20000 m3/h空分設(shè)備下塔液泛 故障原因分析與處理

周金城

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司 氣體銷售分公司，安徽 馬鞍山 243000)

0　引言

馬鞍山鋼鐵股份有限公司(以下簡稱：馬鋼)氣體銷售分公司配備的20 000 m3/h空分設(shè)備由杭氧設(shè)計(jì)、制造，采用分子篩吸附器吸附凈化、液氧內(nèi)壓縮、全精餾制氬、氪氙與氖氦粗制工藝流程。20 000 m3/h空分設(shè)備下塔為篩板塔，上塔、粗氬塔、精氬塔、粗氖氦塔、貧氪氙塔均為規(guī)整填料塔。20 000 m3/h空分設(shè)備精餾系統(tǒng)流程簡圖見圖1。

20 000 m3/h空分設(shè)備自投產(chǎn)，因空分設(shè)備設(shè)計(jì)、設(shè)備維護(hù)措施及設(shè)備故障原因影響，下塔發(fā)生多起液泛，對空分設(shè)備精餾工況影響大。為此，馬鋼通過空分設(shè)備技術(shù)改造、故障隱患消除、操作方法改進(jìn)等處理措施，消除下塔液泛，使空分設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1　下塔塔板設(shè)計(jì)不完善

1.1　液泛故障現(xiàn)象與原因分析

2004年1月16日，馬鋼20 000 m3/h空分設(shè)備初次投運(yùn)，氧氣純度合格、氮?dú)饧兌任催_(dá)標(biāo)，純液氮節(jié)流閥V3開度較大。2004年1月18日，為提高氮?dú)饧兌?，增大下塔回流比，將純液氮?jié)流閥V3開度減至64%時(shí)，下塔發(fā)生液泛。下塔發(fā)生液泛時(shí)空分設(shè)備運(yùn)行參數(shù)見表1。

圖1　20 000 m3/h空分設(shè)備精餾系統(tǒng)流程簡圖Fig.1　20 000 m3 /h ASU distillation system flow diagram表1　下塔發(fā)生液泛時(shí)空分設(shè)備運(yùn)行參數(shù)Table 1　The ASU operating parameters when flooding occurs

　　　項(xiàng)目1月16日正常運(yùn)行參數(shù)1月18日液泛運(yùn)行參數(shù)下塔阻力/kPa15．5～15．827～33下塔壓力/kPa451～453473～481下塔液空液位/mm500～55040～130氧氣純度/%99．899．8氮?dú)饧兌?10-6O238～432000氧氣產(chǎn)量/(m3·h-1)1900018700低壓空氣量/(m3·h-1)4900046500中壓膨脹空氣量/(m3·h-1)2600026000高壓空氣量/(m3·h-1)2700026000

杭氧設(shè)計(jì)人員根據(jù)20 000 m3/h空分設(shè)備工藝流程與下塔設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對下塔液泛時(shí)空分設(shè)備運(yùn)行參數(shù)分析。因馬鋼20 000 m3/h空分設(shè)備設(shè)置氖氦粗制流程，分別從主冷冷凝側(cè)、下塔頂部抽取3股富含氖氦氣的氮?dú)庾鳛樘崛〈帜屎獾脑蠚?，進(jìn)入粗氖氦塔參與精餾。為提高3股含有氖氦氣的氮?dú)庵心屎鉂舛?，在原下塔頂部增設(shè)3塊塔板，增設(shè)的3塊塔板間距設(shè)計(jì)小。

空分設(shè)備運(yùn)行時(shí)，主冷冷凝側(cè)部分液氮作為下塔回流液，經(jīng)液氮回流閥V11進(jìn)入下塔頂部增設(shè)的3塊塔板參與精餾。因增設(shè)3塊塔板間距小，在減小純液氮節(jié)流閥V3開度，進(jìn)入增設(shè)3塊塔板回流液體量增加時(shí)，塔板中液體未及時(shí)通過溢流斗流入下一塊塔板，造成增設(shè)3塊塔板液面增厚及溢流斗液位上升。在溢流斗液體液位升至與塔板液體液面水平時(shí)，回流液體在溢流斗中流動阻力大，無法通過溢流斗流入下一塊塔板，使下塔頂部Ⅰ段精餾區(qū)域發(fā)生液泛，造成下塔Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ段精餾區(qū)域回流液體量減少，上升蒸氣液化量降低，下塔壓力升高，進(jìn)塔加工空氣量減少，下塔精餾工況劣化。

