二氧化碳穿透分子筛床层故障分析和处理

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1、昆山锦沪机械有限公司 Tel：0512-57679491 57671898 57671822 57876296 Fax：0512-57671828Kunshan Elegant Machinery Co.,Ltd二氧化碳穿透分子筛床层故障分析和处理摘要: 针对60000m3/ h 空分设备分子筛吸附器出口空气中二氧化碳含量超标的现象, 详细分析故障原因, 阐述处理措施、效果以及从中得到的经验和教训。关键词: 大型空分设备; 分子筛纯化系统; 二氧化碳含量中图分类号: TQ116111 文献标识码: BAnalysis and treatment of carbon dioxide permea

2、ting inmolecular sieve bedWang Gaomin , Guan Chuanyou , Guan Xin( A i r Separation Workshop of Guotai Chemical Co. , L t d. , Yanz hou Mi ne A dmi nist ration Group ,Mushi Tow n , Tengz hou 277527 , S handong , P. R. Chi na)Abstract : Based on the phenomena of over2standard carbon dioxide content in

3、 the outlet air f rom molecular sieveadsorber in a 60000m3/ h air separation unit , the cause of fault is analyzed in details. The t reatment measuresand their effect s , as well as experiences and lessons f rom the fault , are presented.Keywords : Large scale air separation unit ; Molecular sieve p

4、urification system; Carbon dioxide content前言1 故障现象2007 年8 月12 日, 分子筛吸附器出口空气中二氧化碳含量超标(高于2 10 - 6 ) , 并有上涨趋势。经过操作人员调整, 上涨趋势有所缓和, 但二氧化碳含量仍居高不下。为了保证空分设备稳定运行, 详细记录分子筛吸附器的运行情况, 并对各工艺指标趋势进行对比分析, 发现分子筛吸附器出口空气中二氧化碳含量超标的时间在其切换末期, 均压阶段开始明显上涨; 分子筛吸附器再生冷吹的温度峰值最低为38 , 并多次低于50 ; 主冷的二氧化碳含量超过10 10 - 6 ; 粗氩冷凝器蒸发量FV17

5、12 的流量在两天时间内由最高的73500m3/ h降低到58000m3/ h , 氩产量明显下降。2 故障原因(1) 夏季环境温度高, 空气湿度大导致循环水温度超高(循环水温度工艺指标正常需控制在32 以下, 但实际最高达到34 ) , 直接导致空压机末级冷却器出口空气温度较同期升高3 4 。58 空气预冷系统的氨换热器制冷运行正常, 出空冷塔进入分子筛吸附器的空气温度同比升高了5 左右, 最高温度曾达到23 (工艺设计控制指标为高报警值18 , 高高联锁值22 ) 。(2) 后续生产系统一直是高负荷运行, 在夏季高温、高湿的环境下, 分子筛吸附器在高负荷运行的前提下调节空间不大, 同时由于

6、分子筛吸附器在程序控制上有一个限制, 即当空分系统负荷大幅度变化时, 其返流的再生污氮气量却不会变化, 也就是说无论进分子筛吸附器的空气量增大还是减少,其对应的再生期间作为加温的污氮气量为58000m3/ h , 冷吹污氮气量为62000m3/ h , 是一个定数。控制污氮气量的自动阀有一个限位, 并且在程序控制上作了自动控制, 此种控制方法直接导致分子筛吸附器在高负荷的运行状态下由于所需的再生污氮气量不足, 分子筛不能有效地进行再生。3 分子筛床层穿透的危害(1) 分子筛吸附器出口空气二氧化碳含量超标说明二氧化碳已经穿透了分子筛床层, 在穿透的过程中二氧化碳会大量进入板翅式换热器以及精馏塔系

