固定式制氮系統(tǒng)中空氣凈化裝置改造試驗(yàn)*

吳潤(rùn)鈿 謝明財(cái) 劉永平

(中央儲(chǔ)備糧揭陽(yáng)直屬庫(kù)有限公司 522000)

碳分子篩是變壓吸附制氮機(jī)的核心部件,制氮設(shè)備的性能高低主要取決于碳分子篩的性能高低。碳分子篩利用微孔的篩分特性分離氧氣和氮?dú)?分子篩的比表面積越大、孔徑分布越均勻、微孔數(shù)量越多,吸附量就越大,氮氧分離效果就越好。制造工藝和裝填技術(shù)是碳分子篩的比表面積、微孔數(shù)量和孔徑分布等性能指標(biāo)的主要決定因素,但運(yùn)行過(guò)程中設(shè)定的產(chǎn)氣時(shí)間、均壓時(shí)間、操作壓力和使用溫度也會(huì)對(duì)碳分子篩的使用性能產(chǎn)生影響,特別是原料空氣質(zhì)量對(duì)碳分子篩的使用性能影響尤為明顯。這是由于空氣中含有一定的水和油蒸汽,壓縮空氣如果不經(jīng)嚴(yán)格的凈化處理,水蒸汽會(huì)增加碳分子篩的吸附“負(fù)荷”,影響其吸附氧氣的能力,而油蒸汽則容易被碳分子篩吸附,并且難以脫附,堵塞分子篩微孔,使氧氣、氮?dú)舛疾荒苓M(jìn)入到微孔中,進(jìn)而使碳分子篩的分離性能逐漸降低,甚至起不到分離的作用,導(dǎo)致分子篩“中毒”失效。因此,在壓縮空氣進(jìn)入吸附塔前,設(shè)置嚴(yán)格有效的空氣凈化裝置,全力做好壓縮空氣的凈化處理工作就顯得尤其重要?；谝陨峡紤],中央儲(chǔ)備糧揭陽(yáng)直屬庫(kù)有限公司(以下簡(jiǎn)稱“揭陽(yáng)直屬庫(kù)”)通過(guò)改造制氮系統(tǒng)中的空氣凈化裝置,強(qiáng)化空氣凈化能力,進(jìn)一步提高壓縮空氣的干燥、干凈程度,改善碳分子篩的運(yùn)行工作環(huán)境,提高碳分子篩性能,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提高制氮設(shè)備產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣純度、延長(zhǎng)制氮設(shè)備使用壽命以及降低能耗的目的。

1 制氮系統(tǒng)改造前基本情況

1.1 制氮系統(tǒng)配置情況

揭陽(yáng)直屬庫(kù)固定式變壓吸附制氮系統(tǒng)于2020年投入使用,設(shè)計(jì)氮?dú)猱a(chǎn)量350 Nm3/hr,產(chǎn)氣純度99.5%?？諌簷C(jī)為風(fēng)冷式噴油螺桿空壓機(jī)。該制氮系統(tǒng)空氣凈化裝置主要包含高效除油器、冷凍式壓縮空氣干燥機(jī)、兩級(jí)精密過(guò)濾器和活性炭過(guò)濾器等裝置。

1.2 制氮系統(tǒng)工作原理和工藝流程

變壓吸附簡(jiǎn)稱PSA,是指在絕熱等溫條件下,利用氣體組分在加壓時(shí)被吸附劑吸附,在減壓時(shí)自動(dòng)脫附的一種循環(huán)工作過(guò)程,從而實(shí)現(xiàn)氣體混合物分離的一種常溫氣體分離技術(shù)。變壓吸附制氮系統(tǒng)是以碳分子篩為吸附劑,利用加壓吸附,降壓解吸的原理從空氣中吸附和釋放氧氣,從而分離出氮?dú)獾淖詣?dòng)化設(shè)備?；玖鞒?原料空氣進(jìn)入空氣壓縮機(jī)后,壓縮成壓縮空氣,隨后經(jīng)一系列空氣凈化裝置進(jìn)行嚴(yán)格的除油、除水、除塵,處理成干凈的壓縮空氣,再送入變壓吸附制氮機(jī)的兩個(gè)裝有碳分子篩的吸附工作塔,經(jīng)加壓吸附、降壓解吸循環(huán)交替從空氣中吸附和釋放氧氣、二氧化碳等需要分離的組分,從而源源不斷地制備出符合純度要求的氮?dú)狻?/p>

