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作者;鄭曉敏
基于氮?dú)獾亩栊,在呼倫貝?.5 Mt/a褐煤提質(zhì)工業(yè)試驗(yàn)裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。自2009年裝置投料試車至今,氮?dú)獗挥糜诿簜}、輸送粉體設(shè)備及管線的惰化保護(hù),輸送粉體設(shè)備的軸端密封,設(shè)備管線吹掃,粉煤倉的振打氣源,氣力輸灰系統(tǒng)氣源等諸多方面。但是在裝置投料試車期間,PSA制氮機(jī)故障現(xiàn)象頻繁發(fā)生,影響裝置的安全連續(xù)生產(chǎn)。通過對(duì)制氮機(jī)出現(xiàn)故障的原因進(jìn)行專題分析和處理后,制氮機(jī)恢復(fù)正常運(yùn)行,為裝置連續(xù)提供合格的氮?dú)鈿庠础?
1制氮概述
1.1 氮?dú)庵苽涞墓に嚰疤攸c(diǎn)
目前空氣分離制氮有3類,即深冷空分制氮、變壓吸附( PSA)制氮和膜分離制氮。PSA制氮技術(shù)工藝簡(jiǎn)單,還可隨時(shí)開停車,眾多優(yōu)點(diǎn)在褐煤提質(zhì)試驗(yàn)項(xiàng)目中得到了很好的體現(xiàn),詳見表1。
1.2 PSA制氮機(jī)的結(jié)構(gòu)及制氮工藝原理
PSA制氮機(jī)主要由吸附塔A/B、上部壓緊氣缸、中部均壓管、消音器、塔底布?xì)獍、塔頂集氣板、壓板、濾網(wǎng)、椰墊、吸附劑、閥組和管道組成。PSA制氮技術(shù)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,從而分離和制取氮?dú)狻V饕煽諝鈮嚎s、空氣凈化、氮?dú)庾儔何郊暗獨(dú)鈶?yīng)用4大部分組成。見圖1。
制氮工藝流程:空氣過濾后進(jìn)入螺桿壓縮機(jī),產(chǎn)生的壓縮空氣進(jìn)入緩沖罐后經(jīng)過除塵、除油、脫水和碳?xì)浠衔锖蟠鎯?chǔ)于空氣儲(chǔ)罐中作為穩(wěn)定氣源。當(dāng)氣源壓力≥0.6 MPa時(shí)啟動(dòng)制氮機(jī),打開進(jìn)氣閥,壓縮空氣由底部進(jìn)入A吸附塔,壓力升高的同時(shí)經(jīng)過碳分子篩緩慢地向塔頂集氣板擴(kuò)散,由于碳分子篩在常溫下對(duì)02和N2在吸附劑上的吸附速率的差異或吸附容量不同,升壓時(shí)壓縮空氣中的02、C02、H20分子被碳分子篩吸附,未被吸附的氮?dú)夥肿哟┻^集氣板,經(jīng)過排氣閥進(jìn)入氮?dú)鈨?chǔ)罐,這個(gè)過程稱為A塔吸附制氮,持續(xù)40~120 s。A塔制氮結(jié)束后,通過均壓閥及管道使A、B2個(gè)吸附塔的壓力達(dá)到均衡,這個(gè)過程稱為均壓,持續(xù)2~3 s。均壓結(jié)束后,壓縮空氣進(jìn)入B吸附塔,進(jìn)行B塔制氮過程,同時(shí)A吸附塔中碳分子篩吸附的氧氣通過排空閥降壓放空,此過程稱之為解吸。反之A塔吸附時(shí)B塔在解吸。兩塔交替進(jìn)行加壓吸附和降壓解吸過程,如此反復(fù)循環(huán),完成氧氣和氮?dú)獾姆蛛x,連續(xù)輸出體積分?jǐn)?shù)為95%~99. 9%的合格氮?dú)庵恋獨(dú)饩彌_罐,通過調(diào)節(jié)流量控制系統(tǒng),向各用氮部位提供穩(wěn)定的氮?dú)饬髁俊?