7、统, 在低温状态( - 100 以下) 中, 二氧化碳容易冻结在板翅式换热器, 造成通道堵塞, 迫使系统必须停车加温。(2) 二氧化碳穿透分子筛床层, 使碳氢化合物及二氧化碳大量集聚在主冷中, 容易引起主冷爆炸, 存在严重的安全隐患。(3) 粗氩冷凝器蒸发量下降以及主冷二氧化碳含量超过10 10 - 6 , 说明固体二氧化碳在粗氩冷凝器液空侧冻结, 堵塞通道, 进而影响换热面积,降低了氩塔负荷。4 处理措施(1) 最大限度地降低循环水温度, 在循环水中适量添加一次水, 强制降低循环水水温; 加大风机负荷, 提高换热效果。但效果不是很明显, 循环水温度基本上只能保持在32 33 。(2) 加大空

8、气预冷系统的负荷, 最大限度地提高换热强度, 加强氨换热器制冷效果, 使冷冻水水量从原来的150t/ h 增加到165t/ h 。(3) 后续生产系统需要高负荷工况, 空分设备减量运行只能作为迫不得已的办法。经过充分论证, 决定尝试改变分子筛纯化系统程序控制上的自动控制程序, 就是在分子筛吸附器再生期间根据工况变化适当提高加温温度、增大冷吹污氮气量, 并延长加温时间。根据该套空分设备的流程设计, 将从上塔出来的4 路污氮气进行控制和调节: 一路作为空分系统密封气, 气量很小, 基本没有调节余地。一路通过消声器放空来稳定上塔压力, 决定手动关闭放空阀, 以节约污氮气量。一路去空气预冷系统的水冷塔

9、, 对冷冻水进行降温, 从而降低进分子筛纯化系统原料空气的温度。决定将此路控制阀的设定压力同上塔压力保持一致, 并设置为自动控制上塔压力, 以此保证精馏工况的稳定。一路去分子筛纯化系统作为再生气, 解除分子筛纯化系统的自动控制系统, 手动开大该路控制阀, 以提高再生污氮气量。在空分设备100 %负荷下运行时, 将再生期间的加温污氮气量由原来的58000m3/ h 增加到62000m3/ h 、冷吹污氮气量由原来的62000m3/ h 增加到65500m3/ h 。但提高再生污氮气量会直接导致水冷塔的污氮气量减少, 进而减小冷冻水降温的幅度, 最后使得进入分子筛纯化系统原料空气的温度上升。但经过

10、论证, 发现提高再生污氮气量促使分子筛更好地再生, 相应地提高吸附能力, 从而使其能承受较高温度的原料空气。关键就是找准两者之间的平衡点,这就是技术尝试中存在的风险。(4) 针对固体二氧化碳在粗氩冷凝器液空侧冻结并堵塞通道现象, 决定停止制氩系统的运行, 排尽其内部液空并静置两小时。然后从粗氩冷凝器底部的氩侧经粗氩塔加温管道通入加温空气, 在粗氩塔底部采用液封以防止加温空气回窜到主塔; 粗氩冷凝器氩侧顶部用排氮阀HV1720 控制加温速率和加温时的塔内压力, 用粗氩冷凝器的液空侧液空排液阀控制其液空侧温升和压力, 并从此处将升华成的二氧化碳气体排出。5 处理效果2007 年8 月14 日开始实

11、施处理措施。处理前后60000m3/ h 空分设备相应的参数比较见表1 。59 表1 处理前后空分设备相应的参数比较参数2007208214 2007208223FV1240/ (m3/ h) 58000 62000FV1241/ (m3/ h) 62000 65500Tmax/ 48 83TI1005/ 1916 2112AI1239 5 10 - 6 019 10 - 6FV1712/ (m3/ h) 65000 76000注: FV1240 为加温污氮气量, FV1241 为冷吹污氮气量, Tmax为平均1 天的冷吹峰值, TI1005 为分子筛纯化系统进口原料空气1 天的平均温度, A

