空分单元纯化系统空气中CO2 超标问题浅析

王菲(神华榆林能源化工有限公司，陕西榆林719300)

0 引言

空分单元纯化过程中，因分子筛出口空气CO2含量高，极易在后系统低温区产生干冰，堵塞换热器、精馏塔，造成生产波动，甚至非计划停车，给单元及公司带来极为严重的影响，为此通过问题研究、案例剖析及相关经验积累，对本单元纯化系统CO2超标问题提出一些见解。

1 空分单元和纯化系统简介

神华榆林能源化工有限公司空分单元采用低温精馏法，将原料空气通过过滤和压缩、系统除杂、冷却、精馏等方法，制取高纯、不同压力等级的氮气，用于下游装置保护气体、吹扫用气以及开停工置换等。其主系统为离心式空气压缩、蒸汽透平驱动、分子筛空气净化、单塔空气精馏、膨胀机制冷、氮气压缩机外供低压氮气的工艺流程，且2015年一次性投料试车成功至今一直平稳、优质生产。

纯化系统是空分单元的重要组成部分，主要用于去除原料中的水分、乙炔、CO2以及碳氢化合物等杂质，为后系统稳定运行提供保障，为空分单元生产优质产品夯实基础。

2 空分单元纯化系统出口空气CO2超标原因分析

2.1 原料空气进口CO2含量过高

气体深冷分离工艺对原料要求相当苛刻，其纯度会直接影响整个系统的稳定生产。当原料空气中CO2含量超标，纯化系统分子筛吸附负荷增大，吸附能力趋于降低方向发展，如此长周期的运行，使之分子筛出口CO2异常升高，CO2含量较高的原料气进入主换系统后，在低温状态下凝结出大量的CO2固体，导致主换的空气通道阻力升高甚至堵塞，提别情况下还需停车加温处理。

2.2 工艺参数异常波动

生产过程中，空分单元工艺参数异常波动，极易造成纯化系统出口CO2含量超标。如预冷系统波动，由于预冷系统为纯化系统上游系统，其预冷不稳定、气量变化较大等会造成较强的气体的冲击夹带，致使空冷塔出口空气带有超量的水分进入纯化系统；预冷系统冷却水和冷冻水喷淋量较大或者水量和气量比例失调，会造成空冷塔空气带水进入纯化系统；空冷塔液位过高会使原料气中夹带水分或其塔顶除沫器故障，都可导致原料气夹带水分。至此，纯化系统吸附剂因吸附顺序为水＞乙炔＞CO2，大部分能力用于吸附水分，使得CO2含量超标。

2.3 分子筛失效，超出使用寿命

分子筛采用13X 型号，是碱金属硅铝酸盐，具有一定的吸附能力，对水、CO2、碳氢化合物等小分子具有较强的吸附能力。在运行过程中，当空气原料中含油等杂质污染分子筛，产生永久吸附使得分子筛中毒失效。此外，分子筛也有一定的使用时间，一般年限为5～8年，当超过使用年限，分子筛碱金属硅铝酸盐颗粒破碎，难以对空气原料中水分、CO2、碳氢化合物进行吸附，致使纯化出口空气中的CO2超标。

2.4 蒸汽加热器内漏，大量水分进入

蒸汽加热器是为分子筛解吸过程中的污氮气进行加热，通过热态的污氮气进入分子筛中将其已吸附组分进行解吸，恢复分子筛的吸附能力，更好的进行纯化，然而，当污氮气中因蒸汽加热器内漏含水分较大，降低了解吸效率、增加了能源消耗，完全有悖于节能发展的理念。若蒸汽加热器大量泄漏会使水蒸气过多而浸泡分子筛，需紧急停车处理。

2.5 分子筛再生因素影响

分子筛吸附剂在吸附工作完成后，经过10m in 的卸压、90min 的加热、100min 的冷吹进行解吸，当再生时间不合理匹配或异常会导致分子筛不能完全解吸，使压缩空气处理不达标；此外，分子筛再生还与污氮气流量、污氮气温度有直接关系，当再生过程中，由冷吹峰值＞100℃标准判定再生能力的彻底与否，加热器再生气量偏低导致气源不足，不能完全解吸分子筛；加热器加热不良，低于操作温度165℃时，会造成解吸过程中热源不足，难以完全解吸导致分子筛吸附能力下降，出口空气CO2超标。

2.6 仪表故障

仪表显示是工艺流程操作的方标，操作人员依据其值进行合理的调整控制，然而当仪表发生故障时，影响操作人员判断，在应急盲区时偶有可能造成其它方面的误调整，影响整个系统。为此，必须加强分析研判能力，发生出口空气CO2超标时，及时根据再生气气量、再生气温度、再生时间、冷吹峰值、空气出纯化系统的温度等来判断CO2分析仪是否故障，或联系质检进行取样分析，排除工艺异常导致CO2超标。