2運(yùn)行故障及原因分析
PSA制氮機(jī)作為褐煤提質(zhì)裝置中的公用工程系統(tǒng)設(shè)備,為裝置的安全運(yùn)行提供有效的保障。然而2臺(tái)制氮機(jī)在運(yùn)行過程中卻出現(xiàn)分子篩泄露、椰墊及濾網(wǎng)破損、產(chǎn)品氣純度達(dá)不到使用要求、設(shè)備內(nèi)部構(gòu)件焊縫開裂等現(xiàn)象,雖然檢修周期短,但是能否連續(xù)、合格地供氣直接影響褐煤提質(zhì)工藝系統(tǒng)是否能安全穩(wěn)定運(yùn)行,為保證制氮機(jī)能正常供氣,通過以下幾方面對(duì)加速分子篩粉化和設(shè)備內(nèi)部損壞的原因進(jìn)行分析。
2.1分子篩泄露的原因分析
制氮機(jī)分子篩泄露的主要現(xiàn)象是制氮機(jī)運(yùn)行富氧排空過程中從排空管里冒出黑煙,甚至是噴出分子篩顆粒,分子篩的粉化及設(shè)備內(nèi)部構(gòu)件損壞是導(dǎo)致制氮機(jī)漏粉的直接原因。
2.1.1 分子篩質(zhì)量差
分子篩是一種分離氮?dú)馕窖鯕獾奈絼,它的質(zhì)量好壞直接影響著制氮機(jī)的性能和供氣純度。質(zhì)量好的分子篩的抗灰塵、防潮能力、強(qiáng)度、吸附性均比一般質(zhì)量的分子篩性能好,質(zhì)量差的分子篩使用壽命較短,在運(yùn)行過程中加劇粉化。
2.1.2 分子篩填充不實(shí)
制氮機(jī)在填充分子篩時(shí)無專業(yè)填充振動(dòng)設(shè)備導(dǎo)致制氮機(jī)內(nèi)部分子篩填充密實(shí)度低。制氮機(jī)運(yùn)行時(shí),壓縮空氣氣流經(jīng)罐體底部上升,氧氣被分子篩吸附后,氮?dú)廨斔椭料掠喂芫。由于氣流頻繁沖擊,內(nèi)部分子篩磨損加劇,分子篩的料位逐漸下降,當(dāng)降至頂部氣缸的下限時(shí),氣缸對(duì)分子篩不再起壓緊、限制作用,從而加速了分子篩的粉化,導(dǎo)致粉末透過濾網(wǎng),隨富氧排空。
2.1.3 氣源壓力大小
凈化處理后的壓縮空氣進(jìn)入制氮機(jī)塔體底部,供氣氣源的壓力大小影響制氮機(jī)的工作狀況。由于PSA制氮設(shè)備的加壓、減壓頻率較高,帶壓氣體對(duì)碳分子篩的沖擊很容易造成碳分子篩磨損,所以首先要對(duì)氣源的壓力、流速進(jìn)行嚴(yán)格地控制。氣源壓力過大,在氣動(dòng)閥門打開的瞬間,氣源對(duì)分子篩的沖擊力大,加大了分子篩之間的靜摩擦力,在分子篩吸附飽滿后,進(jìn)氣啟動(dòng)閥關(guān)閉的瞬間,分子篩下落時(shí)靜摩擦力也相對(duì)較大。氣源壓力過小,分子篩吸附氧氣達(dá)到飽和的時(shí)間較長,換言之就是制氮機(jī)輸出合格氮?dú)獾墓ぷ鲿r(shí)間加長,分子篩之間的摩擦?xí)r間變長,加速了分子篩的粉化。
2.1.4 氣動(dòng)閥門不嚴(yán)
制氮機(jī)管路配置氣動(dòng)快開蝶閥閥組,均壓閥組、排氣閥組與放空閥組,任何閥組關(guān)不嚴(yán)漏氣都可能在暫時(shí)不工作的另一臺(tái)制氮機(jī)中產(chǎn)生氣流,氣流的涌動(dòng)也會(huì)加大分子篩之間的靜摩擦,加劇了分子篩的粉化。
