20000 m3/h空分设备下塔液泛 故障原因分析与处理

周金城

(马鞍山钢铁股份有限公司 气体销售分公司，安徽 马鞍山 243000)

0　引言

马鞍山钢铁股份有限公司(以下简称：马钢)气体销售分公司配备的20 000 m3/h空分设备由杭氧设计、制造，采用分子筛吸附器吸附净化、液氧内压缩、全精馏制氩、氪氙与氖氦粗制工艺流程。20 000 m3/h空分设备下塔为筛板塔，上塔、粗氩塔、精氩塔、粗氖氦塔、贫氪氙塔均为规整填料塔。20 000 m3/h空分设备精馏系统流程简图见图1。

20 000 m3/h空分设备自投产，因空分设备设计、设备维护措施及设备故障原因影响，下塔发生多起液泛，对空分设备精馏工况影响大。为此，马钢通过空分设备技术改造、故障隐患消除、操作方法改进等处理措施，消除下塔液泛，使空分设备安全稳定运行。

1　下塔塔板设计不完善

1.1　液泛故障现象与原因分析

2004年1月16日，马钢20 000 m3/h空分设备初次投运，氧气纯度合格、氮气纯度未达标，纯液氮节流阀V3开度较大。2004年1月18日，为提高氮气纯度，增大下塔回流比，将纯液氮节流阀V3开度减至64%时，下塔发生液泛。下塔发生液泛时空分设备运行参数见表1。

图1　20 000 m3/h空分设备精馏系统流程简图Fig.1　20 000 m3 /h ASU distillation system flow diagram表1　下塔发生液泛时空分设备运行参数Table 1　The ASU operating parameters when flooding occurs

　　　项目1月16日正常运行参数1月18日液泛运行参数下塔阻力/kPa15．5～15．827～33下塔压力/kPa451～453473～481下塔液空液位/mm500～55040～130氧气纯度/%99．899．8氮气纯度/10-6O238～432000氧气产量/(m3·h-1)1900018700低压空气量/(m3·h-1)4900046500中压膨胀空气量/(m3·h-1)2600026000高压空气量/(m3·h-1)2700026000

杭氧设计人员根据20 000 m3/h空分设备工艺流程与下塔设备结构特点，对下塔液泛时空分设备运行参数分析。因马钢20 000 m3/h空分设备设置氖氦粗制流程，分别从主冷冷凝侧、下塔顶部抽取3股富含氖氦气的氮气作为提取粗氖氦气的原料气，进入粗氖氦塔参与精馏。为提高3股含有氖氦气的氮气中氖氦气浓度，在原下塔顶部增设3块塔板，增设的3块塔板间距设计小。

空分设备运行时，主冷冷凝侧部分液氮作为下塔回流液，经液氮回流阀V11进入下塔顶部增设的3块塔板参与精馏。因增设3块塔板间距小，在减小纯液氮节流阀V3开度，进入增设3块塔板回流液体量增加时，塔板中液体未及时通过溢流斗流入下一块塔板，造成增设3块塔板液面增厚及溢流斗液位上升。在溢流斗液体液位升至与塔板液体液面水平时，回流液体在溢流斗中流动阻力大，无法通过溢流斗流入下一块塔板，使下塔顶部Ⅰ段精馏区域发生液泛，造成下塔Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ段精馏区域回流液体量减少，上升蒸气液化量降低，下塔压力升高，进塔加工空气量减少，下塔精馏工况劣化。

1.2　处理措施

1.2.1应急处理措施

为保证公司生产，对下塔顶部Ⅰ段精馏区域发生液泛处理措施如下：

增大纯液氮节流阀V3开度，增大粗氖氦塔冷凝器热负荷，增加从下塔顶部液氮抽取量。开启下塔顶部液氮排放阀，排放液氮。以此降低下塔顶部增设3块塔板液面厚度与溢流斗液面高度，消除下塔顶部Ⅰ段精馏区域液泛。

在下塔顶部Ⅰ段精馏区域液泛消除后，未减少纯液氮节流阀V3开度调节氮气纯度，以此维持设备运行。

1.2.2下塔液氮管线技术改造

通过设备技术改造，消除因下塔顶部增设3块塔板造成下塔发生液泛现象。2004年4月，对20 000 m3/h空分设备下塔液氮管线进行技术改造，具体技术改造措施如下：

经杭氧设计人员对20 000 m3/h空分设备下塔理论计算，将下塔顶部增加3块塔板的Ⅰ段精馏区域不作为精馏区域，下塔Ⅱ段精馏区域至下塔Ⅵ段精馏区域塔板数量可以在下塔Ⅱ段精馏区域顶部分离出氧含量不大于5×10-6氮气，在下塔Ⅵ段精馏区域底部分离出纯度合格的富氧液空。

