淺談分子篩純化系統常出現的問題和解決辦法

＊高 波

（烏海市包鋼萬騰鋼鐵有限責任公司 內蒙古 016000）

前言

1980年后期開始，空氣主要的凈化方法更多使用常溫分子篩凈化空氣。早在1970年開始，我國的中壓小型制氧機就已普遍使用了分子篩純化器。截至目前，大型全低壓制氧機已經普遍使用了分子篩純化器，分子篩純化器能夠同時除凈空氣中的水、二氧化碳、乙炔以及其它碳氫化合物，它的應用是制氧機的流程中具有標志性的里程碑，全低壓分子篩純化流程簡單、操作方便、壽命長、運行安全可靠、設備投資少、凈化能力強，現在大型制氧機幾乎全部采用分子篩純化技術。

1.分子篩純化系統介紹

(1)分子篩的定義

分子篩是一種具有立方晶格的硅鋁酸鹽化合物，分子篩具有均勻的微孔結構，它的空穴大小均勻，這些空穴能把比它直徑小的分子吸附到其孔腔內部，并對極性分子和不飽和分子具有優先吸附的能力，因此能把極性程度不同、飽和程度不同、分子大小不同及沸點不同的分子分離開來，即具有“篩分”分子的功能，故稱分子篩。

(2)分子篩純化系統組織

為了保證制氧機不間斷運行，需要不停地對空氣進行凈化，所以分子篩純化系統中必須設置兩個可以倒換分子篩純化器，一只進行吸附工作，另一只進行再生，這樣便可保證不間斷的凈化空氣，現40000m3/h制氧機純化系統流程簡圖如圖1。

一只吸附器的工作在一個工作周期內分四步進行。吸附凈化快達到飽和時即到確定的切換時間后，由系統程序控制器控制自動切換到另一只吸附器工作。第一只吸附器進入再生階段。純化器的再生一般采用加熱再生方式，它的再生過程分四步進行：①降壓；②加熱；③冷吹；④升壓。降壓是為了將吸附器帶壓的空氣排放出去，這時吸附器的進、出口閥全部關閉，排放閥打開，為了防止對吸附床層的沖擊，降壓的速度不宜過快，以制氧機分子篩純化器設計切換時間為4h的情況為例，一般降壓時間取6～10min。

圖1 電加熱再生的分子篩純化系統流程圖

加熱：污氮經過電加熱器或蒸汽加熱器加熱到165～170℃而后進入純化器，進入純化器的溫度控制大于150℃。其加熱時間一般設計約為1.5h，加熱終了時純化器出口溫度通常大于50℃，此時程序控制器控制加熱階段結束，污氮經加熱器的閥門關閉，將轉入冷吹階段。

冷吹：冷吹氣體為不經過電加熱器的污氮。冷吹操作是吸附劑再生操作的繼續。冷吹前期，污氮出純化器的溫度會繼續上升，升至100℃左右后就會開始下降。冷吹后期污氮出純化器的溫度比運行時溫度高5～10℃。

升壓：把運行中吸附器中的空氣導進即將再生完的吸附器中，當兩只吸附器的壓力平均，即差壓聯鎖顯示為0，升壓階段結束。與降壓操作相同，為了防止氣流對分子篩床層的沖擊，氣流速度不宜過快，因此，升壓階段的時間，一般設定在12～22min。

2.分子篩純化系統故障分析和處理

(1)事故案例分析

案例一：2010年冬季，某公司1#21000m3/h制氧機停機檢修。停機后，準備清理氧壓機冷卻器。工作期間發現空壓機放空閥法蘭漏水，而且量很大，制氧工程師推測可能是空冷塔返水。經過逐步排查，發現1#常溫水泵的進出口閥門沒有關嚴，冷卻水通過水泵進入空冷塔，塔內水位升高進入空氣管道最后從放空閥法蘭處漏出。隨后馬上打開分子篩進口排水閥檢查，發現沒有水流出，判斷水沒有進入分子篩。制氧開車后兩個分子篩吸附器的冷吹峰值分別為116℃和118℃，說明分子篩純化系統并沒有受到漏水影響，工作正常。

該公司0#6000m3/h制氧機臨時停車，當班操作工關閉空冷塔進出口閥門后發現排水閥V1262處流出大量水。經制氧工程師檢查后發現，空冷塔回水閥V1164沒有關嚴，并且止回閥V1165存在故障不能起到防止倒流的作用，因為管道內水有壓力，經回水管道流入空冷塔中，導致塔內水位上漲，從而水進入分子篩純化系統。制氧機開車時，經過3個運行周期的時間將分子篩徹底加溫，使其冷吹峰值達到90℃以上后，才投用分子篩純化系統。

