分子筛运行故障处理和升级改造

蒋小林，袁 苑，石成军，陈 韬，吴继强

（马鞍山钢铁股份有限公司气体销售分公司，安徽马鞍山 243000）

1 基本概况

分子筛净化系统是制氧机运行质量和安全重要组成部分。其运行的状态好坏与否，直接决定和影响制氧机长周期运行的关键因素之一。

马钢40000 m3/h制氧机于2004年4月投产，卧式分子筛吸附器选用13X型分子筛，其床层分布如图1。

图1 分子筛吸附器装填简图

由于本制氧机是全提取装置，同步提取氪氙产品。2004年10月下旬，下塔进入氪氙浓缩塔T5111的氮气量FIC5164锐减 (氪氙塔负荷)，从设计值13500 m3/h减少到约2500 m3/h，T5111无法维持正常的精馏工况，同时对粗氩塔的液空循环造成严重影响，不得不靠增加T5111底部排放液体量FIC5117来维持粗氩塔液空的循环量，最大排放到1000 m3/h（设计值80 m3/h）。当时初步怀疑是施工安装的异物造成塔的蒸发器堵塞，并制定了更换蒸发器的方案和措施，因马钢公司钢铁产能不断释放，不能停运制氧机。直到2005年4月四万制氧机进行了全面加热，重新投运后FIC5164达到设计值，稳定了2个月后再次逐步减少，设备制造厂专家对稀有气体系统及净化系统进行了大量分析，并最终确定了因分子筛末期二氧化碳出现峰值，最高达到1.9×10-6。由于有CO2存在低温部分减少了N2O在液氧里溶解，在液氧环境里CO2/N2O混合物的固体沉淀在蒸发器表面，影响了蒸发器的换热效果。根据这一分析结果，2006年4月40000 m3/h制氧机补充了约33 t LMSK1825分子筛，消除了分子筛后CO2的穿透，氪氙浓缩塔堵塞现象消失，从而具备了调试氪氙的条件稳定运行。

2 分子筛劣化及故障发生

2.1 故障现象

2017年6月4日，在日常巡检时发现，A#分子筛再生时，再生气放散口有少量颗粒分子筛，5日A#分子筛运行至末期时，CO2在线分析有穿透现象发生，最高达0.90×10-6（正常时在0.02×10-6）。按照公司组产安排，计划6月中下旬停运40000 m3/h制氧机检修，为此制定了应急措施维持装置运行。

2.2 应对措施

A#分子筛出现分子筛泄漏现象，A#分子筛吸附能力逐渐下降，冷吹末期出现CO2穿透现象。为了保产，维持空分生产稳定，以减少分子筛吸附负荷为目的，决定采取以下措施：

（1）减少B#分子筛再生时间，缩短A#分子筛使用时间。A#分子筛再生时间增加，延长B#分子筛使用时间。加强对装置液空中CO2取样分析。

修改步骤：

B#分子筛准备再生→分子筛“暂停”→修改加热时间（88 min→69 min）→修改冷吹时间（147 min→116 min）→检查、确认无误→分子筛“暂停”取消→分子筛自动A#分子筛准备再生→分子筛“暂停”→修改加热时间（69 min→88 min）→修改冷吹时间（116 min→147 min）→检查、确认无误→分子筛“暂停”取消→分子筛自动。

（2）监控分子筛再生曲线，A#/B#再生峰值应该不低于100℃，再生末期，监控冷吹结束时TI2601/T2602温度，控制低于45℃。

（3）A#分子筛使用末期，监控AI2615 CO2峰值（正常值0.5×10-6CO2以下）。

（4）监控分子筛入口温度，越低越好。监控水温TI2421，不高于28℃，如超过及时与308#泵房沟通。

（5）加强巡检，观察PV2645出口防护套喷“分子筛”情况，跟踪对比。

（6）根据空气湿度及环境条件，每班次至少2次，启动放散塔水泵排水，每次5 min。观察排水量变化及排砂情况。出现排水故障，及时更换备用泵。

（7）空分减负荷至氧量37500 m3/h运行，注意监控增压机各级轴承振动，及时调整氩系统工艺参数，调整下塔液空阀LIC3201.1的开度（＞25%），调整精氩塔回流液空阀LV4121.1开度（＞9%）。