1.2　處理措施

1.2.1應(yīng)急處理措施

為保證公司生產(chǎn)，對下塔頂部Ⅰ段精餾區(qū)域發(fā)生液泛處理措施如下：

增大純液氮節(jié)流閥V3開度，增大粗氖氦塔冷凝器熱負(fù)荷，增加從下塔頂部液氮抽取量。開啟下塔頂部液氮排放閥，排放液氮。以此降低下塔頂部增設(shè)3塊塔板液面厚度與溢流斗液面高度，消除下塔頂部Ⅰ段精餾區(qū)域液泛。

在下塔頂部Ⅰ段精餾區(qū)域液泛消除后，未減少純液氮節(jié)流閥V3開度調(diào)節(jié)氮?dú)饧兌?，以此維持設(shè)備運(yùn)行。

1.2.2下塔液氮管線技術(shù)改造

通過設(shè)備技術(shù)改造，消除因下塔頂部增設(shè)3塊塔板造成下塔發(fā)生液泛現(xiàn)象。2004年4月，對20 000 m3/h空分設(shè)備下塔液氮管線進(jìn)行技術(shù)改造，具體技術(shù)改造措施如下：

經(jīng)杭氧設(shè)計(jì)人員對20 000 m3/h空分設(shè)備下塔理論計(jì)算，將下塔頂部增加3塊塔板的Ⅰ段精餾區(qū)域不作為精餾區(qū)域，下塔Ⅱ段精餾區(qū)域至下塔Ⅵ段精餾區(qū)域塔板數(shù)量可以在下塔Ⅱ段精餾區(qū)域頂部分離出氧含量不大于5×10-6氮?dú)猓谙滤龆尉s區(qū)域底部分離出純度合格的富氧液空。

將液氮回流閥V11出口液氮管道移出下塔Ⅰ段精餾區(qū)域，直接導(dǎo)入下塔Ⅱ段精餾區(qū)域頂部，使液氮回流閥V11出口液氮不經(jīng)過增設(shè)3塊塔板。因增設(shè)的3塊塔板無回流液體下流，避免下塔回流液體因增設(shè)的3塊塔板間距小，在Ⅰ段精餾區(qū)域塔板上滯留，不使下塔Ⅰ段精餾區(qū)域發(fā)生液泛。下塔液氮管線改造示意圖如圖2所示。

圖2　下塔液氮管線改造示意圖Fig.2　A schematic diagram for the reconstruction of the liquid nitrogen pipeline in the lower tower

1.3　效果

2004年5月7日，20 000 m3/h空分設(shè)備液氮管線改造完畢投入運(yùn)行，效果顯著?？辗衷O(shè)備運(yùn)行至今，下塔頂部Ⅰ段精餾區(qū)域未因增設(shè)的3塊塔板發(fā)生液泛，氮?dú)庋鹾拷抵敛淮笥?0×10-6。

2　下塔液空管線設(shè)計(jì)不佳

2.1　液泛故障現(xiàn)象與原因分析

20 000 m3/h空分設(shè)備自投產(chǎn)運(yùn)行，液空節(jié)流閥V1保持全開狀態(tài)。2005年6月3日，在減小純液氮節(jié)流閥V3開度，增加下塔回流比，使氮?dú)庋鹾窟_(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)，下塔發(fā)生液泛。下塔發(fā)生液泛時(shí)空分設(shè)備運(yùn)行參數(shù)見表2。

表2　下塔液泛時(shí)空分設(shè)備運(yùn)行參數(shù)Table 2　The ASU operating parameters when flooding occurs

