2#23500机组分子筛末期CO2含量高的原因与分析

冯满风 李红娟 李惠

本文所探讨的2#23500m3/h 空分设备的设计制造单位为杭州杭氧股份有限公司，为方便分析以下对该设备简称为2#23500。此装置的吸附净化功能表现以全低压分子筛为主，制冷功能则由增压透平膨胀机实现，具有全精馏无氢制氩、氧氮外压缩以及氩内压缩的工艺流程特征，投产运行时间为2006年12月。

一、针对分子筛这一系统的概述

2#23500分子筛系统包含电加热器、阀门以及分子筛吸附器等部件，其在实际应用过程中的具体表现为：对空冷塔在运行过程中产生的是水分、固体杂质、二氧化碳、甲烷等物质进行吸附与清除，从而达到避免杂质堆积在设备与管路中造成堵塞的目的，是有效防止各类主冷碳氢化合物聚集的关键因素，起到了维持设备运行安全性与稳定性的重要作用。正是由于这一系统应用特性，使得其在以制氧机为核心的运行系统中占据着主要应用地位。

在对分子筛吸附器的运行过程进行观察与分析后可以看到，系统中所应用到的吸附器采取双床层结构，在其下部以活性氧护铝为主要填充物，并被放置在用于棚架支撑的孔板上方（不锈钢材质）。在其上部所装填的为分子筛，设定装填的活性氧护铝高度为600毫米，而分子筛所装填的高度为840毫米。二者之间采取分隔板做隔断处理，起到了维持空气均匀流动状态的重要作用，避免由于运行过程中所产生的压力波动现象出现冲床事故。两台1#和2#在在分子筛吸附器中有交替使用表现，在一台进行工作的同时，另一台处于再生状态。该系统实际运行过程中整体气流方向为正流，若出于再生状态则气流方向相反。对分子筛吸附器的再生阶段所表现出的运行状态信息进行整理后可以总结出其再生阶段主要分为：900秒的卸压、5100秒的热吹、6480秒的冷吹、1320秒的均压以及300秒的并行。下图为分子筛在运行过程中的流程示例：

分子筛流程图

二、故障描述

从2019年5月份开始分子筛CO2的含量曲线（即AIAS1203）在运行末期出现升高更有甚者超过1PPM报警，等两套分子筛切换完以后CO2的含量又逐步下降，表现在曲线上有峰值。如下图所示：

三、原因分析

在正常运行中，分子筛纯化器后的空气中的二氧化碳含量的曲线应平滑、直线且无节点，CO2的含量不应超过1PPM。出现此种情况说明分子筛纯化器的净化功能减弱或达不到标准。空分技术人员分析可能有以下一些原因：

1、分子筛设计制造不合理（如容量太小，流速过快，气体与分子筛接触时间太短等）。此分子筛于2006年12月投用至2019年运行一直正常，只是在近期才出现此现象。所以设计制造的原因可以排除。

2、分子筛床层不平。若分子筛床层处于平坦状态，则分子筛在同一截面的情况下有温度均匀的正常表现，气流通过后温度变化向出口方向的推移情况保持一致，因此分子筛处于再生状态时，冷吹阶段的氮气出口温度将呈现整体升高规律，直至达到峰值。若床层高低不一致，则不同部位在有气流通过时床层厚度也将有所差异，则必然会产生出口无法同时有最高温度表现的现象。混合完成后其峰值并不唯一。伴随峰值温度的下降则对应形成的冷吹曲线的整体形状也将有“矮胖”的规律变化情况出现。

查看我们的分子筛冷吹曲线只有一个峰值且正常。所以分子筛床层不平的原因可以排除。

3、二氧化碳分析表有问题。通知仪表人员对此分析表进行校表。在校表结束初期二氧化碳分析表确有降低的现象，但运行一个周期以后CO2在运行末期任然升高，且校表几次后都是此种情况。所以我们确定二氧化碳分析表没有问题，CO2的值在末期确实升高。

4、进分子筛空气量超设计值。2#23500机组设计的标准空气量为125000m3/h，最大空气量可达到135000m3/h左右。且在最大空氣量工况运行时CO2也没有出现超高的情况，同时因为环保的原因，公司减产只“一机一炉”运行，公司氧气富裕，所以2#23500机组一直按最小空气量（110000m3/h）在运行，且双空气膨胀时也是按进塔空气量最小的工况运行。所以进分子筛空气量不可能超标。