将液氮回流阀V11出口液氮管道移出下塔Ⅰ段精馏区域，直接导入下塔Ⅱ段精馏区域顶部，使液氮回流阀V11出口液氮不经过增设3块塔板。因增设的3块塔板无回流液体下流，避免下塔回流液体因增设的3块塔板间距小，在Ⅰ段精馏区域塔板上滞留，不使下塔Ⅰ段精馏区域发生液泛。下塔液氮管线改造示意图如图2所示。

图2　下塔液氮管线改造示意图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空分设备液氮管线改造完毕投入运行，效果显著。空分设备运行至今，下塔顶部Ⅰ段精馏区域未因增设的3块塔板发生液泛，氮气氧含量降至不大于10×10-6。

2　下塔液空管线设计不佳

2.1　液泛故障现象与原因分析

20 000 m3/h空分设备自投产运行，液空节流阀V1保持全开状态。2005年6月3日，在减小纯液氮节流阀V3开度，增加下塔回流比，使氮气氧含量达到设计指标时，下塔发生液泛。下塔发生液泛时空分设备运行参数见表2。

表2　下塔液泛时空分设备运行参数Table 2　The ASU operating parameters when flooding occurs

杭氧设计人员根据20 000 m3/h空分设备工艺流程设计特点，对下塔液泛运行参数分析。马钢20 000 m3/h空分设备设置氪氙粗制流程，从下塔塔釜抽取一股富含氪氙的液空进入贫氪氙塔，作为提取贫氪氙的原料液。因马钢20 000 m3/h空分设备未设置氪氙精制设备，贫氪氙塔未投运，下塔液空经液空节流阀V1、V701分别进入上塔提馏段与粗氩冷凝器。

液空节流阀V1与阀门进口处液空管线直径均为Φ90 mm，将液空节流阀V1全开，液空经此液空管线流量低。在减小纯液氮节流阀V3开度时，下塔增加回流液体滞留于下塔Ⅵ段精馏区域，无法通过液空节流阀V1进入上塔提馏段，下塔塔釜液空液位高。造成下塔Ⅵ段精馏区域塔板与溢流斗液面均上升，下塔Ⅵ段精馏区域塔板回流液体积累、悬浮，下塔Ⅵ段精馏区域发生液泛。

因下塔Ⅵ段精馏区域发生液泛，下塔Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ段精馏区域回流液体与上升蒸气热质交换效率降低，氮气氧含量上升，进塔加工空气量减少，氧气产量降低。

2.2　 处理措施

2.2.1操作方法改进

开启下塔液空排放阀，排放下塔Ⅵ段精馏区域液空。同时，增大粗氩冷凝器液空进液阀V701开度，因入粗氩冷凝器液空管线直径为Φ203 mm，可有效将下塔Ⅵ段精馏区域液体通过粗氩冷凝器工作输入上塔。为避免因进入粗氩塔氩馏分流量高，粗氩冷凝器冷凝侧氮气积聚量增大，降低氩馏分氩含量，不使粗氩塔发生氮塞。以此，降低下塔液空液位与阻力，消除下塔Ⅵ段精馏区域液泛。

同时，在空分设备冷开车、热开车调纯阶段，减小纯液氮节流阀V3开度，调节氮气纯度时，采用同步投运粗氩塔方法，将下塔Ⅵ段精馏区域液空及时转移至粗氩冷凝器，不使下塔Ⅵ段精馏区域发生液泛。

2.2.2下塔液空管线技术改造

2010年10月，通过对下塔液空管线进行技术改造，消除下塔Ⅵ段精馏区域发生液泛。具体下塔液空管线改造措施如下：

针对马钢20 000 m3/h空分设备自投产，贫氪氙塔未投运状况，取消贫氪氙塔精馏功能。将从下塔抽取经液空节流阀V1603进入贫氪氙塔，作为提取贫氪氙原料液的部分液空，改为进入液空节流阀V1出口直径为Φ110 mm液空管线，使液空节流阀V1与V1603并联，从而增加液空节流阀V1所在液空管线的液空流量，有效将下塔Ⅵ段精馏区域液空输入上塔提馏段。下塔液空管线改造示意图如图3所示。

图3　改造后空分设备精馏系统流程简图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空分设备操作方法改进完毕，下塔Ⅵ段精馏区域未因液空节流阀V1所在液空管径小发生液泛，氮气氧含量调至5×10-6～8×10-6。同时，因氩馏分氩含量控制较低，液氩产量未达标。

2010年12月，20 000 m3/h空分设备下塔液空管线改造完毕，投入运行，下塔Ⅵ段精馏区域未因液空管径小发生液泛，氮气氧含量小于5×10-6，液氩产量较大幅度提高，效果明显。

3　分子筛吸附器故障影响

3.1　液泛故障现象与原因分析

2011年8月，处于冷备用状态的20 000 m3/h空分设备分子筛吸附器发生进水故障。使用库存分子筛、氧化铝将进水失效的分子筛、氧化铝更换、活化后，空分设备开车，下塔阻力较高，氧气纯度合格，氮气氧含量大于22×10-6未达标。

