分子篩再生過程中的加熱峰值與冷卻峰值，中控（人員）記錄每一次加熱與冷吹峰值；編制分子篩吸附器切換記錄表，對分子篩吸附器切換過程進行監控并記錄有關數據，同時對發現的問題及時進行處理。

（2）中控每小時查看1次分子篩DCS畫面，檢查出口空氣中CO2、CH4微量變化情況；中控與現場崗位每班執行冷箱檢查表；定期校驗分子篩出口CO2含量檢測儀，中化（人員）定期分析分子篩出口CO2含量，并與CO2含量檢測儀示數對比。

（3）在保證后工段需要的情況下，按需控制空分裝置負荷；分子篩底部疏水器定期檢查，保證疏水暢通；上游預冷系統保證洗滌降溫正常，控制預冷塔液位正常，保證氣體不帶水。

（4）停車后必須打開人孔檢查分子篩頂部，確認有無塌陷，并平整頂部，必要時補充分子篩；冬季停車必須對未再生分子篩吸附器罐體外部增設伴熱和保溫（設施），防止含水條形分子篩和球形氧化鋁凍裂粉化；冬季停車必須對未再生分子篩用干燥空氣或氮氣進行再生。

（5）分子篩吸附器開人孔檢查后，必須及時封人孔，不過夜，防止晚間下雨雪或長時間開人孔而致空氣中水分被分子篩吸附；雨天或空氣濕度大時，嚴禁打開分子篩吸附器人孔檢查。

5 結束語

空分裝置是氣頭或煤頭合成氨裝置、甲醇裝置或煤化工裝置等的龍頭，必須進行安全分析，并采取保護措施保證其安全、穩定、優質運行，尤其是對分子篩的保護須做好做到位，若分子篩對空氣吸附不合格，會使分子篩出口空氣中帶水或帶CO2進入冷箱，容易結冰（或干冰）堵塞低溫管線，嚴重時會凍裂低溫管線，此種情況下檢修周期長（約1個月），將嚴重影響企業的生產經營與經濟效益。天野化工有20多年的空分分子篩運行經驗，尤其是第三爐空分分子篩使用近9a（第四爐空分分子篩于2021年1月完成更換），實際使用壽命遠超廠家設計使用壽命，表明天野化工在空分分子篩使用過程中采取的安全保護措施是有效且到位的，可為業內空分分子篩的運行與保護提供一些參考與借鑒。