2.7 不良操作

化工工艺生产中，操作人员是对本工艺流程参数调节的第一人，当操作过程不当、野蛮调整或误调整，均会导致工艺生产中的数据波动，甚至联锁跳车。当操作不当，分子筛相关的出入口压差、污氮气流量、污氮气温度均是影响纯化系统出口CO2超标的诱因。

2.8 设计缺陷

空分单元原料为大气空气，依据本地的常年空气质量分析与杂质含量分析以及单元本身需求的能力进行对应的相关设计，对分子筛配型及吸附能力配比存在缺陷，另一方面是单元所处位置及后续周边环境发生人为变化等缺陷均会造成原料空气的质量变化，进而影响后续生产处理，导致分子筛出口CO2超标。

3 空分单元纯化系统CO2超标问题的应对措施

3.1 控制进气质量

依据空分单元纯化系统的工作原理，在CO2超标问题中应当以制原料空气质量为主，保证进气质量达标，在压缩机入口安装在线CO2分析检测仪，保证进气质量的指标符合空分装置纯化系统的工作要求。若空气质量异常，及时通知调度，联系其他装置减少有害气体的排放，同时，通知质检中心到现场对空分周围的大气质量进行分析和跟踪。若微量超标，本单元可以把控，可以适当降低空分负荷，即降低分子筛吸附器处理量，并进行高温活化；若严重超标则需要根据调度指示停车。

3.2 把控工艺参数

空分单元中，其各反应阶段的工艺参数对整个生产工艺起决定性作用，当异常波动甚至超出工艺要求值，极易发生产品质量不合格或联锁跳车。纯化系统中，由于上游的杂质含量超标，导致纯化无法全面吸附CO2进而出口CO2超标等问题。这时应把控工艺参数不大幅度波动，使得进气量稳定、吸附程度合理，安稳长满优生产。

3.3 优化吸附效果，按时更换分子筛

纯化系统中，优化上游杂质，避免油、碳氢化合物等杂质附着在吸附剂上造车吸附中毒。另外，还要定期更换分子筛吸附剂，依据5～8年的使用周期进行更换。应该对分子筛每两年检测一次破碎情况。再者是依据纯化效果对吸附剂进行吸附能力测试，损坏或不良时及时替换。

3.4 杜绝蒸汽加热器内漏，及时消除内漏

纯化上游设备内漏，造成下游带水致纯化系统出现问题。要加强设备管理，对设备的上下游、进出口的工艺参数进行实时监控，异常及时处理。对设备的一些参数的变化进行提前预判，此外，还要在现场对设备运行声音的变化、换热介质流速的变化，以及蒸汽中酸碱性、抗氧性、缓蚀性进行检测，根据工艺参数定期进行比对配剂。从工艺手段保障设备安全稳定运行，杜绝设备发生泄漏情况。

3.5 分子筛再生因素的解决措施

分子筛再生是将吸附后的吸附剂通过污氮气进行解吸，经过泄压、加热、冷吹等步骤进行解吸，其再生时间、再生气源、再生气温度均会导致再生效果不佳，难以解吸吸附剂。应当将再生时间和再生的温度作为重要选择目标，保证空分单元的吸附剂能够满足实际要求。只有合理的再生时间才能够使吸附剂再生更完全，恢复分子筛吸附能力，提高空气处理效果。

3.6 加强仪表故障管理

仪表是化工工艺操作的方标，仪表指向错误或故障直接影响工艺操作的进行，甚至造成严重的后果。要加强仪表维护保养，仪表发生故障时应在第一时间对相关的参数进行比对，验证是否真实。另外还要定期对仪表进行维护，形成长效的保养机制，确保运行安稳正常，杜绝给工艺生产带来的影响。

3.7 优化操作水平，提升操控质量

化工生产中，操作人员是工艺生产的主导因素，保障安稳生产是操作人员的职责所在。操作人员必须深入学习操作技能，掌握操作规程及操作原理，对相应的操作方式进行分析校验，以及对操作结果做到提前预判，做到了然于胸。此外，操作人员在工艺操作时应避免大幅度操作、野蛮性调整，以免造成异常的生产问题。

3.8 全面布局，未雨绸缪

通篇布局，避免缺陷。在厂区规划、周边环境协调、生产工艺设计等方面做足功课，对厂区设计要掌握长期的风向资料、空气含量资料以及周边环境气候的变化情况，做好全面部署，防患于未然，方能避免问题、避免事故。

4 结语

处理空分单元纯化系统出口空气中CO2含量超标问题，关键要针对不同的现象及时进行相应的调整。如果是气体的问题，应当对气体进行实时监测，确保空气质量合格。如果是设备运行问题，应当在设备运行过程当中予以有效的处理。因此，对于不同的故障类型，应当分析事故的具体成因，并采取有针对性的解决措施，最终的目的是使纯化系统出口空气CO2浓度合格，为空分单元的安全稳定长周期运行提供保障。