案例二：某日15:08，分子篩出口CO2含量報警，CO2含量突然增加并很快超量程；同時膨脹機轉速由27900r/min降低到21000r/min；主換熱器熱端溫差也迅速增大，由0.5℃增大到10℃。這時候空冷塔的液位顯示1980mm，空冷塔回水1101開度僅有5%。制氧工程師分析分子篩和主換熱器均已進水，發現情況嚴重后立即組織緊急停車，停車后打開V1104、V1223、V1225閥排水。16:05打開分子篩發現分子篩上部有水跡，下部正泡在水中。然后又打開另外分子篩無水泡痕跡。

事故原因分析：①事故前一天空冷塔液位差壓變送器故障不能正常指示，在恢復正常前回水閥使用手動控制。②當班操作人員責任心不強，操作不夠謹慎，當時由于正在液氧泵冷泵，導致手動控制LCV1101閥時過于著急，閥門應該打開56%，結果只輸入了5就確認了。③空冷塔液位報警、聯鎖值設置數值不合理。空氣進口高度為1800mm但是空冷塔液位報警值也是設置為1800mm，聯鎖值為2500mm，不能起到保護報警作用。

有的空分裝置在生產中還有這種情況出現：在查看分子篩溫度曲線時，正常的冷吹溫度峰值應該在101℃左右，但是最近一段時間卻出現了73℃和75℃兩個最大值。即在冷吹曲線上出現了兩個比正常要低的峰值。另外，冷吹溫度曲線的形狀也有些變化，正常情況分子篩吸附器再生階段出口溫度曲線如圖2所示。異常情況下分子篩吸附器再生階段出口溫度曲線如圖3所示。

通過后臺查看操作記錄發現異常操作：1#分子篩吸附器入口閥V1201打開后又關閉，然后1#分子篩吸附器再生排放閥又打開了。

圖2 正常情況下再生階段分子篩吸附器出口溫度曲線

圖3 異常情況下再生階段分子篩吸附器出口溫度曲線

根據以上現象分析：如果分子篩內部表面平整，溫度應該不會有大的變化，冷吹溫度曲線是規則的。當分子篩表面不平整時，較薄處對再生氣阻力較小氣量就多，溫度變化大，較厚處正好與之相反。從而較薄和較厚處溫度不能同時到達峰值。因此，冷吹溫度曲線就出現了多個值。

停機后打開1#分子篩吸附器發現分子篩表面有一個直徑約350mm的坑，并且發現有分子篩成粉末狀，經過篩選并補充分子篩后重新填裝，解決了問題。

(2)分子篩運行過程中遇到的特殊情況分析

情況1：高氮小空分設備的分子篩出口壓縮空氣露點溫度突然出現波動，由-70℃升到-50℃來回波動幾分鐘后又穩定到-70℃左右。這是什么原因造成的？

分析處理：用手持式的露點儀進行現場測試，根據DCS初步推斷可能是測點故障或在線露點分析儀氣體管路堵塞引起儀器故障。

現場取樣管線有個接口漏氣，已重新擰緊。接氣口漏氣會造成外界空氣進入，導致露點的升高。

情況2：1號分子篩與2號分子篩均壓完后，2號分子篩在生出口閥門故障未全關。DCS控制并不管用，過后全關。檢修人員現場檢查整改后聯系中控室開2號出口閥門，空壓機發生卸載。這是什么原因？

分析處理：因為在使用1號分子篩時，2號分子篩再生氣出口閥沒關死，造成有大量的氣從2號漏出，空氣壓力下降，空壓機自動開大入口導葉，過了會出口閥又關了，空壓機入口導葉來不及調整達到喘震級限，所以空壓機只有卸載。

情況3：分子篩后二氧化碳分析高報值為1ppm，高高報為3ppm，高高報后15min連鎖跳車，這個15min的時間是怎么確定的？

分析處理：這個時間是留給操作人員仔細檢查分析儀器及工況參數的，這樣可以確定出口二氧化碳是否超標，首先排除儀器故障，再檢查設備故障，循環水是否加藥劑了等等。一般來說這個時間是通過分子篩空氣量中的二氧化碳量把主換熱器堵塞的時間，如果二氧化碳超標，長時間不處理，將主換熱器通道堵塞，影響正常工況，就只能停車加熱了。