1.3 制氮系統(tǒng)使用情況

制氮系統(tǒng)投入使用兩年后,當(dāng)產(chǎn)氣純度99.0%時(shí),實(shí)際產(chǎn)氣量只有約270 Nm3/h,產(chǎn)氣量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

2 制氮系統(tǒng)改造情況

2.1 增加安裝油水分離過(guò)濾器

在空氣緩沖罐后方加裝1個(gè)型號(hào)為10/1.25 MPa的不銹鋼材質(zhì)油水分離過(guò)濾器,主要工作原理如下:當(dāng)壓縮空氣進(jìn)入油水分離過(guò)濾器后,通過(guò)筒狀網(wǎng)眼過(guò)濾芯時(shí)產(chǎn)生聚結(jié)效應(yīng),大一點(diǎn)的顆粒將被吸附在濾材上,而水分則會(huì)凝結(jié)成較大的水滴;進(jìn)入分離室時(shí),壓縮空氣速度減緩,使得顆粒再次聚集,水霧再次凝結(jié)在一個(gè)蜂窩狀的聚水上,載著雜質(zhì)顆粒的水沿著底部流到排水裝置,通過(guò)自動(dòng)排水閥排出;壓縮空氣通過(guò)多層纖維過(guò)濾網(wǎng)時(shí),會(huì)產(chǎn)生眾多的小漩渦,同時(shí)壓縮空氣被加速,形成真空狀態(tài),使沒(méi)有被濾除的水滴再次被氣化、轉(zhuǎn)換、濾除,有效去除壓縮空氣中的細(xì)微油污、殘留水分及其它雜質(zhì),綜合提高空氣凈化裝置的凈化效果。該過(guò)濾器具有耐高壓、濾芯易更換、處理水量大、占地面積小、過(guò)濾效果好等特點(diǎn)。

2.2 更換自動(dòng)排水器

原制氮系統(tǒng)在高效除油器、冷凍式壓縮空氣干燥機(jī)、兩級(jí)精密過(guò)濾器、活性炭過(guò)濾器和空氣緩沖罐等部位配置了6個(gè)電子式自動(dòng)排水器,這些排水器通過(guò)電磁閥控制閥門的開(kāi)關(guān),并通過(guò)開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)自動(dòng)排水開(kāi)啟的時(shí)間和周期。使用過(guò)程中存在如下不足:管道比較小、濾網(wǎng)比較小,易堵塞造成排水不暢,加之有一定的使用壽命限制,損壞或排水不順暢時(shí),難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)。為此,將上述排水器更換為球形物理自動(dòng)排水器,型號(hào)為HAD20B,直徑100 mm,高度110 mm,口徑25 mm,浮球結(jié)構(gòu),由鋁合金壓鑄,過(guò)濾精度0.001 ppm,最大工作壓力20 Bar,用于解決壓縮空氣中產(chǎn)生的冷凝水的自動(dòng)排放問(wèn)題。球形物理排水器通過(guò)內(nèi)置的浮標(biāo)壓力來(lái)開(kāi)啟排水器,排水器里的液面上升,浮標(biāo)上升,閥門就自動(dòng)開(kāi)啟,反之,液面下降,浮標(biāo)下降,閥門關(guān)閉。由于球形物理排水器堅(jiān)固耐用,加上利用的是浮球自身重量和壓縮空氣施加的壓力來(lái)進(jìn)行排水,當(dāng)冷凝水積累到一定程度,浮力足夠,就會(huì)自動(dòng)排水,杜絕了電子排水器存在的管網(wǎng)偏小、線路故障誤操作、電磁閥損壞不操作等弊端,使排水更加及時(shí)、可靠,保證壓縮空氣的除水、去污效果。

2.3 改造及服務(wù)費(fèi)用(見(jiàn)表1)

表1 空氣凈化裝置改造及服務(wù)費(fèi)用

2.4 加強(qiáng)日常維護(hù)與保養(yǎng)

2.4.1 當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),要定期巡檢吸附塔工作過(guò)程中的吸附、均壓力、氣源壓力及氮?dú)廨敵鰤毫κ欠裾?要認(rèn)真做好制氮系統(tǒng)各部件、各閥門、各電氣控制系統(tǒng)的日常維護(hù)和定期保養(yǎng),防止設(shè)備發(fā)生故障,延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

