固定式制氮系统中空气净化装置改造试验*

吴润钿 谢明财 刘永平

(中央储备粮揭阳直属库有限公司 522000)

碳分子筛是变压吸附制氮机的核心部件,制氮设备的性能高低主要取决于碳分子筛的性能高低。碳分子筛利用微孔的筛分特性分离氧气和氮气,分子筛的比表面积越大、孔径分布越均匀、微孔数量越多,吸附量就越大,氮氧分离效果就越好。制造工艺和装填技术是碳分子筛的比表面积、微孔数量和孔径分布等性能指标的主要决定因素,但运行过程中设定的产气时间、均压时间、操作压力和使用温度也会对碳分子筛的使用性能产生影响,特别是原料空气质量对碳分子筛的使用性能影响尤为明显。这是由于空气中含有一定的水和油蒸汽,压缩空气如果不经严格的净化处理,水蒸汽会增加碳分子筛的吸附“负荷”,影响其吸附氧气的能力,而油蒸汽则容易被碳分子筛吸附,并且难以脱附,堵塞分子筛微孔,使氧气、氮气都不能进入到微孔中,进而使碳分子筛的分离性能逐渐降低,甚至起不到分离的作用,导致分子筛“中毒”失效。因此,在压缩空气进入吸附塔前,设置严格有效的空气净化装置,全力做好压缩空气的净化处理工作就显得尤其重要。基于以上考虑,中央储备粮揭阳直属库有限公司(以下简称“揭阳直属库”)通过改造制氮系统中的空气净化装置,强化空气净化能力,进一步提高压缩空气的干燥、干净程度,改善碳分子筛的运行工作环境,提高碳分子筛性能,进而实现提高制氮设备产气量和产气纯度、延长制氮设备使用寿命以及降低能耗的目的。

1 制氮系统改造前基本情况

1.1 制氮系统配置情况

揭阳直属库固定式变压吸附制氮系统于2020年投入使用,设计氮气产量350 Nm3/hr,产气纯度99.5%。空压机为风冷式喷油螺杆空压机。该制氮系统空气净化装置主要包含高效除油器、冷冻式压缩空气干燥机、两级精密过滤器和活性炭过滤器等装置。

1.2 制氮系统工作原理和工艺流程

变压吸附简称PSA,是指在绝热等温条件下,利用气体组分在加压时被吸附剂吸附,在减压时自动脱附的一种循环工作过程,从而实现气体混合物分离的一种常温气体分离技术。变压吸附制氮系统是以碳分子筛为吸附剂,利用加压吸附,降压解吸的原理从空气中吸附和释放氧气,从而分离出氮气的自动化设备。基本流程:原料空气进入空气压缩机后,压缩成压缩空气,随后经一系列空气净化装置进行严格的除油、除水、除尘,处理成干净的压缩空气,再送入变压吸附制氮机的两个装有碳分子筛的吸附工作塔,经加压吸附、降压解吸循环交替从空气中吸附和释放氧气、二氧化碳等需要分离的组分,从而源源不断地制备出符合纯度要求的氮气。

1.3 制氮系统使用情况

制氮系统投入使用两年后,当产气纯度99.0%时,实际产气量只有约270 Nm3/h,产气量达不到设计要求。

2 制氮系统改造情况

2.1 增加安装油水分离过滤器

在空气缓冲罐后方加装1个型号为10/1.25 MPa的不锈钢材质油水分离过滤器,主要工作原理如下:当压缩空气进入油水分离过滤器后,通过筒状网眼过滤芯时产生聚结效应,大一点的颗粒将被吸附在滤材上,而水分则会凝结成较大的水滴;进入分离室时,压缩空气速度减缓,使得颗粒再次聚集,水雾再次凝结在一个蜂窝状的聚水上,载着杂质颗粒的水沿着底部流到排水装置,通过自动排水阀排出;压缩空气通过多层纤维过滤网时,会产生众多的小漩涡,同时压缩空气被加速,形成真空状态,使没有被滤除的水滴再次被气化、转换、滤除,有效去除压缩空气中的细微油污、残留水分及其它杂质,综合提高空气净化装置的净化效果。该过滤器具有耐高压、滤芯易更换、处理水量大、占地面积小、过滤效果好等特点。