情況4：為什么分子篩在泄壓和加熱階段，增壓機二段和三段的排氣壓力會比正常時低，冷吹時才恢復？

分析處理：分子篩在再生結束后，轉入工作狀態時床層溫度還維持在20℃，同時吸附會放出一定熱量，這會導致出分子篩空氣溫度先有一個上升的階段，此時進增壓機的空氣溫度是高的，氣體密度較小，所以出口壓力自然會偏低。

情況5：分子篩純化系統在運行時出現故障。本來是冷吹狀態，但是在還沒有冷吹結束，還有40min左右的突然又開始加熱，加熱后直接均壓，切換，導致分子篩出口T2615溫度超高，空分機組連鎖停車，怎么預防這類事故？

分析處理：在順控程序加個運行時間異常順控程序暫停且報警功能，便于及時發現問題處理。

情況6：分子篩被擊穿后，有什么補救措施？

分析處理：①根據分子篩廠家提供的操作規程和方法特殊活化再生；②活化再生后扒出過濾粉末重新裝填；③縮短使用周期，觀察分子篩吸附效果；④如果吸附效果不佳，分子篩超標，更換分子篩。

情況7：分子篩系統在均壓時發生二氧化碳超量程的現象是什么原因造成的？

分析處理：①空氣溫度升高，均壓階段可能會出現小幅上漲；②分子篩由于壽命、污染等原因，確實已經到達吸附后期，發生二氧化碳的穿透；③上次再生時，再生力度不夠，吸附質未完全脫附；④空壓機故障，導致入塔空氣量的驟增；⑤分析儀表故障，需要與分子篩后露點相互映照。原因很多，就不一一列舉了。主要是從空氣量、空氣溫度、分子篩性能、分子篩再生程度上去考慮。

(3)分子篩純化系統常見故障及處理措施總結

故障1：分子篩純化器進水。

原因及處理措施：①空冷塔液面過高，措施：降低液面。②空冷塔水分離器破損，措施：檢查水分離器，修補捕集網。③空分系統壓力突然下降，措施：排除空分故障。④空冷塔結構，措施：除垢。⑤水質不好雜物堵塞，措施：清除雜物，控制水質。⑥加除垢劑太多，泡沫太多，措施：加藥適量。⑦氣流速度過快，誤操作，措施：操作緩慢，空冷塔先通氣后通水。

若出現進水嚴重情況：①分子篩純化器加溫吹除；②更換分子篩。

故障2：二氧化碳未清除干凈。

原因及處理措施：①分子篩粉碎，措施：停車時篩分后添加分子篩。②分子篩量不夠，措施：添加分子篩。③雙層床混床，措施：將三氧化二鋁與分子篩分開。④氣流不均勻，措施：檢查氣流分布器。⑤再生不徹底，措施：增加再生時間，增加污氮量，提高再生溫度。

故障3：切換系統故障。

原因及處理措施：①分子篩控制程序出現錯誤，措施：A.改為手動操作，如果有備用的控制器系統，將程序轉換到備用的控制器上；B.如果無法使用手動操作，應停機排除故障后再啟車。②電磁閥故障，切換閥不能開或關。措施：A.檢查電子閥電源、氣源是否存在問題；B.電源、氣源不能排除故障時，要立即采用手動操作，并更換電磁閥。③行程開關故障，切換程序進行中斷，措施：A.處理行程開關；B.行程開關損壞，予以更換。④切換閥動作緩慢，措施：A.檢查儀表氣壓力是否過低，閥門有無漏氣；B.切換閥本身卡頓，處理卡頓。⑤切換閥門泄漏。措施：A.檢查行程是否不足或過度，調至正常位置；B.執行部位與閥桿聯接松動，重新緊固；C.閥門密封損壞壞，進行更換密封處理。

3.結束語

分子篩純化系統在空分設備中起到清除水、二氧化碳、乙炔以及其它碳氫化合物等雜質的作用，如果分子篩出現問題，必將對空分設備的安全運行造成很大的安全隱患。雖然本文中列舉了分子篩運行過程中的一些常見的和不常見的事故案例，但是也不能把所有情況一一概括。因此，還需要我們平時嚴格按操作規程進行操作，密切注意其各個運行參數的變化，一旦發現有參數發生異常變化，要盡快找出原因并及時處理，以免其對整套空分設備正常運行造成進一步影響，避免造成更嚴重的事故。