杭氧設(shè)計(jì)人員根據(jù)20 000 m3/h空分設(shè)備工藝流程設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對下塔液泛運(yùn)行參數(shù)分析。馬鋼20 000 m3/h空分設(shè)備設(shè)置氪氙粗制流程，從下塔塔釜抽取一股富含氪氙的液空進(jìn)入貧氪氙塔，作為提取貧氪氙的原料液。因馬鋼20 000 m3/h空分設(shè)備未設(shè)置氪氙精制設(shè)備，貧氪氙塔未投運(yùn)，下塔液空經(jīng)液空節(jié)流閥V1、V701分別進(jìn)入上塔提餾段與粗氬冷凝器。

液空節(jié)流閥V1與閥門進(jìn)口處液空管線直徑均為Φ90 mm，將液空節(jié)流閥V1全開，液空經(jīng)此液空管線流量低。在減小純液氮節(jié)流閥V3開度時(shí)，下塔增加回流液體滯留于下塔Ⅵ段精餾區(qū)域，無法通過液空節(jié)流閥V1進(jìn)入上塔提餾段，下塔塔釜液空液位高。造成下塔Ⅵ段精餾區(qū)域塔板與溢流斗液面均上升，下塔Ⅵ段精餾區(qū)域塔板回流液體積累、懸浮，下塔Ⅵ段精餾區(qū)域發(fā)生液泛。

因下塔Ⅵ段精餾區(qū)域發(fā)生液泛，下塔Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ段精餾區(qū)域回流液體與上升蒸氣熱質(zhì)交換效率降低，氮?dú)庋鹾可仙M(jìn)塔加工空氣量減少，氧氣產(chǎn)量降低。

2.2　 處理措施

2.2.1操作方法改進(jìn)

開啟下塔液空排放閥，排放下塔Ⅵ段精餾區(qū)域液空。同時(shí)，增大粗氬冷凝器液空進(jìn)液閥V701開度，因入粗氬冷凝器液空管線直徑為Φ203 mm，可有效將下塔Ⅵ段精餾區(qū)域液體通過粗氬冷凝器工作輸入上塔。為避免因進(jìn)入粗氬塔氬餾分流量高，粗氬冷凝器冷凝側(cè)氮?dú)夥e聚量增大，降低氬餾分氬含量，不使粗氬塔發(fā)生氮塞。以此，降低下塔液空液位與阻力，消除下塔Ⅵ段精餾區(qū)域液泛。

同時(shí)，在空分設(shè)備冷開車、熱開車調(diào)純階段，減小純液氮節(jié)流閥V3開度，調(diào)節(jié)氮?dú)饧兌葧r(shí)，采用同步投運(yùn)粗氬塔方法，將下塔Ⅵ段精餾區(qū)域液空及時(shí)轉(zhuǎn)移至粗氬冷凝器，不使下塔Ⅵ段精餾區(qū)域發(fā)生液泛。

2.2.2下塔液空管線技術(shù)改造

2010年10月，通過對下塔液空管線進(jìn)行技術(shù)改造，消除下塔Ⅵ段精餾區(qū)域發(fā)生液泛。具體下塔液空管線改造措施如下：

針對馬鋼20 000 m3/h空分設(shè)備自投產(chǎn)，貧氪氙塔未投運(yùn)狀況，取消貧氪氙塔精餾功能。將從下塔抽取經(jīng)液空節(jié)流閥V1603進(jìn)入貧氪氙塔，作為提取貧氪氙原料液的部分液空，改為進(jìn)入液空節(jié)流閥V1出口直徑為Φ110 mm液空管線，使液空節(jié)流閥V1與V1603并聯(lián)，從而增加液空節(jié)流閥V1所在液空管線的液空流量，有效將下塔Ⅵ段精餾區(qū)域液空輸入上塔提餾段。下塔液空管線改造示意圖如圖3所示。

圖3　改造后空分設(shè)備精餾系統(tǒng)流程簡圖Fig.3　The schematic diagram of the reconstruction of the lower tower liquid and air pipeline

