过冷器污氮通道堵塞原因分析与处理

2022-02-25石开能

冶金动力 2022年1期

石开能

（山东寿光巨能特钢有限公司，山东寿光 262711）

前言

山东寿光巨能特钢有限公司KDONAr12000/20000/400 型空分设备（以下简称2#空分设备），采用全低压氮水预冷、分子筛吸附净化、增压透平膨胀机制冷、膨胀空气进上塔和全精馏制氩外压缩流程。自2007 年9 月投运以来，一直安全、稳定运行。2018 年7 月，因存在部分阀门关闭不严、卡顿、泄漏跑冷和制氩系统工况不稳定等问题扒砂大修，更换了16台故障调节阀，制氩系统加装了工艺氩气液分离器。空分设备检修后运行情况：氧气产量12 000 m³/h，纯度99.6%，氮气产量28 000 m³/h，纯度99.999%，氩气产量400 m³/h，纯度99.999%。工艺流程简图见图1。

图1 2#空分KDONAr12000/20000/400型空分设备流程示意图

在空分设备试车过程中上塔阻力PDI-2曾因负压仪表管不排气而没有显示数据，疏通后仍然不出气，初步判断是负压管堵塞。之后通过三通阀从辅塔阻力PDI-3 正压管接气，上塔阻力才显示正常。其他参数均正常，设备运行良好。

2019年11月空分设备计划停车检修后，进塔空气量、氧气产量、上塔压力和阻力等达不到正常工况时的参数。只能在保证氮气纯度的情况下，通过加大氮气取出量从而适当降低上塔压力维持空分设备运行。

1 故障现象

2019 年11 月20 日，根据生产检修计划2#空分设备不排液停车，冷箱保冷，停车前空分各系统运行参数正常。2019 年11 月22 日短期停机再启动时工况异常，上塔压力高，污氮出塔压力低，污氮去预冷系统阀门PVC-104开度15%（正常时55%）。

11月22日10:00，空压机检修完成，开机试车正常；11:30，空气预冷系统、分子筛纯化系统工况正常后往冷箱送气。直至21：30，氮气产量达到25 500～26 500 m³/h，纯度99.99%～99.995%。11 月23 日0:00，氧气产量8 000～8 200 m³/h，纯度99.3%～99.7%，上塔阻力8 kPa，压力47 kPa，进塔气量54 000 m³/h，调纯耗时是原来的4 倍。氧产量继续放大后，纯度迅速降低至92%，氧气提取率低，液空、液氧液位波动大且不完全呈比例。为了提高氧气产量，采取继续开大液氮回流下塔阀V5、增大进塔空气量和开大液氮节流阀，提高液空纯度和降低上塔下部回流比的措施，将V5 阀从正常值60%开至90%左右，液氮节流阀开至下塔液氮降低的临界点。通过调整，11 月25 日氧气产量达到9 000～9 200 m³/h，纯度99.6%～99.8%；11 月25 日13:00 分随着粗氩塔投运，氧气产量逐渐达到10 800～1 1000 m³，纯度99.6%～99.8%，氮气产量28 000～29 300 m³，纯度99.99%～99.995%，虽然氧气和氮气的产量有所增大，但只要氧气产量、液氮节流阀开度、粗氩流量出现轻微波动或调整，就会造成氧、氮气纯度迅速降低现象，上塔抗干扰能力差。

2 原因查找和确认

2.1 原因分析

空分设备上塔压力高、阻力大，进而造成精馏塔精馏效率低，氧气提取率低，氧气产量不达标，这些现象的直接原因有以下方面。[1]

（1）空分设备短期停机时氧气、氮气、污氮出塔阀门关闭不严，精馏塔保压不足，塔内温度和压力低，含湿空气进入主换热器冷端，造成主换热器结冰堵塞。启动开车后，返流气体经过主换热器阻力大，造成上塔压力高、上塔阻力大。

（2）空分设备短期停车时未排放水冷塔积水，污氮气去空气预冷系统气动阀关闭不严，精馏塔保压不足，塔内温度和压力低，含湿空气进入主换热器污氮通道造成结冰堵塞。启动开车后，返流污氮气经过主换热器阻力大，造成上塔压力高、上塔阻力大。

（3）空分设备短期停车时冷箱密封气—污氮阀门未关闭或关不严，精馏塔保压不足，塔内温度和压力低，冷箱内珠光砂被吸进入主换热器污氮通道造成珠光砂堵塞。启动开车后，返流污氮气经过主换热器阻力大，造成上塔压力高、上塔阻力大。

（4）上塔底部或膨胀机出口处有泄漏，空分设备停车后珠光砂进入上塔底部，造成上塔填料堵塞，精馏工况异常。

（5）2018 年7 月2#空分大修更换塔内气动阀，8月10 日试车时上塔阻力PDI-2 不显示，拆开上塔负压管仪表管不出气，疏通后仍然不出气。上塔阻力仪表的负压管可能出现断裂，空分设备短期停机时，精馏塔保压不足，塔内温度和压力低，由于上塔污氮取出口处与上塔阻力负压管接口位置接近，冷箱内珠光砂从负压管断裂处被吸进入上塔。在空分设备启动时吸入的珠光砂被气流冲进污氮管道，从而造成过冷器污氮通道堵塞。

