安钢钢铁公司制氧厂两套23500制氧机分别于2006年12月23日、2007年3月24日投入生产运行，制氧机采用全低压分子筛净化吸附、空气增压透平膨胀机制冷、全精馏无氢制氩、产品氧气、氮气外压缩、氩气内压缩的工艺流程。

　　2#23500和3#23500制氧机投产以来经常出现两个原因不明的恶劣工况：

　　一、当时工况

　　1、氩塔工况不稳，存在莫名其妙的波动

　　粗氩塔是进行氧、氩低温分离的设备，工作温度在-180℃左右。运行过程中，经常间断性的出现粗氩塔馏分量和纯度波动，导致粗氩塔阻力波动，粗氩纯度受到影响，经常出现氮塞，为调整此工况恢复正常需要大幅压低氧产量，甚至由23500Nm3/h压低至8000Nm3/h或6000Nm3/h，产量降低达70%以上，即使如此，氧纯度也可能低于99.2%，这对氧气正常供应造成了极大的破坏。

　　2、分子筛吸附末期CO2超标。主冷乙炔、碳氢化合物时常超标报警

　　分子筛吸附器是用于吸附空气中的水分、CO2、乙炔、碳氢化合物等杂质，吸附后的CO2残留量是衡量分子筛吸附效果的一个重要指标。在吸附后期，经常出现CO2超标情况，这说明分子筛的吸附效果不好，可能出现这样的严重后果：

　　本来设计运行两年的制氧机可能运行几个月就因为水、CO2等杂质低温下堵塞造成流道阻力大或精馏效果不好而被迫提前系统停车大加温，开车、停车、加温各过程至少需要120小时;

　　还有一种更恶劣的可能是因为乙炔、碳氢化合物等危险杂质未被彻底吸附进入到主冷、液空蒸发器等场所与液氧反应发生剧烈爆炸，这种事故损失、修复费用和恢复时间都无法估量。

　　二、分析氩塔工况不稳的原因

　　氩塔工况不稳、馏分量波动的原因可能有很多，我们逐一进行了分析：

　　1、氧产量提取过多;经过多次观察，波动前后氧产量没有偏大。

　　2、液氮节流阀调节不当

　　液氮节流阀的开度可以改变下塔回流液体量，使下塔回流比发生变化。当阀门开度发生漂移或振荡时，回流下塔的液氮量发生变化，液空纯度随之波动。但这种漂移或振荡不应该具有规律的周期性，况且我们的液氮节流阀是手动控制的，给出一个开度后反馈值能够稳定在给定值。这就排除了液氮节流阀出问题的可能。

　　3、液悬

　　当下塔发生液悬时液空纯度很不稳定，波动很大，液空液面波动也很大，这一点和我们的现象很吻合。但是，下塔发生液悬时液氮纯度、氮气纯度无法达到标准值，下塔阻力也发生大幅波动。我们的这些参数却比较稳定，而且其它参数也都很正常，所以排除液悬的可能。

　　4、氩塔、主塔设计或制造有问题：我们分析认为如果是设备问题，工况不会是波动，而应该是一直恶化，所以排除了这一原因。

　　5、主塔工况不稳，氧纯度下降：

　　我们通过工况参数趋势曲线分析，氩塔工况波动前，确实存在氧纯度下降情况，存在明显的因果关系。这有可能是氩塔工况波动的原因。

　　而对于上塔氧纯度下降的原因，我们通过分析表对下塔液空纯度连续监测，发现先有下塔液空纯度波动，后有上塔氧纯度波动，有明显因果关系。

　　我们认为下塔液空纯度波动就极有可能是氩塔工况不稳的主要原因。

　　三、制定氩塔工况不稳的对策

　　㈠尽量在分子筛切换时稳定并增加进入下塔的空气量

　　我们当时分析认为液空纯度不稳定是由于空气量波动造成的。我们发现分子筛升压阶段空气量波动明显，此时进入分子筛的部分空气要分流一部分对另一台准备投运的吸附器进行升压，进入下塔参加精馏的空气就要相应减少。

