大中型空分设备分子筛纯化系统技术研究进展(2)

　　下面是 2-3 万空分设备两种结构的实际运行参数的比较。

　　注：以上数据采集正在运行产品。

　　从上表可见，在大中型空分设备上应用新型卧式吸附器比立式径向流吸附器更节能，且维修方便。并能延长分子筛的寿命。摊薄投资成本。

2.2 吸附周期设计

　　由于分子筛价格高，更换投资费用大。因此使用年限越长，平均使用费用就可降低。分子筛的使用寿命一般可达7~8 年。受到酸污染的、或受到过量水的侵蚀，都会缩短分子筛的寿命。同时，工作周期对分子筛的寿命也产生影响。每个周期内高温、高湿、压力气体反复变换，对分子筛内晶格的结构产生不可逆的渐变。因此长周期的运行，无论对设备、阀门、吸附剂都带来好处。并且，可减少污氮气的用量。

　　目前，立式轴向气流吸附器吸附时间设计一般为 4 小时、6 小时。卧式双层床吸附器受直径的限制，吸附时间大都设计为 4 小时。如使用高性能吸附剂，卧式吸附器也能设计成吸附时间为6 小时。不过，周期过长，会增加首次投资成本，吸附阻力也会增加。另外受运输条件的限制，直径不能设计过大，也制约了周期的加长。立式径向流吸附器，受到直径的限制，一般吸附时间设计为 3~3.5 小时。

2.3 阀门和管路的设计

　　分子筛纯化系统阀门多，切换频繁，在吸附和再生的过程中，变温、变压不断循环， 因此对阀门的可靠性、密封性要求很高。一般采用分子筛专用气动蝶阀、三杆阀等。

　　管路的设计上，一般将加温管线与吹冷管线分两路走，并行段管线短较好，这样，可避免加温管线一侧的设备和管道经受温度交变引起的破坏，同时，加热管线短，保温良好，可使加温快速启动。这对于短周期的分子筛纯化系统特别重要。

2.4 再生热源

　　再生热源有电加热和蒸汽加热器加热污氮气两种。在 20 世纪90 年代初时，由于较大型的吸附器的设计吸附时间在2 小时，加温时间只有~30 分钟，而电加热器从启动到加温至规定温度需要~15 分钟，所以短时间内很难加温好。因此，一般与电加热器并联上一台瓷球蓄热器在非加温阶段蓄热，加温阶段使用。而现在随着吸附技术的发展，长周期的应用，大大延长了加温时间。故现在可直接单用电加热器加温，也更节能。

　　电加热器内主要组件是电加热管。形式有：直管式、U 形管、U 形管带翅片式，PTC 管等。

　　直管式电热元件检修方便。在大功率的电加热器上应用较普遍。由于电加热器的接线端子由于接线的需要，总暴露在大气中。为防止潮气的进入，如有备用电加热器，必须时常切换使用，以免电加热管绝缘电阻下降而无法使用。国外生产的电热元件直径小，布管结构紧凑，单台设计功率大，电加热器直径就较小。而电热元件的使用寿命长，最长能用到10 年。

　　蒸汽加热器形式多样。由于作为再生使用，对蒸汽加热器的密封性能要求很高。而阻力不能过大。目前在大中型空分上应用的有：对能源回收较好的是节能型蒸汽加热器。它能够充分利用蒸汽的热量，冷凝水出水温度至80℃回收。内部换热管为整体轧制的低翅片管，管的热阻小。高低温侧的管板分开设置，可减小管板的温差应力。并且污氮气通过的阻力也较小。但它的缺点是维修不方便，而使用的蒸汽压力只能在2.0Mpa 以下。

　　另一种使用较多的是集气管式蒸汽加热器 。它由各集气管分布到小换热管上，换热管以涨管形式套翅片。蒸汽走管程，污氮气走壳程。由于没有管板结构，可靠性较好，而维修也相对方便。蒸汽压力的使用范围较大。它的缺点是污氮气的阻力略大，冷凝水回收温度较高。

