空分机组吸附器蒸汽加热器泄漏后的安全运行措施

樊新庆
（新疆八一钢铁股份有限公司能源中心）
摘 要：空分机组的原料空气中水分、二氧化碳、碳氢化合物、乙炔等有害杂质的清除均由分子筛吸附器完成，如配套蒸汽加热器出现内漏，在加热再生的过程中将蒸汽中水分通过污氮带入吸附器，导致再生不彻底使吸附性能下降或失效。

文章介绍了吸附器泄漏后的处理及操作，减小对吸附器再生的影响，在此类故障情况下空分机组连续运行状况。

为同行业机组运行中存在相关问题提供参考。

关键词：分子筛吸附器；蒸汽加热器；电加热器；露点
中图分类号：TQ116.1 文献标识码：B 文章编号：1672—4224(2020)03—0050—04
Safe Operation Measures after Leakage of Steam Heater in Adsorber
of Air Separation Unit
FAN Xin-qing
(Energy Center,Xingjiang Bayi Iron & Steel Co.,Ltd.)
0 前言
分子筛吸附器作为空分机组中空气净化装置，对空分机组的连续稳定运行起着至关重要的作用。

空气中水分、二氧化碳、碳氢化合物、乙炔等有害杂质的清除均由吸附器完成。

分子筛吸附器吸附原理是采用变温吸附法连续分离空气中水分和二氧化碳，在常温下吸附剂对水分、二氧化碳的吸附容量大，高温下吸附容量减小，通过周期性改变吸附剂床层温度，交替使用达到连续分离空气中水分和二氧化碳的目的。

空分机组所属分子筛吸附器系统由两台分子筛吸附器，一台蒸汽加热器、汽液分离器、电加热器、放空消声器、管道、阀门、控制系统等部机组成。

#2019年3月八钢2制氧机其配套蒸汽加热器出现内漏，导致再生不彻底使吸附性能下降，通过#
诊断分析，采取了多项措施并分步实施，使2空分机组连续运行了7个月。

联系人：樊新庆，男，50岁，大学本科，深冷技术工程师，乌鲁木齐（830022）新疆八一钢铁股份有限公司能源中心制氧分厂E-mail:空分机组吸附器蒸汽加热器泄漏后的安全运行措施
Abstract: The removal of moisture, carbon dioxide, hydrocarbons, acetylene and other harmful impurities in the raw air of the air separation unit is completed by the molecular sieve adsorber. In case of internal leakage of the matching steam heater, the moisture in the steam is brought into the adsorber through the polluted nitrogen during the heating and regeneration process, resulting in incomplete regeneration and degradation or failure of adsorption performance.This paper introduces the treatment and operation of the adsorber leakage to reduce the impact on the regeneration of the adsorber, and the continuous operation of the air separation unit under such fault conditions. It provides reference for the related problems existing in the operation of units in the same industry.
Key words :molecular sieve adsorber; steam heater; electric heater ; dew point
1 空分机组吸附器工艺流程介绍
空分机组吸附器工艺流程见图1。

压缩后0.5MPa的压力空气，经预冷系统冷却到约16℃，自下而上通过卧式分子筛吸附器MS1201或MS1202（简称吸附器）时，空气中所含有的水分、乙炔、二氧化碳等杂质相继被吸附清除，净化后的空气，进入空分机组冷箱内的主换热器降温后在主塔中进行分离。

吸附器成对交替使用，一只工作时，另一只被再生。

吸附器的再生一般分四步进行：降压 加热 吹冷 升压。

降压：吸附器在工作周期即将结束时，须将容器内的带压空气排放出去。

降压是将V1205阀（或1206阀）打开而实现的。

降压结束，打开再生污氮气进、出口阀V 1211、V 1213（或V 1212、V1214）。

图1 空分机组吸附器工艺流程
加热：打开V1218阀，相应地关闭V1217阀，使污氮气经蒸汽加热器加热自上而下通过吸附器。

此时V1234全开，V1232、V1233关闭。

吹冷：打开V1217阀，相应地关闭V1218阀，使吹冷用污氮气不经过加热器而旁通，吹冷用污氮气的温度为23.5℃，吹冷期内，污氮气出吸附器的温度起初继续上升，待上升至100℃以上后就逐渐下降，吹冷末，污氮气出吸附器温度下降至比工作温度高5℃～10℃。

升压：打开V1207阀，关闭相应的加温吹冷阀，使正在工作的一只吸附器中的空气充入即将再生完毕的一只吸附器中。

再生四步骤结束后，该只吸附器投入工作。

2 蒸汽加热器泄漏影响
2019年3月24日正常加热时出蒸汽加热器污氮
-6-6
含水为0.6×10，11:28上升为2.16×10；3月27日
-6
13:26蒸汽加热器污氮含水0.78×10，14:04开始加
-6
热，14:19上升到13.09×10。