2.1.5進(jìn)氣水分、油氣大導(dǎo)致失效
制氮機(jī)前端進(jìn)氣源配有多級(jí)過濾設(shè)施和干燥設(shè)施,本套設(shè)備中主要包括冷干機(jī)、高效除油器、Al2 03加熱干燥機(jī)、精密過濾器組成的氣源凈化系統(tǒng)。
氣源凈化系統(tǒng)中的過濾器濾芯和Al203瓷球需定期更換,濾芯損壞或更換不及時(shí)都會(huì)導(dǎo)致氣源中含水和油氣,而水和油卻是影響分子篩質(zhì)量和使用壽命的最重要的因素。當(dāng)氣源中的水分和油氣體積分?jǐn)?shù)大于0. 01×106時(shí),分子篩吸附效率降低,強(qiáng)度下降,加劇了分子篩的粉化。
2.1.6 頂部氣缸壓不緊
儀表風(fēng)壓力小、氣缸損壞及制氮機(jī)的料位低等都是頂部氣缸壓不緊的原因。而頂部氣缸壓不緊時(shí)氣缸對(duì)分子篩不再起限制作用,氣流進(jìn)入后給分子篩更大的活動(dòng)空間,加大了分子篩之間的撞擊力,加速了分子篩的粉化,嚴(yán)重時(shí)影響設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的牢固性,加劇了設(shè)備內(nèi)部構(gòu)件的損壞。
2.1.7 濾網(wǎng)和椰墊破裂
制氮機(jī)內(nèi)布?xì)獍逑虏渴?32 mm×2.5 mm的4根支撐柱,上部鋪設(shè)40目的濾網(wǎng)及50 mm厚的椰墊,濾網(wǎng)通過法蘭式壓板緊固在布?xì)獍迳。由于氣流和分子篩長時(shí)間的沖擊,濾網(wǎng)和椰墊中間部位破損,導(dǎo)致分子篩落人罐底,隨富氧外排管外泄。若破損的濾網(wǎng)和椰墊不及時(shí)更換,就會(huì)形成惡性循環(huán),影響產(chǎn)品氣的純度、流量,嚴(yán)重影響設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。
2.2設(shè)備內(nèi)部構(gòu)件開裂的原因分析
在制氮機(jī)運(yùn)行期間,總出現(xiàn)分子篩泄露的故障現(xiàn)象,為從根本上解決設(shè)備帶病運(yùn)行的問題,拆解設(shè)備,經(jīng)對(duì)塔體進(jìn)行全面檢查后發(fā)現(xiàn)制氮機(jī)內(nèi)部構(gòu)件焊縫部位開裂、塔底布?xì)獍鍞嗥屏熏F(xiàn)象。
2.2.1 布?xì)獍鍞嗔?
布?xì)獍迨鞘箽庠淳鶆蚍植嫉街频獧C(jī)內(nèi)的構(gòu)件,可提高分子篩的使用效率。布?xì)獍逑虏坑?根咖32 mm×2.5 mm的支撐柱,制氮機(jī)低料位排氣運(yùn)行時(shí),分子篩在自重(3.5 t)下長時(shí)間對(duì)布?xì)獍鍥_擊造成支撐柱對(duì)布?xì)獍寰植繘_擊,由于支撐柱與布?xì)獍宓挠行Ы佑|面積較小,經(jīng)過一段時(shí)間的沖擊后導(dǎo)致布?xì)獍鍞嗔选?