2.4.2 為確保油水分離過(guò)濾器和排水器的排水去污效果,每次使用前,須擰開(kāi)排水閥排污;長(zhǎng)久未使用時(shí),每周需對(duì)油水分離過(guò)濾器的排水閥排水一次,并根據(jù)設(shè)備使用情況,及時(shí)更換濾芯;每周需對(duì)HAD20B排水器進(jìn)行檢查,操作方法如下:擰開(kāi)手動(dòng)排污閥,讓排水器內(nèi)水液流完,直至設(shè)備內(nèi)壓縮空氣進(jìn)入球體內(nèi)缸幾秒鐘,再關(guān)閉手閥,如排出的水液多于0.5 L,即證明自動(dòng)排水器有堵塞,必須將排水器徹底清洗干凈。每年需拆出自動(dòng)排水器清洗內(nèi)部配件,清洗時(shí),可使用肥皂水或洗潔精清洗,切勿使用溶劑,以免損壞橡膠類配件。

3 制氮系統(tǒng)改造效果

3.1 提高了氮?dú)饧兌群彤a(chǎn)氣量

空氣凈化系統(tǒng)經(jīng)過(guò)以上改造后,制氮設(shè)備的產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣純度均較改造前有較大提升,當(dāng)產(chǎn)氣純度為99.5%時(shí),氮?dú)猱a(chǎn)量可以達(dá)到380 Nm3/h。

3.2 延長(zhǎng)了制氮設(shè)備使用壽命

由于進(jìn)入變壓吸附制氮設(shè)備的壓縮空氣得到進(jìn)一步地除水、去油凈化,降低了堵塞碳分子篩的機(jī)率,對(duì)制氮設(shè)備中的分子篩起到一定保護(hù)作用。此外,通過(guò)設(shè)置合適的均壓時(shí)間,減緩制氮過(guò)程中對(duì)吸附塔內(nèi)的碳分子篩的沖擊,有效延長(zhǎng)了制氮設(shè)備中碳分子篩的使用壽命。

3.3 經(jīng)濟(jì)效益明顯

在理想狀況下,碳分子篩可以長(zhǎng)久使用;但在實(shí)際工作中,由于裝填緊密度、使用壓力、原料空氣質(zhì)量等原因,碳分子篩會(huì)受到一定程度的損壞。據(jù)中成航宇有關(guān)碳分子篩實(shí)際裝填研究,碳分子篩的壽命在正常使用下大概為6～10年,每年約以5%的產(chǎn)能遞減,因此,制氮系統(tǒng)使用一定年限后,需對(duì)吸附塔的碳分子篩進(jìn)行補(bǔ)充裝填或重新裝填。目前,市面上碳分子篩價(jià)格高昂,質(zhì)量比較理想的碳分子篩約為160元/kg,以我?guī)飚a(chǎn)氮量為350 Nm3/h的制氮系統(tǒng)為例,據(jù)廠家維保工作人員測(cè)算,重新裝填兩個(gè)吸附塔約需要1300 kg的碳分子篩,一次裝填成本超過(guò)20萬(wàn)元,按10年折舊,碳分子篩使用成本約為2萬(wàn)元/年;而通過(guò)空氣凈化裝置改造,設(shè)備改造費(fèi)用、配件、安裝服務(wù)等費(fèi)用合計(jì)8560元,預(yù)計(jì)制氮設(shè)備中碳分子篩可延長(zhǎng)2～3年使用壽命,改造效益明顯;此外,由于制氮設(shè)備制氮產(chǎn)量和氮?dú)饧兌忍岣吆?在實(shí)現(xiàn)同樣的保糧目標(biāo)的情況下,可縮短開(kāi)機(jī)充氮時(shí)間,也節(jié)約了充氮運(yùn)行成本,能夠取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 制氮系統(tǒng)改造結(jié)論

試驗(yàn)表明,通過(guò)對(duì)制氮系統(tǒng)中的空氣凈化裝置進(jìn)行適當(dāng)改造,強(qiáng)化空氣凈化處理,可以進(jìn)一步提高原料空氣質(zhì)量,改善碳分子篩的運(yùn)行工作環(huán)境,提高碳分子篩性能,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)制氮設(shè)備使用壽命、提高制氮設(shè)備的制氮效率和制氮質(zhì)量的目的。