12、I1239 为分子筛纯化系统出口空气中二氧化碳1 天的平均含量, FV1712 为粗氩冷凝器1 小时平均蒸发量。处理前后以及稳定状态期间空分设备产量、负荷没变。由表1 可知, 以上处理措施效果明显, 及时扭转了不利的生产状况, 至今制氩系统一直稳定运行, 冷吹峰值最高达到了105 , 分子筛纯化系统出口空气中二氧化碳含量没有超标, 并且逐渐下降。结束语在这次二氧化碳穿透分子筛床层故障的处理过程中, 总结了以下几点体会:(1) 严格控制工艺指标, 及时发现、及时汇报并及时处理问题, 当环境条件发生大变动时, 适时改为手动操作, 以优化工艺操作;(2) 敢于对原控制方法提出异议, 针对缺陷进行攻关

13、, 今后准备在空分设备变负荷自动操作内容中增加分子筛纯化系统的变负荷操作程序;(3) 根据物料的物理和化学性质制定科学的处理方案, 并保证操作要严格按照方案实施。 煤液化项目中的工业气体应用现代煤液化项目为达到规模化经济性, 其建设规模非常庞大, 工业气体的使用量也十分惊人。300 万t/ a 煤制油级别的煤直接液化技术, 采用煤制氢路线时氧气消耗量达到20 万m3/ h , 氮气用量最高时达到16 万m3/ h。180 万t/ a甲醇烯烃转化级别的煤间接液化项目氧气消耗量达到24 万m3/ h , 氮气用量最高时达17 万m3/ h。煤直接液化要在高压的条件下才能实现, 在工艺过程中和开停工

14、时都要使用压力很高的氮气。反应器、塔器等的操作压力达到8MPa , 个别设备的压力更接近20MPa。煤间接液化和采用煤制氢路线的直接液化流程都要使用气化炉, 因此氧气的压力更是高达5815MPa。另外, 由于煤液化技术生产流程长、工艺种类多、后加工装置复杂, 因此工业气体的使用压力等级较多。氧气一般分为气化用高压氧气和后加工装置使用的中、低压氧气。氮气的压力等级则多达20 、8 、512 、215 、018 、0145MPa 6 种。煤液化项目中工业气体生产装置的建设要求:(1) 煤间接液化项目和采用煤制氢路线的直接液化项目都要使用氧气作为原料, 因此工业气体生产装置在煤液化项目中是重要的工艺

15、装置, 负责生产和输送大量的工艺物料。在保证原料空气吸入安全的前提下, 为使全厂的生产流程简洁、节约投资和占地面积, 要求全厂布置尽可能紧凑。由于大量使用蒸汽透平驱动原料空压机, 在具体布置时还要考虑与热电联产的位置关系。既要防止大气中的危险物和杂质污染, 又要尽量靠近锅炉, 缩小间距。(2) 由于气化炉的氧气使用压力较高(5815MPa) ,加之液氧内压缩空分流程技术的日益普及和成熟, 煤液化项目中生产工业气体的空分设备一般都采用内压缩流程。(3) 煤液化项目使用的工业气体量极大, 目前单套大型压缩机和空分成套设备很难满足。为了减少项目实施风险, 一般会采用同时设置几套空分设备的模式, 以提

16、高工业气体生产的整体可靠性, 但使用多套空分设备的缺点在于占地面积和投资有所上升。(4) 煤液化项目一般建设在原煤资源丰富的偏远地区,项目主要采用燃煤锅炉蒸汽发电供自身使用, 因此蒸汽资源充足。为减少动力种类转换带来的复杂性和过程损耗,一般直接使用汽轮机作为驱动。(5) 由于煤液化项目中需大量使用工业气体, 因此工业气体生产装置的投资在整个工程中所占比例较大。如煤直接液化项目中空分设备占总建设投资的比例达到6 %8 % , 煤间接液化项目由于后加工装置较多, 空分设备占总投资的比例一般稍低。The Complete Solution for Industry GasPSA，VPSA，VSA，Cryogenic and Purification Oxygen，Hydrogen，Nitrogen and Carbon Dioxide