　　在吸附器升压阶段，采取手动控制空压机导叶的方法增加空气量：

　　①吸附器均压开始后，将空压机导叶由自动转为手动缓慢开大3.5%(当时空气温度30～22℃)。

　　②均压剩200秒时，去另一台分子筛的气量减少，将空压机导叶再手动关小1.5%，节约用电。

　　③将分子筛并行时间由5分钟缩短到1分钟。

　　④吸附器并行结束后参考当时空压机的排气压力，将导叶关回到原来开度，打为自动。

　　经过这样控制后，切换时空气波动量小于1500Nm3/h，液空纯度波动幅度有所减小(2%)，2#液空纯度波动幅度小于1.2%，波动频率也明显减小。3#液空纯度波动幅度小于0.8%。

　　㈡尽量控制下塔液空含氧在高位运行

　　下塔液空是下塔精馏产物，也是上塔中部回流液的来源。液空含氧纯度需要控制在一个合理范围。液空纯度高，有利于提高上塔氧纯度，但会降低下塔液氮纯度;液空纯度低，会提高下塔液氮纯度，但会降低上塔氧纯度。正常情况下，液空纯度一般控制在34-39%O2。我们将2#的V3阀开大到61.2-62%，3#的V3阀开大到62.3-63.7%。使液空纯度都能够达到39%，提高其抗波动能力。

　　在当时，我们控制液空在39%O2高位运行，同时密切关注氮纯度在允许范围内。

　　四、对氩塔工况不稳的处理效果

　　过渡阶段的应急处理效果：基本能满足生产，但仍时有波动，不理想，不彻底。

　　而且因为要稳定液空含氧量，要提高空气量，但空气量提高又增加了吸附器的负荷，吸附效果不好，造成吸附器吸附末期因CO2含量高而频繁报警，主冷乙炔和碳氢化合物也因为含量超标而频繁报警，制氧机实际上是在一种存在安全隐患的状态下运行，因此实际上不可能更多提高空气量，这就需要解决吸附器吸附效果不好的问题。

　　五、分析分子筛吸附器吸附效果不好的原因分析

　　在许多制氧行业专家的参与下，我们分析吸附器的吸附效果不好的原因可能是：

　　1、空气量大或者是进塔空气温度高。对此我们检查了空气流量计和空透、预冷系统的各项参数，经过比对，我们认为空透流量指示是准确的，实际空气量没有超过设计标准。

　　2、可能是CO2分析表出现问题。这个问题在我们解决问题的过程中一直被争论，一直被反复验证。因为我们有几套制氧机，所以我们用几只表测同一取样点，用同一只表测不同的取样点，都验证了分析表也是准确的。这说明在分子筛吸附末期CO2确实升高了。

　　3、可能是2#纯化器再生有问题。再生效果不好会影响吸附器的吸附效果，针对这一可能出现的情况，我们提高了分子筛再生气电加热器的工作温度，增加了再生污氮气量，但是并没有明显解决问题。

　　4、可能是吸附器内的吸附剂填加数量不够。利用检修机会，我们又最大限度地增加了吸附剂装填量，但收效不大，没有彻底解决问题。

　　5、可能是吸附剂出现中毒、失效问题。这需要对吸附器检修进行验证。

　　6、可能是分子筛和氧化铝装填效果有问题。这需要对吸附器检修进行验证。

　　7、可能是纯化器设计和制造存在问题。这需要对吸附器检修进行验证。

　　六、对吸附器检修后的效果检查

　　在制氧厂、中空、杭氧、分子筛生产厂家相关专家的参与下，对分子筛进行了几天彻底检修，经过相关专业技术人员的多次分析讨论，排除了：分子筛和氧化铝装填效果有问题、纯化器设计和制造存在问题的可能性。

　　检修没有解决分子筛吸附末期CO2超标问题。大家一致认为应该把重新扒装吸附剂做为最后一个检查和解决办法。这需要申报200多万人民币购买吸附剂，还需要较长的购买周期。更为严重的是，这在当时也只是死马当做活马医的无奈之举，因为当时谁也没把握这样做就一定能解决问题。