蒸汽加热器污氮含水
-6
虽然没有超过20×10的控制标准，但已出现劣化趋势，引起现场技术人员的关注。

-6 3月28日10:14蒸汽加热器污氮含水为1.63×10（均压开始时），11:02开始加热，15分钟上升到-6
45.51×10；3月31日开始冷吹60分钟后污氮含水满
-6
量程高达100×10。

7月22日由于锅炉检修停送蒸汽空分机组停运7日，7月31日汽拖空压机程序故障造成停运，处理好后启动正常。

2019年8月26日开始，冷吹阶段出蒸汽加热器水分含量开始逐渐增加，至2019年9月#3
11日24万m/h机组吸附器蒸汽加热器底部排放阀有水滴出，10月11日在吸附器冷吹阶段内泄漏水量达到300ml，9月22日吸附器冷吹阶段内泄漏水量达到700ml，加热阶段出蒸汽加热器污氮水分含量最-6
大为525×10。

10月23日无法持续运行停运了空分机组。

主要原因分析：因蒸汽加热器内漏导致蒸汽漏入了干燥的污氮系统，造成污氮中含水量超标。

在吸附器均压阶段，蒸汽加热器未工作，蒸汽压力偏
-6低，污氮出蒸汽加热器水分含量达1.63×10，是因为泄漏导致水分子逸散造成。

当吸附器开始加热时，污氮进入蒸汽加热器与蒸汽换热。

提高温度的同时，泄漏的蒸汽与污氮混合随着污氮气流带出加热器，造成污氮中水分含量逐渐增加。

吸附器冷吹阶段由于蒸汽加热器进口污氮阀V1218关闭出口阀V1234常开，蒸汽泄漏逸散的水分子沿着污氮加热流程管网首先经过水分分析点AIA1204，由于污氮在加热器内为不流动的“死气”,这就出现冷吹阶段水分含量检测满量程现象，含水污氮之后与经过V1217阀后冷吹污氮混合进入再生的吸附器造成再生不彻底，最终导致吸附器吸附能力降
低二氧化碳穿透吸附器床层进入空分机组。

吸附器蒸汽加热器泄漏使蒸汽中的水分在加热阶段进入吸附器，造成吸附器内吸附剂再生不彻底，吸附器吸附能力下降，二氧化碳等杂质带入后续空分机组导致运行周期缩短，主冷液氧中危险杂质超标等增加了机组运行的风险。

吸附器的吸附能力降低对后续的空分机组安全、稳定运行影响较大，空气中的杂质穿过吸附器床层进入空分机组，在空分机组主换热器、容器、管道内局部部位积聚、堵塞，影响机组的正常运行，严重时甚至会发生爆炸，造成重大的停产事故，带来不必要的损失
#
因2空分机组蒸汽加热器泄漏影响了吸附器中吸附剂的使用效果，导致吸附器再生时出现水
#
分含量高的问题，自3月24日至10月23日2空分机组停机，期间采取多项措施，并分步实施，保障了机组连续、稳定运行了7个月
3 吸附器吸附能力下降的解决措施
根据吸附器内分子筛吸附剂的吸附解吸特性，通过对此阶段吸附器各参数变化及作业过程的分析，对进入吸附器空气温度，减少蒸汽泄漏，降低再生阶段水分带入吸附器量以及严密观察空分机组相关参数等进行了优化，采取措施尽量延长吸附器空分机组持续稳定运行的时间。

3.1 进吸附器原料空气温度控制
经过空冷塔降温后的原料空气，进吸附器时空气内部含水量为饱和含水量，此时的含水量与温度成正比，空气温度高则饱和含水量也就高。

采取调节水冷塔污氮、氮气量配合冷冻机来降低进入空冷塔顶部冷冻水温度的方式，间接控制出空冷塔空气温度，由正常时的15℃降低至11℃，空
33
气中饱和水含量则由12.84g/m降低为10.01g/m，按3
照20万m/h计算空气中含水量每小时可减少566kg，减小吸附剂的吸附负荷；同时为减少再生时吸附器的热量消耗，在吸附器切换前10min将空气出空冷塔温度恢复至15℃，以降低再生时热量的损耗，从而影响再生效果的问题出现。