2.2.2布?xì)獍搴缚p開裂
塔底布?xì)獍迮c簡(jiǎn)體是焊接而成的,只有一條環(huán)形角焊縫,檢查中發(fā)現(xiàn)與布?xì)獍逑嘟?/3周長的焊縫已開裂。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況分析判斷:焊接前布?xì)獍暹吘壍钠驴诹舻妮^小,焊接時(shí)母材未完全焊透,存在焊接缺陷,經(jīng)分子篩上升、下落來回沖擊后焊縫開裂,
2.2.3 均壓管端部斷裂
均壓管均衡的是2臺(tái)制氮機(jī)在加壓吸附和減壓解吸過程中的氣壓,可有效降低氣源對(duì)分子篩及設(shè)備結(jié)構(gòu)的沖擊力。設(shè)備拆解后發(fā)現(xiàn),均壓管與簡(jiǎn)體承插端部開裂,分子篩沿?cái)嗔烟庍M(jìn)入管道。由于焊接工藝、缺陷在該部位產(chǎn)生應(yīng)力集中,制氮機(jī)運(yùn)行時(shí)分子篩對(duì)均壓管的沖擊造成該部位疲勞斷裂。
2.3產(chǎn)品氣純度不合格
PSA變壓吸附制氮機(jī)制取氮?dú)獾捏w積分?jǐn)?shù)可達(dá)到95%~99. 9%,褐煤提質(zhì)裝置的氮?dú)庵饕糜谙到y(tǒng)的惰化保護(hù),要求氮?dú)獾捏w積分?jǐn)?shù)必須≥96.5%,對(duì)于不符合體積分?jǐn)?shù)要求的氮?dú)庵苯优趴铡T谥频獧C(jī)運(yùn)行過程中,總出現(xiàn)氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)低于95 010的現(xiàn)象,達(dá)不到裝置氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)使用條件,既影響裝置運(yùn)行,還造成不必要的人力、物力、財(cái)力方面的損耗。
2.3.1 氣源壓力不穩(wěn)定
制氮機(jī)的進(jìn)氣氣源壓力、流量不穩(wěn)定導(dǎo)致產(chǎn)品氣體積分?jǐn)?shù)低,制氮機(jī)進(jìn)氣工作壓力是0.6~0.7 MPa。在滿足氮?dú)庠O(shè)計(jì)工作流量的情況下,氣源壓力過高或過低,分子篩均不能完全吸附空氣中的氧氣,未被吸附的氧氣隨氮?dú)馀胖料掠螌?dǎo)致氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)低。
2.3.2 分子篩失效
碳分子篩( CMS)是一種非極性速度分離型吸附材料,常以煤為主要原料經(jīng)過特殊加工而成。分子篩顆粒直徑一般為1mm,長度3—5 mm,顆粒內(nèi)部含有大量微孔,該微孔對(duì)氧分子有較強(qiáng)的親和力。凈化后的原料氣要滿足長期制氮的標(biāo)準(zhǔn)(油體
積分?jǐn)?shù)≤0. 01×10'6,硫化氫體積分?jǐn)?shù)≤0. 01×10-6,露點(diǎn)≤- 23℃),否則大量的油、水進(jìn)入碳分子篩,將會(huì)使分子篩內(nèi)部微孔堵塞而失去吸附能力,即分子篩失效。
冷凍干燥機(jī)能否正常運(yùn)行是脫水的關(guān)鍵,初步脫水后的空氣在高效除油器中還得脫除大量水分,水分進(jìn)入高效除油器的濾芯后影響除油效果,Al2 03加熱干燥機(jī)脫除水后進(jìn)入精密過濾器再次除油脫水,最后通過脫硫罐來脫除硫化氫氣體。經(jīng)過上述五級(jí)凈化過濾來確保原料氣滿足制氮用氣的條件。從上述可以看出,壓縮空氣中的水分、油分脫除不徹底是造成制氮機(jī)碳分子篩失效的主要原因。
2.3.3氧/氮分析儀失靈
氮?dú)夤蕹隹诠苈钒惭b有氮?dú)馊庸,將取得的樣氣送至智能氧/氮分析儀,經(jīng)微處理機(jī)對(duì)比標(biāo)信號(hào)處理后,利用氧濃度值算出氮濃度值后提供氮純度值顯示。制氮過程中,氮?dú)鈿鈮翰环(wěn),取樣管漏氣,分析儀故障損壞等都是造成氮?dú)饧兌日`差或不合格的原因。
3故障處理