　　七、重新分析液空纯度低的原因

　　在做了许多尝试都没有结果的情况下，我们决定分析一下分子筛吸附器出口空气中含氧量是否有变化。

　　㈠认为分子筛吸附器出口空气中含氧量不会变化的原因

　　正常情况下空气成分怎么会、怎么可能发生变化，这不符合常理，也正因为它的不可能，几年来制氧厂内外专家和行业专家从来没有对此产生过怀疑，即使有，在没有说出来之前，也会被自己轻易否定掉。即使把空气做为原料气的制氧行业也未见此类报道。

　　在当时各种原因都分析排除后，我们认为还是存在这种可能性的，最简单、最可行的方法是用分析表对分子筛出口空气含氧量进行分析。

　　㈡用增加原料空气氧纯度在线监测的方法验证进分子筛吸附器空气成分是否变化

　　用3#23500的纯度分析表测量2#23500分子筛后空气中的含氧量。经过一天的观察，我们非常兴奋地发现每当2#23500两台分子筛在投入使用的初期，分子筛后空气的含氧量就都会发生波动和下降，最大下降的幅度可达2%;而使用后期，含氧量的曲线会非常稳定。

　　这就说明：液空纯度的波动是因为进下塔的原料空气成分发生了明显变化。

　　㈢空气中含氧量波动的理论分析

　　分析参数趋势曲线后，我们认为分子筛后空气中含氧量波动并下降的原因是空气过滤器与分子筛再生污氮气放空口距离近，在一台分子筛使用初期的同时是另一台分子筛加热阶段，这时从放空口放出的分子筛再生污氮气的温度低于大气温度，使放空气体密度低于大气密度，又由于放空口流路设计，这股放空污氮气自上而下喷出放空口，出放空位置有一个向下的流动，导致放空口周边地面污氮含量相对较高，含氧相对正常值明显下降，这部分气体因相对于别处不断增加，更容易向别处流动，而离此比较近的空气吸入口因为空压机的抽吸作用，相对别处是一个压力较低的部位，外部气体更容易流向此处，因此放空的污氮气就比较多地流向了空压机吸入口，干扰了空压机进口空气的含氧量。

　　而污氮放空量并不是一直稳定的，又由于当时的风向、天气等原因会明显影响污氮气流向空压机吸入口的量，使空压机并不能吸入稳定比例的污氮气量，进口空气含氧量的变化趋势就不稳定，与污氮放空量的变化也就没有特别明显的关联性。

　　由于放空污氮气不仅含氧低于空气，而且从分子筛解吸出来的相对于空气正常含量高得多的CO2和乙炔、碳氢化合物，这部分杂质又重新随污氮气回到空压机吸入口被分子筛吸附，使分子筛的吸附负荷大大增加，时常超过了分子筛的极限吸附能力，导致出吸附器的CO2时常因含量超标报警，导致主冷总烃中的乙炔和碳氢化合物时常因含量超标报警。

　　㈣空气含氧量波动原因的实地验证

　　1、遮挡空气吸入口和污氮放空口验证空气含氧量与污氮放空口的相关性

　　分子筛再生污氮气放空口与空气过滤器直线距离约为18m。为了检验该判断，我们用彩条布将两者简单的分割开来，如果液空纯度的波动有明显减小趋势，则可以进一步考虑加高或改远分子筛再生污氮气放空口，以减少分子筛放空污氮气对空气过滤器吸入空气纯度的影响。

　　试验表明：彩条布分割后，分子筛出口含氧量波动没有变化。

　　这说明：两者关联性不明显。

　　2、改变污氮气放空位置验证空气含氧量与污氮放空口的相关性

　　我们怀疑彩条布分割空气吸入口和污氮放空口存在不彻底性，又设计通过调整流程阀门，在流程正常运行不受太大影响的情况下，改变污氮气放空位置。

　　在一台分子筛冷吹结束和另一台分子筛开始再生这段时间，将分子筛的再生污氮气阀V1226全关，适当开大V107阀的开度，使得污氮气完全不由分子筛再生气放空口放，全部改由水冷塔放掉。

　　试验表明：2#23500分子筛后空气的含氧量和下塔液空纯度都非常稳定;而且分子筛后空气的含氧量由原来的20.7%O2稳定在了20.9%O2，提高了0.2%;下塔液空纯度由原来的40.8%O2稳定在了41.3%O2，提高了0.5%。

