浅谈分子筛纯化系统常出现的问题和解决办法

＊高 波

（乌海市包钢万腾钢铁有限责任公司 内蒙古 016000）

前言

1980年后期开始，空气主要的净化方法更多使用常温分子筛净化空气。早在1970年开始，我国的中压小型制氧机就已普遍使用了分子筛纯化器。截至目前，大型全低压制氧机已经普遍使用了分子筛纯化器，分子筛纯化器能够同时除净空气中的水、二氧化碳、乙炔以及其它碳氢化合物，它的应用是制氧机的流程中具有标志性的里程碑，全低压分子筛纯化流程简单、操作方便、寿命长、运行安全可靠、设备投资少、净化能力强，现在大型制氧机几乎全部采用分子筛纯化技术。

1.分子筛纯化系统介绍

(1)分子筛的定义

分子筛是一种具有立方晶格的硅铝酸盐化合物，分子筛具有均匀的微孔结构，它的空穴大小均匀，这些空穴能把比它直径小的分子吸附到其孔腔内部，并对极性分子和不饱和分子具有优先吸附的能力，因此能把极性程度不同、饱和程度不同、分子大小不同及沸点不同的分子分离开来，即具有“筛分”分子的功能，故称分子筛。

(2)分子筛纯化系统组织

为了保证制氧机不间断运行，需要不停地对空气进行净化，所以分子筛纯化系统中必须设置两个可以倒换分子筛纯化器，一只进行吸附工作，另一只进行再生，这样便可保证不间断的净化空气，现40000m³/h制氧机纯化系统流程简图如图1。

一只吸附器的工作在一个工作周期内分四步进行。吸附净化快达到饱和时即到确定的切换时间后，由系统程序控制器控制自动切换到另一只吸附器工作。第一只吸附器进入再生阶段。纯化器的再生一般采用加热再生方式，它的再生过程分四步进行：①降压；②加热；③冷吹；④升压。降压是为了将吸附器带压的空气排放出去，这时吸附器的进、出口阀全部关闭，排放阀打开，为了防止对吸附床层的冲击，降压的速度不宜过快，以制氧机分子筛纯化器设计切换时间为4h的情况为例，一般降压时间取6～10min。

图1 电加热再生的分子筛纯化系统流程图

加热：污氮经过电加热器或蒸汽加热器加热到165～170℃而后进入纯化器，进入纯化器的温度控制大于150℃。其加热时间一般设计约为1.5h，加热终了时纯化器出口温度通常大于50℃，此时程序控制器控制加热阶段结束，污氮经加热器的阀门关闭，将转入冷吹阶段。

冷吹：冷吹气体为不经过电加热器的污氮。冷吹操作是吸附剂再生操作的继续。冷吹前期，污氮出纯化器的温度会继续上升，升至100℃左右后就会开始下降。冷吹后期污氮出纯化器的温度比运行时温度高5～10℃。

升压：把运行中吸附器中的空气导进即将再生完的吸附器中，当两只吸附器的压力平均，即差压联锁显示为0，升压阶段结束。与降压操作相同，为了防止气流对分子筛床层的冲击，气流速度不宜过快，因此，升压阶段的时间，一般设定在12～22min。

2.分子筛纯化系统故障分析和处理

(1)事故案例分析

案例一：2010年冬季，某公司1#21000m3/h制氧机停机检修。停机后，准备清理氧压机冷却器。工作期间发现空压机放空阀法兰漏水，而且量很大，制氧工程师推测可能是空冷塔返水。经过逐步排查，发现1#常温水泵的进出口阀门没有关严，冷却水通过水泵进入空冷塔，塔内水位升高进入空气管道最后从放空阀法兰处漏出。随后马上打开分子筛进口排水阀检查，发现没有水流出，判断水没有进入分子筛。制氧开车后两个分子筛吸附器的冷吹峰值分别为116℃和118℃，说明分子筛纯化系统并没有受到漏水影响，工作正常。

该公司0#6000m3/h制氧机临时停车，当班操作工关闭空冷塔进出口阀门后发现排水阀V1262处流出大量水。经制氧工程师检查后发现，空冷塔回水阀V1164没有关严，并且止回阀V1165存在故障不能起到防止倒流的作用，因为管道内水有压力，经回水管道流入空冷塔中，导致塔内水位上涨，从而水进入分子筛纯化系统。制氧机开车时，经过3个运行周期的时间将分子筛彻底加温，使其冷吹峰值达到90℃以上后，才投用分子筛纯化系统。