在制氮系統(tǒng)運(yùn)行過程中,暴露出諸多故障現(xiàn)象,為保證主裝置正常連續(xù)生產(chǎn),制氮機(jī)曾在短期內(nèi)帶病運(yùn)行,可是隨著時(shí)間的延長,故障現(xiàn)象加。ㄈ绶肿雍Y輕微泄露至嚴(yán)重泄漏)。為徹底解決制氮機(jī)的運(yùn)行故障,通過對(duì)故障原因進(jìn)行仔細(xì)分析,經(jīng)多次處理,終于解決了各種故障,保證了制氮機(jī)和主裝置的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。
3.1 制氮機(jī)分子篩泄露處理
制氮機(jī)分子篩的泄漏不僅污染環(huán)境,更重要的是它的泄漏形成了惡性循環(huán),加劇了設(shè)備的損壞。在保證分子篩質(zhì)量的情況下,通過一系列措施使得分子篩不再泄露。
3.1.1 間斷啟停法填充分子篩
在分子篩填裝期間,由于沒有專業(yè)填充振動(dòng)設(shè)備,只能在填裝塔體體積的1/4、1/2、3/4及滿塔位置時(shí)用咖60 mm的木棒進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng),至碳分子篩上限不再下沉且上限距密封面100 mm左右時(shí)安裝上部壓緊氣缸,擰緊法蘭螺栓。然后正常啟動(dòng)制氮機(jī),壓緊裝置法蘭、人孔等處正常無漏氣時(shí)運(yùn)行30 min后拆解氣缸添補(bǔ)分子篩,此后依次按間隔1、2、4、8、24 h間斷運(yùn)行,直至分子篩料位不再下降為止。
3.1.2穩(wěn)定、凈化氣源
調(diào)整壓縮機(jī)出口壓力和其他部位壓縮空氣的使用量,確保制氮機(jī)進(jìn)氣的穩(wěn)定。同時(shí)加強(qiáng)檢查冷干機(jī)的制冷效果,將空氣儲(chǔ)罐、過濾器底部手動(dòng)排污閥更換為電磁定時(shí)排污閥,及時(shí)排除水和油污,以減輕后續(xù)凈化設(shè)施的負(fù)荷,促使氣源符合制氮用氣的標(biāo)準(zhǔn),以延長分子篩的使用壽命。
3.1.3 安裝電磁感應(yīng)報(bào)警器
壓緊氣缸通過氣壓推動(dòng)行程頂板來實(shí)現(xiàn)分子篩的壓緊,分子篩泄露直接導(dǎo)致分子篩料位下降,因此在距氣缸法蘭密封面150 mm的位置處安裝電磁感應(yīng)報(bào)警器來監(jiān)測(cè)分子篩料位的低限,當(dāng)氣缸的行程超過設(shè)定的行程時(shí),電磁感應(yīng)報(bào)警器將會(huì)在操作面板上發(fā)出報(bào)警信號(hào),這樣就可以及時(shí)填補(bǔ)分子篩,避免分子篩低位造成的故障現(xiàn)象。
3.1.4 更換濾網(wǎng)、椰墊
濾網(wǎng)和椰墊主要起布?xì)、過濾及緩沖作用,防止氣流沖擊分子篩導(dǎo)致的粉化。設(shè)備拆解后仔細(xì)檢查濾網(wǎng)、椰墊的完好情況和壓板對(duì)濾網(wǎng)的壓緊情況,及時(shí)更換破損的濾網(wǎng)和椰墊,以確保布?xì)獾木鶆蛐院途彌_效果。
3.2設(shè)備內(nèi)部構(gòu)件開裂部位處理
通過對(duì)設(shè)備內(nèi)部構(gòu)件的開裂部位進(jìn)行原因分析后,制定處理方案,從根本上解決設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷。
3.2.1 局部焊縫處理
將原有塔體與布?xì)獍宓慕呛缚p打磨平整,并打成單面V形坡口,對(duì)焊口預(yù)熱至150。C后進(jìn)行焊接,焊后對(duì)焊縫進(jìn)行初磨,防止局部高點(diǎn)導(dǎo)致濾網(wǎng)壓不緊。
對(duì)均壓管端部焊縫磨平處理后,將均壓管的位置重新調(diào)平,固定后從外側(cè)焊接,然后在均壓管內(nèi)側(cè)按1200焊裝3塊60 mm x40 mm的鋼板對(duì)其限位。
3.2.2更換布?xì)獍寮暗撞恐?