　　这说明：彩条布分割确实不彻底，空气含氧量与污氮放空还是有明显的相关性。

　　3、空气含氧量波动与污氮气放空存在关联的理论可能性分析

　　⑴25%的放空污氮气被吸进空气吸入口就会使出分子筛空气含氧量下降1%

　　大气中氧含量为20.9% O2，污氮含氧为1% O2左右，2#23500制氧机加工空气量为128000Nm3/h，以出分子筛空气中含氧量平均下降1%计算，吸入的污氮量V= [128000 ×(20.9 - 19.9)%]/ 19.9% =6432m3/h

　　即空气过滤器吸入污氮气的量平均只要有6000m3/h左右即可使空气含氧下降1%，而这一气量只占分子筛再生污氮气的25%，因此污氮气放空造成空气出分子筛含氧量下降在理论上是成立的。

　　⑵出分子筛空气含氧量与液空含氧量的波动关联性

　　假定精馏塔的回流比，精馏工况基本不变，当原料气体含氧纯度由20.9%下降到19.9%时，液空纯度由原来的39%O2理论变化计算值如下：

　　液空含氧=原料空气含氧/[1—(原液空纯度-原空气含氧)/原液空含氧]

　　原料空气含氧下降1%时，液空纯度由39%O2下降至37.1%O2，原料空气含氧下降2%时，液空纯度由39%O2下降至35.2%O2。

　　这说明：液空含氧量相比空气吸入口含氧量，对吸入污氮量的变化反应有放大。也说明了液空波动与污氮放空存在关联性是可能的。

　　八、处理污氮气放空口对空透吸入口干扰的措施

　　我们决定用最简单的办法解决：采取将分子筛再生污氮气放空口上部的遮雨罩摘掉的方法，将原来导向地面流动的污氮改为直接向上流动，增加污氮气流向空气吸入口的难度，避免或尽量减少分子筛再生后的污氮气流向空气吸入口。

　　在两分子筛并行期间，将V1226阀手动全关切断污氮气源。为保证上塔压力的稳定，将PIC104也打手动开至75%，HC106开至30%降了近3000的氧产量，到2#分子筛卸压期间打暂停，PIS1202接近结束压力时，手动开V1214将其压力全部卸完，手动全关V1206和V1214，便于机修人员的现场工作。

　　大约20分钟左右，在没有影响制氧机运行的情况下将放空消音器顶盖拆掉，分子筛解除暂停，逐步恢复工况。

　　九、处理后效果检查

　　经过实施本QC项目，彻底解决了“氩塔工况不稳，存在莫名其妙的波动;分子筛吸附末期CO2超标。主冷乙炔、碳氢化合物时常超标报警”问题。本次QC实践取得特别圆满地成功。

　　十、本次实践创造的经济效益：

　　①两套23500Nm3/h制氧机每天可分别增产液氩2m3，按平均市场价格计算，年增创效益2 m3×1.4吨/ m3×1700元/吨×300天/年=142.8万元。

　　②如果加工空气量为120000Nm3/h，分子筛后空气中氧含量平均降低1%，每天降低的总时间是10小时， 那么每天可增加的氧气量为12000Nm3/h。每天创效8000多元，全年可增创效益290多万元。

　　③经过改造，减少了原料空气中的CO2和碳氢化合物的含量，也减小了分子筛的吸附负荷，CO2含量和主冷总氢含量也不再超标，延长了整套制氧机的运行周期和连续供氧的稳定性，潜在经济效益巨大。

　　④节约了本来准备更换的分子筛吸附剂，节约费用约200万元。

　　十一、本项目对制氧厂的重要意义：

　　⑴稳定了占制氧厂40%生产能力的设备运行，特别有力地保证了制氧厂的稳定供氧。

　　⑵我们解决的实际是一个没有先例可循的制氧机工厂设计方面的问题，在国内地价高涨的今天，会避免许多项目重蹈类似覆辙。

　　⑶本案例表明，原料空气的成分也是可能变化的，制氧机厂区设计不仅要考虑杂质气体和危险气体对空压机吸入口的影响，还要充分考虑污氮气、氮气、氧气、氩气各种形式气体放空口对空压机吸入口的影响。

　　⑷我们建议GB16912-2008 《深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程》下次修订时要对此问题进行规定。