案例二：某日15:08，分子筛出口CO2含量报警，CO2含量突然增加并很快超量程；同时膨胀机转速由27900r/min降低到21000r/min；主换热器热端温差也迅速增大，由0.5℃增大到10℃。这时候空冷塔的液位显示1980mm，空冷塔回水1101开度仅有5%。制氧工程师分析分子筛和主换热器均已进水，发现情况严重后立即组织紧急停车，停车后打开V1104、V1223、V1225阀排水。16:05打开分子筛发现分子筛上部有水迹，下部正泡在水中。然后又打开另外分子筛无水泡痕迹。

事故原因分析：①事故前一天空冷塔液位差压变送器故障不能正常指示，在恢复正常前回水阀使用手动控制。②当班操作人员责任心不强，操作不够谨慎，当时由于正在液氧泵冷泵，导致手动控制LCV1101阀时过于着急，阀门应该打开56%，结果只输入了5就确认了。③空冷塔液位报警、联锁值设置数值不合理。空气进口高度为1800mm但是空冷塔液位报警值也是设置为1800mm，联锁值为2500mm，不能起到保护报警作用。

有的空分装置在生产中还有这种情况出现：在查看分子筛温度曲线时，正常的冷吹温度峰值应该在101℃左右，但是最近一段时间却出现了73℃和75℃两个最大值。即在冷吹曲线上出现了两个比正常要低的峰值。另外，冷吹温度曲线的形状也有些变化，正常情况分子筛吸附器再生阶段出口温度曲线如图2所示。异常情况下分子筛吸附器再生阶段出口温度曲线如图3所示。

通过后台查看操作记录发现异常操作：1#分子筛吸附器入口阀V1201打开后又关闭，然后1#分子筛吸附器再生排放阀又打开了。

图2 正常情况下再生阶段分子筛吸附器出口温度曲线

图3 异常情况下再生阶段分子筛吸附器出口温度曲线

根据以上现象分析：如果分子筛内部表面平整，温度应该不会有大的变化，冷吹温度曲线是规则的。当分子筛表面不平整时，较薄处对再生气阻力较小气量就多，温度变化大，较厚处正好与之相反。从而较薄和较厚处温度不能同时到达峰值。因此，冷吹温度曲线就出现了多个值。

停机后打开1#分子筛吸附器发现分子筛表面有一个直径约350mm的坑，并且发现有分子筛成粉末状，经过筛选并补充分子筛后重新填装，解决了问题。

(2)分子筛运行过程中遇到的特殊情况分析

情况1：高氮小空分设备的分子筛出口压缩空气露点温度突然出现波动，由-70℃升到-50℃来回波动几分钟后又稳定到-70℃左右。这是什么原因造成的？

分析处理：用手持式的露点仪进行现场测试，根据DCS初步推断可能是测点故障或在线露点分析仪气体管路堵塞引起仪器故障。

现场取样管线有个接口漏气，已重新拧紧。接气口漏气会造成外界空气进入，导致露点的升高。

情况2：1号分子筛与2号分子筛均压完后，2号分子筛在生出口阀门故障未全关。DCS控制并不管用，过后全关。检修人员现场检查整改后联系中控室开2号出口阀门，空压机发生卸载。这是什么原因？

分析处理：因为在使用1号分子筛时，2号分子筛再生气出口阀没关死，造成有大量的气从2号漏出，空气压力下降，空压机自动开大入口导叶，过了会出口阀又关了，空压机入口导叶来不及调整达到喘震级限，所以空压机只有卸载。

情况3：分子筛后二氧化碳分析高报值为1ppm，高高报为3ppm，高高报后15min连锁跳车，这个15min的时间是怎么确定的？

分析处理：这个时间是留给操作人员仔细检查分析仪器及工况参数的，这样可以确定出口二氧化碳是否超标，首先排除仪器故障，再检查设备故障，循环水是否加药剂了等等。一般来说这个时间是通过分子筛空气量中的二氧化碳量把主换热器堵塞的时间，如果二氧化碳超标，长时间不处理，将主换热器通道堵塞，影响正常工况，就只能停车加热了。