5、进分子筛的原料空气的温度较高。查看出空冷塔TIAS1102的温度，发现随着天气转暖，整个循环水的温度逐渐上升，冷冻机的负荷逐渐加大。因冷冻机每到夏季厂家就要对其进行保养，而今年厂家迟迟未见。北边的2#冷冻机有报警机头就不会启动，只有南边的一台冷冻机运行，远远满足不了负荷要求，导致出空冷塔进分子筛的空气温度较高，甚至达到12℃的报警值，而平时出空冷塔TIAS1102的温度在8—10℃之间。所以进分子筛的原料空气的温度升高，使分子筛的吸附能力下降。

6、进分子筛空气带水较多。就地查看循环水并未发现有泡沫;空冷塔、水冷塔的液位计正常，冷却水、冷冻水流量正常并未过大;平时操作严格按照操作规程操作未大幅度的操作，并未突然增大或减少气量;开车时空冷塔按照操作规程操作。先通入气，待压力升高稳定后再通入水。从源头上消除分子筛带水的可能性。且每台分子筛下部管道的最低处都设有排放阀门，能够经常排放分子筛析出的水。所以进分子筛空气带水较多的原因可以排除。

7、分子筛再生不彻底。依照相关规程的要求，若再生位置的进口温度为175摄氏度，则较佳值对应冷吹过程中80至100摄氏度的冷吹峰值;若冷吹环节峰值在80摄氏度以下，则其所吸附的水分将产生解析不完全的情况。但应注意再生温度确定环节的特殊性，实际过程中需要以分子筛吸附器工作时间与老化程度等因素为前提，采取升高或降低方式，从而在提供维持安全稳定运行条件的基础上，达到减少资源浪费与能源消耗的目的。为了降低成本，节约能源，厂部要求分子筛的冷吹峰值在100—110℃，电加热器的设定温度为150℃。分子筛的老化程度不能观测，所以在实际中并不能确定分子筛是否再生彻底。

8、分子筛在第一次工作前未做彻底活化处理。每次大修后，启动制氧机时都将3台电加热器同时开启，电加热器的温度设到190℃，使分子筛的冷吹峰值达到120-130℃或更高，且至少进行三个周期。所以此原因可以排除。

9、在吸附器中分子筛若充装数量有不足的现实情况产生，则其在实际运行状态下，分子筛之间的间隙将随时间的推移有逐渐缩小的特征表现，且分子筛有一定的磨耗率。所以隔一段时间应补装分子筛。充装数量是否不足需要打开分子筛吸附器才能看到。所以此原因待查。

10、分子筛长期使用，吸附能力降低。查阅资料得知：分子筛的使用年限根据环境湿度、试用压力、填装紧实度等都有关系。在空分中分子筛的使用寿命为10年左右。而我们自2006年12月投用至今，分子筛的老化程度并不能观测。所以此原因待查。

四、处理措施

1、針对进分子筛的空气的温度较高的问题。

①将两台冷冻机的设定温度降低。

②积极联系冷冻机厂家的维修人员，处理2#冷冻机机头负荷大报警不能启动的问题。

使出空冷塔进分子筛的空气温度由原来的12℃降低到了9.0℃。

2、针对分子筛再生不彻底的问题。

①将两台电加热器的温度由150℃设高到190℃，并密切观察电加热器的运行情况，电加热器的温度不能太低。

②各班在分子筛热吹期间将热吹气量由设定值的23500m3/h降低到22000m3/h，增加分子筛的热负荷，使分子筛所吸附的水分、二氧化碳、乙炔等分子更好的解析出来，并将足够的热量贮存在床层中。

③若提空气量后，应密切关注冷吹峰值，使冷吹峰值在100—110℃之间，分子筛再生加热气量控制在21000m3/h。运行几个周期，使分子筛再生不彻底的问题得到了解决。

3、针对分子筛长期使用，吸附能力降低和纯化器中分子筛的充装数量不足的问题。需要等检修的机会，打开分子筛吸附器才可以检测出来。

经过全厂人员的不懈努力，现2#23500机组分子筛末期CO2含量高的问题得到了很大的改善。如下图：

虽然在末期还是会有些微升高的现象，但是远远达不到1PPM的报警值。

五、小结

分子筛吸附器的稳定运行对制氧机有至关重要的作用，在平时的操作中要时刻关注CO2含量的变化，一发现异常情况及时上报处理。同时保证分子筛吸附器应处于良好的工作状态，解析再生完全，床层充实平整，无短路气流通过。此次CO2含量高对其他制氧机的同类问题有借鉴作用。