　　蒸汽加热器的选择要根据蒸汽条件、空分的大小，备用的设备、污氮气的压力条件等作出决定。

3. 存在的问题及展望

3.1 存在的问题

3.1.1 吸附问题

　　由于目前大中型空分大都是钢铁、化工、煤化工等企业的配套设备，厂区污染较严重。因此大气成分趋向复杂化。而普通分子筛对某些有害气体不具备吸附性，或吸附能力较差。所以为了提高空气的纯化效果，开发出对特殊成分有效的吸附剂，和具有高吸附容量、性价比高的分子筛，也是分子筛纯化系统的迫切需要。

3.1.2 吸附器的设计

　　在吸附器的设计时，尽量使气流均布，以便更好的发挥吸附剂的作用，达到节能的目的。在大中型吸附器的设计中，如何掌握好适当的吸附剂用量，合理设计各参数，尽力减小设备尺寸，节省再生能源，提高空气的纯净度，使系统稳定运行也是值得深入研究的问题。

3.1.3 系统常见故障的预防和处理

　　1. 碳氢化合物超标的预防时常加强对气源的监测，防止周围大气污染源过度放散所造成的吸附能力下降，碳氢化合物超标。短期处理可通过缩短吸附时间或及时排放液氧等措施。并要求及时整改相关大气污染源。

　　2. 吸附剂床进水由于分子筛纯化系统空气进气管与空冷塔相连，而空冷塔内进行的是空气与水的交换。操作不当，容易带水。特别是开车、停车过程中要严密防止空冷塔内压力的突然变化。

　　空冷塔的水 PH 值要保持在7~8 之间，因此对空冷塔进行的水处理过程也要严密观察。曾报道说由于在水处理过程中需要加杀菌灭藻剂和阻垢缓释剂，而杀菌灭藻剂中含有表面活性剂，与冷却水产生强烈水解反应而产生大量泡沫。而水处理后投入使用前，没有加消泡剂，由此造成带水事故。

　　另外还可能由水冷塔带水经再生管路而引起的带水事故，也要严密防止。因此在设计管道时注意空冷塔、水冷塔和分子筛纯化系统连接处的布置。

　　3. 电加热器故障由于国内的电热元件一般由电热丝，氧化镁粉、不锈钢管组成。所以需要经常检查电控系统的电压、电流是否正常，如有电热元件烧坏，需及时更换，以免不锈钢管烧穿，而使氧化镁粉脱落。

　　4. 蒸汽加热器故障蒸汽加热器由于蒸汽与污氮气间两侧（即管程和壳程）存在较大压差，因此，启用蒸汽时必须缓慢打开阀门。使蒸汽逐渐升压。

　　节能型蒸汽加热器对蒸汽的利用率较高。在处理气量大时，管子多，增加了蒸汽泄漏的几率。它的检修较复杂。武钢60000 空分设备在2005 年初引进林德公司设备，运行2 年左右发生泄露。他们所采用的不停车进行检修的方法比较切实可行。这种方法就需要在再生系统上设计有备用加热器。而辽阳石化分公司发生的一起蒸汽加热器泄漏事故，则是由于冷阀泄露冷气随着再生管路进入蒸汽加热器，而内部的高温换热管不能承受低温冲击，而产生的蒸汽泄漏事故。所以如果预料停车时间较长，分子筛纯化系统各切换阀门应及时关闭。

3.2、发展展望

　　分子筛纯化系统作为空分设备的安全保障设备， 随着大中型空分设备的不断发展，它的设计、制造技术也在不断发展、完善。为了保证质量，目前 6 万-7 万等级的吸附器整台组装出厂。而大型、特大型空分设备需求的出现，就需要设计、制造上解决分段现场组装等难题。还必须考虑吸附器的设计上气流均匀、床层不漏、吸附剂用量适当以及各种节能问题。在仪控等监测手段上要求更精确，在线调优，更大程度保证安全、节能。