2.2 故障排查和确认

2020年1月14日，利用3#高炉停产检修机会对2#空分设备实施排液大加温，排查工况异常的原因。1月14日13:40，2#空分设备停车排液、加温、吹扫；1 月17 日10:05，主冷吹除阀气体露点-58 ℃，污氮吹除阀气体露点-57 ℃，氧气吹除阀气体露点-56.9 ℃，氮气吹除阀气体露点-56.3 ℃，氮气出过冷器温度13.2 ℃、污氮气出过冷器温度11.7 ℃、膨胀空气进上塔温度8 ℃、氧气出膨胀空气换热器温度10.2 ℃，吹扫期间未发现各吹除阀有珠光砂吹出；1月17日15:15开启1#、2#膨胀机，1月18日5:15分主冷出现液体，排液检查有微量珠光砂粉尘，再次排液时未发现珠光砂；1月19日0:10主冷液位2 600 mm，0:42 开启V5 阀时，上塔阻力快速增大至满量程20 kPa（估算值35 kPa，正常值12 kPa），上塔压力上升至65 kPa（正常值40 kPa）；与11月22日开车时的故障相似。

改变操作方法，采用排放下塔液空减少进上塔液体量的操作方法。1月19日12:08，上塔阻力减少至8 kPa，氧气纯度开始上升，14:45 氧气产量7 000～7 200 m³/h，纯度99.6%～99.8%。1月21日5:00，氧产量增大到7 500～7 700 m³/h，纯度99.6%～99.8%，提取率仅为80%；氮气产量25 500～26 500 m³/h，纯度99.99%～99.995%。投运制氩系统后，进塔空气量逐渐由49 500 m³/h 增大到54 600 m³/h；氧气产量逐渐增大到9 800～10 200 m³/h，纯度99.6%～99.8%；氮气产量28 000～29 300 m³，纯度99.99%～99.995%，上塔压力46～48 kPa，进塔气量、氧气产量、上塔压力、上塔阻力等达不到正常工况值。

分析精馏塔加温吹扫后空分设备投运的技术参数，可以确认空分设备工况异常的原因。

（1）排除结冰和珠光砂堵塞主换热器通道。故障发生时上塔压力最低1.3 kPa，如果含湿空气进入冷箱内，就应最先在主换热器冷端部位冻结。运行后在主换热器氮气总管吹除阀、氧气总管吹除阀、污氮总管吹除阀加装压力表，计算各股流体通过主换热器前后压差。氧气通过主换热器压差为10 kPa，氮气通过主换热器压差为12 kPa，污氮通过主换热器压差为12 kPa，主换热器返流气体各通道阻力正常。同理，可以排除水蒸气通过污氮管道进入主换热器和冷箱内珠光砂通过污氮密封气管道进入主换热器造成堵塞。

（2）排除上塔底部或膨胀机出口某处有泄漏。空分设备再次运行时排放的液氧时有少许珠光砂粉末，不能完全排除管线泄漏。精馏塔管线有泄漏点导致珠光砂进入上塔，可能会堵塞部分填料截面，上升气体通过小流径穿过填料，下流液体不能均匀地在填料中与上升蒸汽进行热、质交换，冷凝、蒸发不均匀导致氧气产量不高。珠光砂内可吸收大量的液体，所以氧产品纯度破坏后纯度提升较慢，珠光砂阻塞了部分填料，导致主冷上升蒸汽上升截面减少，所以主冷氧侧压力较高。通过停车大加温，精馏塔各排放阀、吹除阀出没有珠光砂吹出，且氧气、氮气出主换热器通道阻力正常。冷箱密封气压力稳定在0.8 kPa，冷箱密封气含氧稳定在6%，冷箱基础温度都在正常范围，可以排除上塔底部或膨胀机出口某处有泄漏。

（3）过冷器污氮通道堵塞。污氮出主换热器后压力为10 kPa，正常运行设定为13 kPa，污氮去预冷系统阀门PVC-104 开度15%（正常时55%）。因上塔压力高，所以手动开大污氮去预冷系统阀门PVC-104 阀门；但是污氮出塔压力仍持续降低，上塔压力基本不变。在位于过冷器和主换热器之间的污氮总管吹除阀处加装压力表，压力表显示12 kPa，初步判断过冷器污氮通道阻力在21 kPa 左右，过冷器污氮通道存在堵塞现象。

3 故障排除

2020 年6 月19 日，空分设备开始停车大加温、扒砂维修，检查冷箱内管路和容器发现上塔阻力负压管断裂。6月29日，拆除过冷器，发现过冷器污氮通道换热翅片外有明显珠光砂堵塞情况。根据运行时阻力高达21 kPa 估算，过冷器换热翅片内部完全堵塞的截面积大于1/2，与检修前判断的故障一致。另外氮气通道有轻微的珠光砂粉末，可能是上塔内珠光砂粉末通过氮气、污氮气管道进入到过冷器。在上塔中部切口，检查填料和分布器，均未发现珠光砂。修复负压管，更换过冷器。2020 年7 月20 日空分设备检修后试车成功，氧气、氮气、液氩产量和纯度均达到设计工况。