2.3　效果

2005年6月，20 000 m3/h空分設(shè)備操作方法改進(jìn)完畢，下塔Ⅵ段精餾區(qū)域未因液空節(jié)流閥V1所在液空管徑小發(fā)生液泛，氮?dú)庋鹾空{(diào)至5×10-6～8×10-6。同時(shí)，因氬餾分氬含量控制較低，液氬產(chǎn)量未達(dá)標(biāo)。

2010年12月，20 000 m3/h空分設(shè)備下塔液空管線改造完畢，投入運(yùn)行，下塔Ⅵ段精餾區(qū)域未因液空管徑小發(fā)生液泛，氮?dú)庋鹾啃∮?×10-6，液氬產(chǎn)量較大幅度提高，效果明顯。

3　分子篩吸附器故障影響

3.1　液泛故障現(xiàn)象與原因分析

2011年8月，處于冷備用狀態(tài)的20 000 m3/h空分設(shè)備分子篩吸附器發(fā)生進(jìn)水故障。使用庫存分子篩、氧化鋁將進(jìn)水失效的分子篩、氧化鋁更換、活化后，空分設(shè)備開車，下塔阻力較高，氧氣純度合格，氮?dú)庋鹾看笥?2×10-6未達(dá)標(biāo)。

隨著空分設(shè)備運(yùn)行時(shí)間延長，下塔液空液位與阻力波動幅度增大，分子篩吸附器出口空氣中二氧化碳含量與氮?dú)庋鹾客缴?。對下塔液空分析化?yàn)，液空中二氧化碳含量高。根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃，空分設(shè)備運(yùn)行3周后，停機(jī)再次轉(zhuǎn)入冷備用狀態(tài)。20 000 m3/h空分設(shè)備停運(yùn)前運(yùn)行參數(shù)見表3。

表3　20 000 m3/h空分設(shè)備停運(yùn)前運(yùn)行參數(shù)Table 3　20 000 m3/h ASU before the stoppage of operation parameters

通過對20 000 m3/h空分設(shè)備運(yùn)行參數(shù)分析，20 000 m3/h空分設(shè)備下塔發(fā)生液泛。在空分設(shè)備停機(jī)后，對分子篩吸附器中分子篩、活性氧化鋁取樣分析化驗(yàn)，更換的分子篩、活性氧化鋁因庫存時(shí)間長，吸附容量大幅度降低。在空分設(shè)備運(yùn)行時(shí)，分子篩吸附器吸附效率降低，分子篩吸附器出口空氣中二氧化碳含量逐步上升，使下塔塔板篩孔被固態(tài)二氧化碳逐步堵塞，下塔塔板液體厚度增加，下塔塔板阻力逐步增加，使下塔Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ段精餾區(qū)域發(fā)生液泛。

隨著下塔塔板篩孔堵塞程度增加，下塔液泛逐步加劇，下塔上升蒸氣液化量與回流液體蒸發(fā)量逐步降低，使氮?dú)庋鹾可仙?，下塔液空液位與阻力波動，入下塔低壓空氣、中壓膨脹空氣、高壓空氣流量降低。

3.2　處理措施及效果

通過訂購質(zhì)量合格的分子篩與活性氧化鋁，將空分設(shè)備2臺分子篩吸附器中分子篩、活性氧化鋁全部更換。同時(shí)，將下塔、主冷、粗氬塔、精氬塔、粗氖氦塔液體排盡，在分子篩吸附器中分子篩、活性氧化鋁全部更換完畢，啟動空壓機(jī)、投運(yùn)空冷系統(tǒng)、再生活化分子篩吸附器，對20 000 m3/h空分設(shè)備進(jìn)行全面加溫，清除空分設(shè)備低溫系統(tǒng)積聚的二氧化碳。

2012年2月，20 000 m3/h空分設(shè)備開車運(yùn)行，下塔Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ段精餾區(qū)域液泛現(xiàn)象消除，空分設(shè)備運(yùn)行工況穩(wěn)定，效果較好。