布?xì)獍鍞嗔押髮?duì)其進(jìn)行平整,補(bǔ)焊以后局部有高點(diǎn),影響濾網(wǎng)的使用,還不能保證設(shè)備的長期穩(wěn)定運(yùn)行。切除原有布?xì)獍寮颁摴苤,打磨焊口后水平均勻焊裝3根10#槽鋼代替原有鋼管支撐,增大布?xì)獍迮c支撐的有效接觸面積。重新焊裝布?xì)獍,按壓板螺栓孔的位置?duì)布?xì)獍邈@孔,鉚焊M12×40 mm,8.8級(jí)的螺桿,焊縫打磨平整后進(jìn)行超聲波探傷檢驗(yàn)焊縫質(zhì)量,焊縫質(zhì)量合格后安裝濾網(wǎng)及椰墊。
3.3產(chǎn)品氣體積分?jǐn)?shù)調(diào)節(jié)
氮?dú)獾募兌戎苯佑绊懷b置的安全生產(chǎn),氮?dú)饧兌鹊陀谘b置使用要求只能排空,除加劇設(shè)備損耗外還造成能源浪費(fèi),只有消除故障才能保證氮?dú)獾募兌取?
3.3.1 調(diào)整供氣與排氣流量
在保證氮?dú)庑枨罅髁康那疤嵯,通過適當(dāng)加大進(jìn)氣(壓縮空氣)壓力,減少排氣(氮?dú)猓┝髁康姆绞秸{(diào)節(jié)氮?dú)獾募兌取?
3.3.2更換碳分子篩
碳分子篩的正常使用壽命3—5年,可是往往由于各種原因?qū)е路肿雍Y粉化、失效,降低了吸附性能,影響氮?dú)獾募兌,更換分子篩后氮?dú)獾募兌让黠@提高。
3.3.3調(diào)校氧/氮分析儀
氧/氮分析儀是監(jiān)測(cè)和顯示氮?dú)饧兌茸钪苯拥牟课,它的完好性與測(cè)量數(shù)值的準(zhǔn)確性直接影響氮?dú)獾氖褂们闆r。因此在不影響生產(chǎn)使用的情況下及時(shí)調(diào)校氧/氮分析儀,確保測(cè)量氮?dú)饧兌葦?shù)值的合格。
4結(jié)語
分子篩質(zhì)量的好壞、塔體填裝分子篩的密實(shí)度、氣源壓力的穩(wěn)定性及凈化設(shè)施的效率等都直接影響分子篩的使用壽命和吸附效果,不滿足任何條件都會(huì)加劇分子篩的粉化,最終導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部構(gòu)件損壞,設(shè)備無法正常運(yùn)行。
在保證分子篩質(zhì)量的情況下,通過間斷啟停填裝法、在壓緊氣缸上安裝電磁感應(yīng)報(bào)警器、加強(qiáng)氣源處理效率有效解決了分子篩的泄漏問題;通過對(duì)焊縫處理,更換布?xì)獍逯斡行Ы鉀Q了內(nèi)部構(gòu)件損壞的故障;通過調(diào)整進(jìn)氣、排氣的流量,調(diào)校氧/氮分析儀保證了氮?dú)獬隹诘捏w積分?jǐn)?shù)。
對(duì)PSA制氮機(jī)在褐煤提質(zhì)裝置生產(chǎn)中的故障進(jìn)行原因分析和處理后,大大降低了生產(chǎn)運(yùn)行成本和檢修成本,提高了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性,有效保證了褐煤提質(zhì)裝置生產(chǎn)的連續(xù)性和安全性。
5摘要:褐煤提質(zhì)裝置中氮?dú)鈱?duì)系統(tǒng)的安全生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用,但是投料試車期間PSA制氮機(jī)運(yùn)行故障頻發(fā),影響著裝置的安全、穩(wěn)定運(yùn)行,為此對(duì)PSA制氮機(jī)運(yùn)行故障原因做了詳細(xì)地分析,并對(duì)故障處理情況進(jìn)行了介紹。
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