2.2 更换自动排水器

原制氮系统在高效除油器、冷冻式压缩空气干燥机、两级精密过滤器、活性炭过滤器和空气缓冲罐等部位配置了6个电子式自动排水器,这些排水器通过电磁阀控制阀门的开关,并通过开关调节自动排水开启的时间和周期。使用过程中存在如下不足:管道比较小、滤网比较小,易堵塞造成排水不畅,加之有一定的使用寿命限制,损坏或排水不顺畅时,难以及时发现。为此,将上述排水器更换为球形物理自动排水器,型号为HAD20B,直径100 mm,高度110 mm,口径25 mm,浮球结构,由铝合金压铸,过滤精度0.001 ppm,最大工作压力20 Bar,用于解决压缩空气中产生的冷凝水的自动排放问题。球形物理排水器通过内置的浮标压力来开启排水器,排水器里的液面上升,浮标上升,阀门就自动开启,反之,液面下降,浮标下降,阀门关闭。由于球形物理排水器坚固耐用,加上利用的是浮球自身重量和压缩空气施加的压力来进行排水,当冷凝水积累到一定程度,浮力足够,就会自动排水,杜绝了电子排水器存在的管网偏小、线路故障误操作、电磁阀损坏不操作等弊端,使排水更加及时、可靠,保证压缩空气的除水、去污效果。

2.3 改造及服务费用(见表1)

表1 空气净化装置改造及服务费用

2.4 加强日常维护与保养

2.4.1 当系统运行时,要定期巡检吸附塔工作过程中的吸附、均压力、气源压力及氮气输出压力是否正常,要认真做好制氮系统各部件、各阀门、各电气控制系统的日常维护和定期保养,防止设备发生故障,延长设备使用寿命。

2.4.2 为确保油水分离过滤器和排水器的排水去污效果,每次使用前,须拧开排水阀排污;长久未使用时,每周需对油水分离过滤器的排水阀排水一次,并根据设备使用情况,及时更换滤芯;每周需对HAD20B排水器进行检查,操作方法如下:拧开手动排污阀,让排水器内水液流完,直至设备内压缩空气进入球体内缸几秒钟,再关闭手阀,如排出的水液多于0.5 L,即证明自动排水器有堵塞,必须将排水器彻底清洗干净。每年需拆出自动排水器清洗内部配件,清洗时,可使用肥皂水或洗洁精清洗,切勿使用溶剂,以免损坏橡胶类配件。

3 制氮系统改造效果

3.1 提高了氮气纯度和产气量

空气净化系统经过以上改造后,制氮设备的产气量和产气纯度均较改造前有较大提升,当产气纯度为99.5%时,氮气产量可以达到380 Nm3/h。

3.2 延长了制氮设备使用寿命

由于进入变压吸附制氮设备的压缩空气得到进一步地除水、去油净化,降低了堵塞碳分子筛的机率,对制氮设备中的分子筛起到一定保护作用。此外,通过设置合适的均压时间,减缓制氮过程中对吸附塔内的碳分子筛的冲击,有效延长了制氮设备中碳分子筛的使用寿命。

3.3 经济效益明显

在理想状况下,碳分子筛可以长久使用;但在实际工作中,由于装填紧密度、使用压力、原料空气质量等原因,碳分子筛会受到一定程度的损坏。据中成航宇有关碳分子筛实际装填研究,碳分子筛的寿命在正常使用下大概为6～10年,每年约以5%的产能递减,因此,制氮系统使用一定年限后,需对吸附塔的碳分子筛进行补充装填或重新装填。目前,市面上碳分子筛价格高昂,质量比较理想的碳分子筛约为160元/kg,以我库产氮量为350 Nm3/h的制氮系统为例,据厂家维保工作人员测算,重新装填两个吸附塔约需要1300 kg的碳分子筛,一次装填成本超过20万元,按10年折旧,碳分子筛使用成本约为2万元/年;而通过空气净化装置改造,设备改造费用、配件、安装服务等费用合计8560元,预计制氮设备中碳分子筛可延长2～3年使用寿命,改造效益明显;此外,由于制氮设备制氮产量和氮气纯度提高后,在实现同样的保粮目标的情况下,可缩短开机充氮时间,也节约了充氮运行成本,能够取得较好的经济效益。

4 制氮系统改造结论

试验表明,通过对制氮系统中的空气净化装置进行适当改造,强化空气净化处理,可以进一步提高原料空气质量,改善碳分子筛的运行工作环境,提高碳分子筛性能,进而实现延长制氮设备使用寿命、提高制氮设备的制氮效率和制氮质量的目的。