随着空分设备运行时间延长，下塔液空液位与阻力波动幅度增大，分子筛吸附器出口空气中二氧化碳含量与氮气氧含量同步升高。对下塔液空分析化验，液空中二氧化碳含量高。根据生产计划，空分设备运行3周后，停机再次转入冷备用状态。20 000 m3/h空分设备停运前运行参数见表3。

表3　20 000 m3/h空分设备停运前运行参数Table 3　20 000 m3/h ASU before the stoppage of operation parameters

通过对20 000 m3/h空分设备运行参数分析，20 000 m3/h空分设备下塔发生液泛。在空分设备停机后，对分子筛吸附器中分子筛、活性氧化铝取样分析化验，更换的分子筛、活性氧化铝因库存时间长，吸附容量大幅度降低。在空分设备运行时，分子筛吸附器吸附效率降低，分子筛吸附器出口空气中二氧化碳含量逐步上升，使下塔塔板筛孔被固态二氧化碳逐步堵塞，下塔塔板液体厚度增加，下塔塔板阻力逐步增加，使下塔Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ段精馏区域发生液泛。

随着下塔塔板筛孔堵塞程度增加，下塔液泛逐步加剧，下塔上升蒸气液化量与回流液体蒸发量逐步降低，使氮气氧含量上升，下塔液空液位与阻力波动，入下塔低压空气、中压膨胀空气、高压空气流量降低。

3.2　处理措施及效果

通过订购质量合格的分子筛与活性氧化铝，将空分设备2台分子筛吸附器中分子筛、活性氧化铝全部更换。同时，将下塔、主冷、粗氩塔、精氩塔、粗氖氦塔液体排尽，在分子筛吸附器中分子筛、活性氧化铝全部更换完毕，启动空压机、投运空冷系统、再生活化分子筛吸附器，对20 000 m3/h空分设备进行全面加温，清除空分设备低温系统积聚的二氧化碳。

2012年2月，20 000 m3/h空分设备开车运行，下塔Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ段精馏区域液泛现象消除，空分设备运行工况稳定，效果较好。

4　粗氩塔氮塞影响

4.1　液泛故障现象与原因分析

2011年4月25日，空压机入口导叶因定位器故障出现波动现象。在分子筛吸附器升压阶段，氩馏分氩含量升至15%，粗氩冷凝器液空液位由正常运行280 mm升至750 mm。同时，下塔液空液位与阻力值均大于其报警值，氮气氧含量由2.1×10-6升至大于7000×10-6，入下塔低压空气、中压膨胀空气、高压空气流量均降低。

根据故障现象分析，下塔Ⅵ段精馏区域发生液泛。在分子筛吸附器升压阶段，空压机入口导叶因定位器故障波动，入下塔参与精馏加工空气量减少，主冷热负荷降低，上塔提馏段氩富集区下移，氩馏分氮含量增大，粗氩冷凝器冷凝侧氮气积聚量增大，粗氩冷凝器热负荷下降，粗氩塔发生氮塞。

因粗氩塔发生氮塞，粗氩冷凝器液空蒸发量减少，粗氩冷凝器液空液位升高，下塔部分液空无法通过粗氩冷凝器工作输入上塔，滞留于下塔Ⅵ段精馏区域，下塔Ⅵ段精馏区域塔板液面厚度与溢流斗液位上升，使下塔Ⅵ段精馏区域发生液泛，下塔回流液体与上升蒸气热质交换效率降幅大，氮气氧含量高。

4.2　处理措施及效果

1.将液空节流阀V1全开，开启下塔液空排放阀，同时增大纯液氮节流阀V3、污液氮节流阀V2开度，降低下塔液空液位及阻力。

调节主塔工况，使氧气纯度与氩馏分氩含量稳定。同时调节粗氩塔工况，消除粗氩塔氮塞，保持粗氩塔运行，消除下塔Ⅵ段精馏区域液泛。

2.根据生产计划，在空分设备停机时，将空压机入口导叶定位器更换。同时，针对空压机入口导叶定位器故障较多，造成粗氩塔氮塞，使下塔Ⅵ段精馏区域发生液泛现象，2012年1月，对空压机入口导叶定位器实施移位技术改造。

空压机入口导叶定位器安装在入口导叶执行机构支架中，因空压机机体振动影响，入口导叶定位器故障率高。通过对入口导叶定位器进行移位技术改造，将入口导叶定位器移出空压机机体，安置在无振动固定支架中，有效避免入口导叶定位器故障，粗氩塔运行工况稳定，下塔Ⅵ段精馏区域未再次发生液泛，效果明显。

5　结束语

针对马钢20 000 m3/h空分设备投产后，下塔发生多起液泛现象，马钢在杭氧设计人员指导下，分析下塔发生液泛具体原因，根据20 000 m3/h空分设备工艺流程与设备结构特点、通过设备技术改造、故障隐患消除、操作方法改进，消除下塔发生液泛影响因素，保证设备安全稳定运行。