4　粗氬塔氮塞影響

4.1　液泛故障現(xiàn)象與原因分析

2011年4月25日，空壓機(jī)入口導(dǎo)葉因定位器故障出現(xiàn)波動現(xiàn)象。在分子篩吸附器升壓階段，氬餾分氬含量升至15%，粗氬冷凝器液空液位由正常運(yùn)行280 mm升至750 mm。同時(shí)，下塔液空液位與阻力值均大于其報(bào)警值，氮?dú)庋鹾坑?.1×10-6升至大于7000×10-6，入下塔低壓空氣、中壓膨脹空氣、高壓空氣流量均降低。

根據(jù)故障現(xiàn)象分析，下塔Ⅵ段精餾區(qū)域發(fā)生液泛。在分子篩吸附器升壓階段，空壓機(jī)入口導(dǎo)葉因定位器故障波動，入下塔參與精餾加工空氣量減少，主冷熱負(fù)荷降低，上塔提餾段氬富集區(qū)下移，氬餾分氮含量增大，粗氬冷凝器冷凝側(cè)氮?dú)夥e聚量增大，粗氬冷凝器熱負(fù)荷下降，粗氬塔發(fā)生氮塞。

因粗氬塔發(fā)生氮塞，粗氬冷凝器液空蒸發(fā)量減少，粗氬冷凝器液空液位升高，下塔部分液空無法通過粗氬冷凝器工作輸入上塔，滯留于下塔Ⅵ段精餾區(qū)域，下塔Ⅵ段精餾區(qū)域塔板液面厚度與溢流斗液位上升，使下塔Ⅵ段精餾區(qū)域發(fā)生液泛，下塔回流液體與上升蒸氣熱質(zhì)交換效率降幅大，氮?dú)庋鹾扛摺?/p>

4.2　處理措施及效果

1.將液空節(jié)流閥V1全開，開啟下塔液空排放閥，同時(shí)增大純液氮節(jié)流閥V3、污液氮節(jié)流閥V2開度，降低下塔液空液位及阻力。

調(diào)節(jié)主塔工況，使氧氣純度與氬餾分氬含量穩(wěn)定。同時(shí)調(diào)節(jié)粗氬塔工況，消除粗氬塔氮塞，保持粗氬塔運(yùn)行，消除下塔Ⅵ段精餾區(qū)域液泛。

2.根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃，在空分設(shè)備停機(jī)時(shí)，將空壓機(jī)入口導(dǎo)葉定位器更換。同時(shí)，針對空壓機(jī)入口導(dǎo)葉定位器故障較多，造成粗氬塔氮塞，使下塔Ⅵ段精餾區(qū)域發(fā)生液泛現(xiàn)象，2012年1月，對空壓機(jī)入口導(dǎo)葉定位器實(shí)施移位技術(shù)改造。

空壓機(jī)入口導(dǎo)葉定位器安裝在入口導(dǎo)葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)支架中，因空壓機(jī)機(jī)體振動影響，入口導(dǎo)葉定位器故障率高。通過對入口導(dǎo)葉定位器進(jìn)行移位技術(shù)改造，將入口導(dǎo)葉定位器移出空壓機(jī)機(jī)體，安置在無振動固定支架中，有效避免入口導(dǎo)葉定位器故障，粗氬塔運(yùn)行工況穩(wěn)定，下塔Ⅵ段精餾區(qū)域未再次發(fā)生液泛，效果明顯。

5　結(jié)束語

針對馬鋼20 000 m3/h空分設(shè)備投產(chǎn)后，下塔發(fā)生多起液泛現(xiàn)象，馬鋼在杭氧設(shè)計(jì)人員指導(dǎo)下，分析下塔發(fā)生液泛具體原因，根據(jù)20 000 m3/h空分設(shè)備工藝流程與設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、通過設(shè)備技術(shù)改造、故障隱患消除、操作方法改進(jìn)，消除下塔發(fā)生液泛影響因素，保證設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。