空分装置立式径向流吸附器故障分析

胡生丽

(神华宁煤精细化工分公司 宁夏灵武 750411)

大型空分装置大都采用立式径向流吸附器来降低系统的能耗，但随着化工行业的迅速发展，极端环境温度的出现以及空分装置吸入口空气质量的不断恶化，使立式径向流吸附器出现了吸附剂使用寿命较预期短、吸附器内部材质损耗的问题。为此，通过采用相应的技术改造措施，以保证空分装置的长周期稳定运行。

1 研究背景

空分装置是以空气为原料生产氧气、氮气、氩气及其他稀有气体的装置，必须在空气进入精馏塔液化分离之前除去其中的水蒸气、二氧化碳以及乙炔等碳氢化合物，以防止这些物质在精馏塔中冷凝结冰而堵塞管路，甚至出现乙炔等碳氢化合物的积聚而引发爆炸。

由活性氧化铝和分子筛吸附剂组成的双层床吸附器是深冷法空气分离装置中实现原料空气净化的重要设备，其中氧化铝用于吸附水蒸气，分子筛用于吸附二氧化碳和残余的水蒸气。

随着空分装置原料空气处理量的不断增大，在相同吸附剂装载负荷的前提下，传统的卧式水平床吸附器存在占地面积大、床层压降较大且吸附床容易发生穿透现象等问题。而立式径向流吸附器能够有效增大气体流通面积，可大幅减小床层阻力，从而降低系统能耗且占地面积小，因此，近年来立式径向流吸附器在大型空分装置中得到越来越广泛的应用。

2 立式径向流吸附器的发展及应用

法国液化空气公司于1981年首次研发了立式径向流吸附器，集流流道内布置了导气锥，用于改变吸附床侧静压分布，使得床层两侧压降沿轴向高度相等，达到流场均布的效果并获得实际应用。

径向流吸附器内进行的变温吸附过程可分为4个基本步骤，即升压、吸附、降压和解吸，吸附和解吸过程的气流方向采用逆向流动方式。立式径向流双层床吸附器结构示意如图1所示。

1.空气进口 2.空气出口及再生气进口 3.吸附剂填装口 4.筛网 5.分子筛 6.导气锥(中心筒) 7.氧化铝 8.再生气出口图1 立式径向流双层床吸附器结构示意

吸附时，空气从吸附器底部空气进口进入，通过分配器均匀流动进入最外层环形空间，由外向内径向依次穿过氧化铝和分子筛双层吸附床，干燥纯净的空气从集流管上部流出；再生时，污氮气的流动方向与空气相反。部分立式径向流吸附器仅装填分子筛而不装填氧化铝，如国内杭氧公司生产的空分装置，同样处理量的吸附器装填的吸附剂量较法国液化空气公司的多，吸附器直径也较大，这2种吸附器的可靠性在生产中均得到了安全稳定的验证。

3 立式径向流吸附器在运行过程中存在的问题

神华宁夏煤业集团煤制烯烃项目建设有2套独立的制氧能力为90 000 m3/h(标态)的空分装置，单套空分装置处理量为520 000 m3/h(标态)，由液化空气(杭州)有限公司采用法国液化空气公司技术设计制造，吸附器采用法国液化空气公司的立式径向双层床结构。2套空分装置于2010年3月投用，为后系统提供氧气和氮气产品以及工厂风和仪表风。在实际运行过程中，立式径向流吸附器出现的问题介绍、分析如下。

3.1 立式径向流吸附器入口空气温度高

空分装置采用的循环水为公司自营外供，循环水设计外供温度为30 ℃，回水温度为40 ℃。由于该项目在设计过程中未完全考虑当地的极端气温，在夏季出现极端温度时，循环水水温高达35 ℃以上，而分子筛再生和氮水冷却塔用以冷却水的污氮气量是有限的，采用冰机再次冷却冷冻水用于在空冷塔中换热，夏季(环境温度>30 ℃)立式径向流吸附器入口空气温度较设计值高3 ℃左右，导致预冷系统水质冷量欠缺，进一步影响立式径向流吸附器的运行。