情况4：为什么分子筛在泄压和加热阶段，增压机二段和三段的排气压力会比正常时低，冷吹时才恢复？

分析处理：分子筛在再生结束后，转入工作状态时床层温度还维持在20℃，同时吸附会放出一定热量，这会导致出分子筛空气温度先有一个上升的阶段，此时进增压机的空气温度是高的，气体密度较小，所以出口压力自然会偏低。

情况5：分子筛纯化系统在运行时出现故障。本来是冷吹状态，但是在还没有冷吹结束，还有40min左右的突然又开始加热，加热后直接均压，切换，导致分子筛出口T2615温度超高，空分机组连锁停车，怎么预防这类事故？

分析处理：在顺控程序加个运行时间异常顺控程序暂停且报警功能，便于及时发现问题处理。

情况6：分子筛被击穿后，有什么补救措施？

分析处理：①根据分子筛厂家提供的操作规程和方法特殊活化再生；②活化再生后扒出过滤粉末重新装填；③缩短使用周期，观察分子筛吸附效果；④如果吸附效果不佳，分子筛超标，更换分子筛。

情况7：分子筛系统在均压时发生二氧化碳超量程的现象是什么原因造成的？

分析处理：①空气温度升高，均压阶段可能会出现小幅上涨；②分子筛由于寿命、污染等原因，确实已经到达吸附后期，发生二氧化碳的穿透；③上次再生时，再生力度不够，吸附质未完全脱附；④空压机故障，导致入塔空气量的骤增；⑤分析仪表故障，需要与分子筛后露点相互映照。原因很多，就不一一列举了。主要是从空气量、空气温度、分子筛性能、分子筛再生程度上去考虑。

(3)分子筛纯化系统常见故障及处理措施总结

故障1：分子筛纯化器进水。

原因及处理措施：①空冷塔液面过高，措施：降低液面。②空冷塔水分离器破损，措施：检查水分离器，修补捕集网。③空分系统压力突然下降，措施：排除空分故障。④空冷塔结构，措施：除垢。⑤水质不好杂物堵塞，措施：清除杂物，控制水质。⑥加除垢剂太多，泡沫太多，措施：加药适量。⑦气流速度过快，误操作，措施：操作缓慢，空冷塔先通气后通水。

若出现进水严重情况：①分子筛纯化器加温吹除；②更换分子筛。

故障2：二氧化碳未清除干净。

原因及处理措施：①分子筛粉碎，措施：停车时筛分后添加分子筛。②分子筛量不够，措施：添加分子筛。③双层床混床，措施：将三氧化二铝与分子筛分开。④气流不均匀，措施：检查气流分布器。⑤再生不彻底，措施：增加再生时间，增加污氮量，提高再生温度。

故障3：切换系统故障。

原因及处理措施：①分子筛控制程序出现错误，措施：A.改为手动操作，如果有备用的控制器系统，将程序转换到备用的控制器上；B.如果无法使用手动操作，应停机排除故障后再启车。②电磁阀故障，切换阀不能开或关。措施：A.检查电子阀电源、气源是否存在问题；B.电源、气源不能排除故障时，要立即采用手动操作，并更换电磁阀。③行程开关故障，切换程序进行中断，措施：A.处理行程开关；B.行程开关损坏，予以更换。④切换阀动作缓慢，措施：A.检查仪表气压力是否过低，阀门有无漏气；B.切换阀本身卡顿，处理卡顿。⑤切换阀门泄漏。措施：A.检查行程是否不足或过度，调至正常位置；B.执行部位与阀杆联接松动，重新紧固；C.阀门密封损坏坏，进行更换密封处理。

3.结束语

分子筛纯化系统在空分设备中起到清除水、二氧化碳、乙炔以及其它碳氢化合物等杂质的作用，如果分子筛出现问题，必将对空分设备的安全运行造成很大的安全隐患。虽然本文中列举了分子筛运行过程中的一些常见的和不常见的事故案例，但是也不能把所有情况一一概括。因此，还需要我们平时严格按操作规程进行操作，密切注意其各个运行参数的变化，一旦发现有参数发生异常变化，要尽快找出原因并及时处理，以免其对整套空分设备正常运行造成进一步影响，避免造成更严重的事故。