（8）加强空分系统运行参数监控，重点参数见表1。

表1 重点监控点位表

（9）启动冷冻机，保持冷冻水温度在9～11℃间，保证分子筛保持分子筛进口温度在10～13℃间运行，以便减小分子筛运行负荷，利于分子筛运行。

（10）换热器阻力 PDI2614出现＞12 kPa，并快速上升，A#分子筛失去吸附能力时，为了给其他机组争取启动时间，要求作如下紧急处理：

①若B#分子筛正在使用，立即“暂停”程序，保持B#使用状态，直到B#二氧化碳亦穿透或上级通知停车。

②若A#分子筛正在使用，立即调整分子筛程序，切换到B#使用，直到B#CO2穿透或上级通知停车。

2.3 紧急处置

2.3.1 在线检查

6月8日，在分子筛再生气放散口发现较大量的分子筛颗粒，经商讨决定，在A#分子筛泄压结束后暂停程序，打开一端人孔，在外部对其内部进行检查确认发现，分子筛床层（图1）中靠右北侧塌陷一个面积约5 m2，深度约600 mm的“坑”，为了不更深影响因敞口时间过长造成分子筛吸附性能进一步下降，所以，决定关闭人孔，立即恢复其再生程序。

2.3.2 床层塌陷原因分析

经检查确定是因分子筛床层塌陷，此处床层变薄空气因短路流动，造成吸附不完全，导致CO2穿透现象发生，分析如下：

通过对照图纸（见图2），两层分子筛和两层氧化铝之间均有不锈钢筛网，并且底部有一层带有网孔的格栅板，而泄漏出的90%是分子筛，极少数氧化铝。分析认为是每层平铺筛网发生位置变化，造成分子筛逐步泄漏到底层氧化铝处，由于气流的作用，使得分子筛从底部网孔的格栅板漏出（注：底部网孔的格栅板孔径3 mm），网孔可以阻挡底层氧化铝漏出，而分子筛直径与格栅板孔径接近从而泄漏。

上述分析基本确定，下一步查找每层平铺的筛网发生位置变化的原因。考虑先前发生泄漏时，是有少量氧化铝漏出，所以，得出结论是：

（1）局部底层网孔的格栅板有破损且不是很大，造成氧化铝先发生泄漏，随分子筛泄压时，气流带出，使这一区域的床层发生塌陷，致使上层的分子筛床层随之塌陷，造成原先铺平的筛网不能很好地起到阻隔作用，分子筛由筒体边缘向下下沉，最终从底层格栅板破损处漏出。

（2）床层底部支架与底层格栅板连接处有锈蚀，是造成上述（1）分析中的泄漏原因。

图2 床层材料分级示意图

2.3.3 床层塌陷紧急处理

CO2穿透出现在A#分子筛使用末期（约剩余10 min左右），通过趋势图观察和对液空取样分析CO2含量变化，裂化趋势较为可控，又因组产需要，短期没有条件进入停机检修状态情况下，制定了临时应急处理方式，即：

（1）在下一次A#分子筛泄压结束后，暂停运行程序，打开靠泄漏分子筛一侧人孔进入内部，做好安全防护，安排人员着“呼吸器”进入分子筛内部，在有限的时间内（8 min）用准备好的、相同规格的不锈钢筛网将因塌陷造成床层隔筛网缝隙补齐，从而减少分子筛泄漏量。

（2）用工具将周围分子筛向塌陷处铺平，降低空气因短路流动，减少因吸附不完全导致CO2穿透现象发生。

2.3.4 效果检查

通过2次实施上述应急处理措施、装置负荷控制及分子筛进气温度降低和再生温度等控制方法，期间，对CO2趋势变化和液体取样一直严密监控，成功地使制氧机安全维持到计划检修停机时间。