在空分装置空气处理量不变的情况下，进立式径向流吸附器的饱和湿空气含水量随空气温度的变化如表1所示。

表1 饱和湿空气含水量随空气温度的变化

空气温度/℃含水量/(g·kg-1)空气温度/℃含水量/(g·kg-1)空气温度/℃含水量/(g·kg-1)131.557161.891192.287141.662172.016202.434151.774182.147212.590

针对因夏季空气温度高而影响立式径向流吸附器入口空气质量的问题，在原有冰机的基础上为每套空分装置增加1台冰机，以降低进立式径向流吸附器的空气温度。改造后，立式径向流吸附器入口空气温度降至11～13 ℃，有效降低了吸附器的吸附负荷，延长了吸附剂的使用寿命。

3.2 立式径向流吸附器出口空气中二氧化碳含量频繁超标

立式径向流吸附器外层装填活性氧化铝，内层装填13X分子筛，设计吸附器入口空气中φ(CO2)为550×10-6，出口空气中φ(CO2)<1×10-6，运行切换周期为4 h，设计吸附剂使用寿命为15年。随着园区周围其他项目的陆续投产，空气质量有所下降，空气中φ(CO2)>550×10-6。

该空分装置自投用以来，吸附器的实际切换周期为3.3 h，达不到设计要求。由于运行时间缩短，切换频繁，加剧了分子筛及氧化铝的粉化，造成床层下沉，每年需补充装填吸附剂1次。由于该设备采用法国液化空气公司的专利技术且吸附剂设计使用寿命为15年，设计时未设置吸附剂取样口，导致吸附剂吸附容量等参数无法进行具体分析，顶部装料口仅能取到新补充的分子筛及氧化铝，不具有代表性，无法判断吸附剂是否满足更换条件。由于分子筛已投入使用7年，根据分子筛再生曲线与吸附器出口频繁出现二氧化碳含量超标的现象(增加新冰机后)，明显可以判定吸附剂已到达使用末期。由于吸附器出口空气中二氧化碳含量超标，最高时φ(CO2)达到4×10-6，造成板式换热器堵塞、换热效率下降，进而影响装置运行负荷。鉴于空气质量的下降及吸附剂使用寿命到期，利用公司整体大检修机会对吸附剂进行了更换，空气中φ(CO2)按800×10-6考虑。

3.3 立式径向流吸附器内部材质的损耗

对于采用法国液化空气公司技术设计制造的立式径向流吸附器，尤其是处理能力大于60 000 m3/h(标态)空分装置吸附器的吸附剂更换，在国内尚无先例。在更换过程中，当吸附剂全部抽完后开始检查内部丝网情况，发现氧化铝侧下部丝网破损较严重，丝网破损位置在氧化铝侧下部与格栅接触的部位，且丝网与格栅接触面上的破损尤为严重。考虑到格栅材质为16MnR，而丝网材质为304，存在格栅锈蚀后与不锈钢发生晶间腐蚀而造成不锈钢丝网破损的可能。

鉴于公司生产的安排及检修成本，综合考虑法国液化空气公司给出的修补建议，对损坏面积较大的丝网区域进行拆网并进行大面积的补网，法国液化空气公司的技术人员参与了整个修补过程并给予技术指导。

4 结语

空分装置的运行不仅要考虑安全可靠，还要考虑运行的经济性。空气质量的日益恶化以及夏季环境温度逐年上升等因素都与空分装置的安全稳定运行息息相关，吸附器在日常运行中除了时刻关注再生曲线与冷吹峰值外，还需多关注吸入口空气质量(可增加碳氢化合物含量在线监测设备)，同时关注风向的变化情况，在周围出现异常情况而影响吸入口空气质量时，以便及时进行调整，保证空分装置安全稳定运行。2套空分装置在修补丝网并装填新的吸附剂后，运行指标正常，切换周期依然在3.3 h内，但丝网破损与格栅的腐蚀依然存在，成为装置安全运行的隐患。

立式径向流吸附器增设取样口和吸附剂卸料口对于判断吸附剂使用寿命及更换具有现实的指导意义，同时内部丝网及格栅的选材应考虑存在不锈钢晶间腐蚀的可能，以保障吸附器的使用寿命。