3.2 降低蒸汽加热器蒸汽压力
在蒸汽加热器泄漏点，蒸汽压力越高泄漏量越大，再生、冷吹阶段通过污氮带入吸附器的水分也就越多，这必将导致吸附器内分子筛再生不彻底。

随着吸附器使用时间的延续，分子筛中的杂质逐渐积累，其吸附能力降低最终导致空气中二氧化碳穿透床层进入空分系统导致机组被迫停运。

为此将蒸汽加热器的蒸汽压力由0.85M P a降低为0.8MPa，即满足再生的热量需求，又降低了蒸汽泄漏量，减少再生时带入吸附器的水分。

3.3 减少加热气量，增加冷吹气量
为减少吸附器吸附杂质数量，将空分机组负荷调整为低负荷运行状态，进入吸附器的空气量随之下降，进而降低了再生时的负荷；在蒸汽压力降低的情况下，为达到完成彻底再生的目的，在加热阶段减少正常加热气量，减少的幅度以满足再生温
3
度的要求即可，将加热时的污氮量由4.65万m/h减33
少至4.5万m/h，增加了冷吹气量由4.65万m/h增加3
至4.8万m/h，在冷吹末期尽量降低吸附剂床层的进口温度，确保吸附器在下一周期使用时与空冷塔来的空气温度相匹配，从而提高其吸附能力。

3.4 在冷吹阶段排放部分氮气
在吸附器加热后的冷吹阶段，蒸汽加热器内蒸汽保持恒压状态，便于下一次加热。

冷吹阶段蒸汽加热器中的蒸汽依然泄漏至污氮侧，此时出蒸汽加热器污氮手动控制阀V1234为全开位置，泄漏出来的蒸汽充满加热器后会沿着污氮出蒸汽加热器管路，通过V1234阀与V1217来的冷吹氮气汇合进入吸附器，水分吸附在吸附器出口分子筛内易造成再生不彻底影响下一周期的二氧化碳吸附效果，在进入下一组的吸附器加热阶段初期，将蒸汽加热器及出加热器污氮管道内的水分全部带入吸附器内，也会影响再生效果。

为降低造成的不利影响，在吸附器的冷吹阶段，将蒸汽加热器底部的排放阀打开，使少量来自V1217冷吹污氮气反向流动，通过蒸汽加热器出口管道返流进入加热器将泄漏出的水分一同经过蒸汽加热器底部排放阀排出系统，冷吹阶段结束后进入下一组加热前关闭此排放阀，来解决冷吹阶段水分带入吸附器的问题。

3.5 启动活化专用电炉增加再生温度
随着蒸汽加热器使用时间的延长，其泄漏量也在逐渐增加，调整后的蒸汽压力下的温度已不能够满足再生需求，此时进入吸附器再生的污氮气温度为158℃。

2019年9月11日开始投运活化时使用的电炉，使污氮先通过蒸汽加热器进行加热，之后约
31.9万m /h污氮气进入电加热器二次加热提温，与蒸汽加热器出来剩余污氮气量混合进入吸附器进行再生，将再生污氮温度提高至161℃，满足了基本再生需求。

3.6 缩短吸附器使用周期
2019年10月4日开始，吸附器后空气中二氧化-6
碳含量开始逐渐升高，最终超过1×10的限定值，-6
在使用末期最高时达到52×10，为使进入空分装置-6空气中的二氧化碳含量低于1×10的标准，采取了成比例的缩短加热、冷吹时间，在二氧化碳未穿透床层前进行切换，为冬季后续启动备用电拖空
表1 吸附器冷吹结束前10分钟机组运行参数监控记录
参数 4月13日 5月12日 6月15日 8月17日 9月20日 10月13日 10月20日空冷塔空气压力/MPa 0.4845 0.488 0.47 0.479 0.465 0.466 0.469空气进主换热器压力/MPa 0.4762 0.48 0.462 0.471 0.458 0.459 0.462下塔压力/MPa 0.456 0.46 0.445 0.451 0.44 0.442 0.442空气进主换热器流量/万m3/h 19.78 20.3 19.23 20 18.28 18.149 18.25空气进主换热器温度/℃ 19.5 20.2 20.8 19.5 20 16.9 16.8出主换热器氧温度/℃ 17.2 18.2 18.4 17.6 16.8 14.7 14.9出主换热器氮温度/℃ 19.4 20.4 20.9 20.4 19.8 16.9 16.3出主换热器污氮温度/℃ 16.8 17.9 18.1 17.5 17.6 14.5 14.7空气进下塔温度/℃ -172.9 -172.2 -173.5 -173 -172.9 -172.4 -172.7主换热器阻力/kPa 20.2 20 17 20 18 17 20出主换热器氧温差/℃ 2.3 2 2.4 1.9 3.2 2.2 1.9出主换热器氮温差/℃ 0.1 -0.2 -0.1 -0.9 0.2 0 0.5出主换热器污氮温差/℃ 2.7 2.3 2.7 2 2.4 2.4 2.1
分机组赢得了时间。