3 新型分子筛更换方案

鉴于四万机组全提取的工艺特点，考虑优化更换和改造原有分子筛及氧化铝的比例，特别是某厂家分子筛除N2O性能数据，最终考虑选用APGⅢ8×12″新型分子筛。新旧分子筛装填参数见表2。

表2 分子筛新旧装填参数表

4 更换及改造过程

2017年6月15日～7月31日四万制氧机停机大修，期间进行分子筛更换，针对出现的问题重点排查，并对故障点进行修复改造。

4.1 分子筛吸附器内部检查和处理

（1）经检查发现：每层不锈钢隔网出现了不规则的约100 mm长裂缝，且每片连接的不锈钢丝有断开现象。分析原因是使用时间有14年之久，长期常温和135℃再生温度之间交替，使不锈钢隔网“老化”出现裂缝。决定全部更换新的符合标准的不锈钢隔网和连接钢丝。

（2）对底部格栅板和钢结构支架进行了重点检查，发现一处钢结构支架有因锈蚀出现的约20 mm的孔洞（见图3），位置与运行中进分子筛内部检查塌陷处基本一致，所以判定此处是分子筛泄漏的“症结点”。由于此处对应空气进分子筛吸附器的入口，在长期大量含湿带压空气冲刷下，造成锈蚀严重，在制作分子筛支架前期，钢结构材质存在问题，导致故障的发生。随后，对底部格栅板锈蚀孔洞处进行了封补焊处理，杜绝了再次发生泄漏的可能性。对其他钢结构支架和底部格栅板检查时，未发现破损和异常。

图3 分子筛吸附器底部格栅板漏洞处理

（3）检查中发现两组分子筛吸附器进气管入口附近钢结构锈蚀较为明显，对其进行了加固防腐处理。

4.2 分子筛装填

因为在扒装分子筛期间，处于7月高温多雨季节，对施工带来一定影响。除天气和气温影响，实际扒、装时间为12天左右。严格按照分子筛装填要求，基本保证每个分子筛吸附器内同批次吸附剂桶数相当。

新装填分子筛和氧化铝数量：

氧化铝（3～5 mm）：353桶×135 kg；

氧化铝（5～8 mm）：77桶×135 kg；

分子筛（APGIII 8×12″mm）：820桶×135 kg。

5 改造效果

改造新型APGⅢ8×12″分子筛，计算气体阻力如表3。

表3 分子筛阻力对比表

分子筛升级改造后，采用新型吸附能力强的吸附剂，装填料减少，填充高度由1.85 m降低到1.65 m，运行阻力由11 kPa降至约9 kPa，阻力变小，制氧机能耗降低，换算每年节省电耗187716 kW·h。

分子筛改造前，每4 h加热80 min，年度加热耗电：5256000 kW·h；分子筛改造后，每5 h加热80 min，年度加热耗电：3390968 kW·h；年节省电耗：1865032 kW·h。并且，新型分子筛吸附容量变大，分子筛的运行周期由原来的4 h延长到5 h，加热时间只延长了10 min，分子筛切换次数减少，对工况波动影响降低，使得氩生产及操作也相应稳定和减少。分子筛更换前后再生时间表见表4。

后续将根据分子筛运行情况，在满足工艺条件要求下摸索适当延长运行周期。

6 结论

总之，这次40000 m3/h制氧机无论是分子筛运行过程中出现故障，还是升级过程中发现床层隐患，对制氧机长周期安全运行都有很好的警示作用：

表4 分子筛更换前后再生时间表 min

（1）在科学合理周期范围内使用吸附剂，并择机定期抽检。

（2）运行期间，对工艺状态、参数跟踪，出现异常后采取有效措施的同时，制定完善的解决方案。

（3）运行年限较长的制氧机，在检修条件允许情况下，对底部床层支架等部件进行检查是很有必要的。