4 优化后的效果
为保证在吸附器内漏期间空分机组持续安全的运行，采取了多项优化措施，并分步实施。

在设备运行期间除做好吸附器的运行监控，还应监控同等状态下其它运行参数的变化并做好踪记录（如表1）。

通过表1记录数据可以看出，在2019年4月至10月主换热器的阻力为20.2kPa，基本没有变化，出主换热器氧、氮、污氮温差在运行期间也没有较大变化，这说明空气中水分、二氧化碳等杂质并没有进入系统，机组还是可以稳定运行。

在吸附器床层被二氧化碳穿透后，为安全考虑每日还需对主冷液氧中的杂质含量进行检测，分析判断机组运行的安全性。

2019年9月25日到#310月21日24万m 制氧机主冷液氧中碳氢化合物分
#3图2 24万m 制氧机主冷液氧中碳氢化合物分析曲线
析曲线见图2，其中对机组安全影响最大的乙炔未-6检出，总烃检测合低于100×10标准，满足空分
机组运行的基本条件。

-6-6-6注:系列一为甲烷(×10);系列二为乙烯(×10);系列三为乙烷(×10);系列-6-6-6四为丙烷(×10);系列五为氧化亚氮(×10);系列六为总烃(×10)
（下转第57页）
寻求在矿山就近建立钛精粉深加工基地，进一步提升钛资源利用效益。

（4）矿山勘探也要关注是否有较高品位钒资源（大于0.3%）的分布情况，如有应单独圈定。

勘探中还应注意其它金属元素的分析研究。

5 积极探索钒钛磁铁矿直接还原冶炼工艺
由于西南天山钒钛铁精矿含钛偏高，而高炉冶炼钒钛铁精粉，钛进入炉渣未回收，直接还原冶炼工艺理论上可实现铁、钒、钛资源的较高效率综合回收利用。

但由于钒钛磁铁矿中钛磁铁矿、钛铁晶石、钛铁矿及固溶体（氧化镁）的存在，增加了钒钛磁铁矿铁氧化物的还原难度。

有关资料显示，目前回转窑、竖炉、流化床直接还原普遍存在金属化率低，结瘤结圈严重，黏结失流等问题，设备技术尚不过关。

但转底炉直接还原采用的是内配碳工艺，还原反应界面大，还原温度高，还原速度快，更重要的是，转底炉具有炉料与炉底相对静止不动的特点，可以在很大程度上减轻钒钛磁铁矿球团膨胀粉化程度，很好地满足钒钛磁铁矿还原特点的要求。

因此应加强该项技术的研究。

6 结语
新疆钒钛磁铁矿矿床形成机理较为复杂，不同区域的矿床成因、矿石特征都有所不同。

因此，钒钛资源开发要做好矿床成因类型、矿石结构特征、钒资源赋存状况等基础地质工作的研究，据此加强矿石可选性工艺研究，确定适合矿山选矿技术工艺路线，提升矿山资源开发的综合效益。

新疆钒钛磁铁矿资源铁品位低，多为超贫矿，钒、钛含量多也仅达到伴生矿利用指标，总体看不属于优质资源，必须进行资源综合利用才能取得资源开发效益。

西南天山钒钛磁铁矿资源的开发还需要有相应的新疆铁精粉、钛精粉深加工市场，只有不断提升钒钛资源综合利用技术水平，才能实现新疆超贫钒钛磁铁矿资源的规模性综合开发利用。

5 结束语
在分析和处理本次吸附器蒸汽加热器内漏造成再生污氮水分含量偏高问题的过程中，根据吸附器吸附工艺技术的原理，制定了针对性措施，通过分步实施，达到提高吸附能力、减少蒸汽泄漏量、排除不同阶段干扰因素、提高再生效果的要求，其措施不可同时实施，这样才能够获得最长的使用时间，为后续备件采购及设备更换争取时间。

同时在此阶段的运行期间，应着重关注主换热器阻力及出主换热器氧、氮、污氮温差变化情况，预判对空分机组运行安全性可能产生的影响。

在吸附器二氧化碳超标后机组运行风险会急剧增加，应每日对主冷液氧乙炔、总烃含量跟踪检验，避免超标导致事故发生。

针对空分机组吸附器蒸汽加热器内漏问题的解决措施，是在备件未到又要保障机组安全运行的权宜之计，存在安全风险。

通过对此次故障处理的梳理，为同行业机组运行中存在相关问题提供参考。

参 考 文 献
[1] 李化治编.制氧技术.北京:冶金工业出版社，2009.
[2] 汤学忠，顾福民主编.制氧工问答.北京：冶金工业出版社，2001.（上接第53页）。