程建軍

(安陽(yáng)化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，河南 安陽(yáng) 455133)

安陽(yáng)園區(qū)8000空分裝置為安化公司、九天公司、永金公司、九久公司各生產(chǎn)系統(tǒng)提供氮?dú)夂脱鯕?，該系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是各生產(chǎn)系統(tǒng)正常生產(chǎn)的重要保證，但是由于該裝置空氣預(yù)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理及循環(huán)水系統(tǒng)管理不到位，8000空分裝置多次因冷凍機(jī)組換熱器、冷水管線和空氣冷卻塔分布器堵塞造成該裝置停車(chē)檢修，嚴(yán)重影響了安陽(yáng)園區(qū)四個(gè)公司生產(chǎn)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 工藝流程

空氣首先經(jīng)過(guò)自潔式空氣過(guò)濾器除去其中的灰塵和其它顆粒雜質(zhì)，然后進(jìn)入DA880-41型離心壓縮機(jī)，經(jīng)過(guò)4級(jí)壓縮、3次級(jí)間冷卻，最終進(jìn)入空氣冷卻塔?？諝庠谶M(jìn)入分子篩吸附器前在空氣冷卻塔中被冷卻(8～10 ℃)，并在水分離器中分離出游離水，盡可能降低空氣溫度，降低空氣中水含量，出分離器的空氣進(jìn)入分子篩吸附器，空氣中的二氧化碳、碳?xì)浠衔锛皻埩舻乃魵獗晃健７肿雍Y吸附器有兩臺(tái)，切換使用，一臺(tái)工作，另一臺(tái)再生。分子篩的切換周期為240 min，定時(shí)自動(dòng)切換。空氣經(jīng)凈化后，分為四部分：第一部分直接進(jìn)入低壓主換熱器冷卻至-173 ℃后進(jìn)入下塔；第二部分通過(guò)膨脹機(jī)增壓端壓縮、冷卻器冷卻再進(jìn)入主換熱器被冷卻至-110 ℃，經(jīng)膨脹機(jī)膨脹降溫至-165 ℃進(jìn)入上塔；第三部分作為自供儀表氣；第四部分作為低溫運(yùn)行的膨脹機(jī)停運(yùn)后復(fù)熱的升溫氣使用。在下塔空氣被初步分離成氮?dú)夂透谎跻嚎?，在塔頂獲得99.995%的氮?dú)?，進(jìn)入主冷與液氧換熱冷凝成液氮，部分液氮回下塔作為下塔的回流液。另一部分液氮，經(jīng)過(guò)冷器過(guò)冷后節(jié)流進(jìn)入上塔頂部，作為上塔回流液。下塔釜液氧含量36%～40%的液體空氣，經(jīng)過(guò)冷器降溫，節(jié)流膨脹進(jìn)入上塔中部參加精餾。以不同狀態(tài)的三股流體進(jìn)入上塔經(jīng)再分離后，在上塔頂部得到純度99.999%左右的氮?dú)?，?jīng)過(guò)冷器、主換熱器復(fù)熱后出分餾塔，合格的氮?dú)獬龇逐s塔后，部分經(jīng)氮?dú)鈮嚎s機(jī)升壓至0.5 MPa送用戶(hù)管網(wǎng)使用，剩余部分去預(yù)冷系統(tǒng)的水冷卻塔復(fù)熱，復(fù)熱后放空。上塔底部的液氧在主冷中被下塔的氮?dú)饧訜岫舭l(fā)，其中8 000 m3/h、純度為99.6%的氧氣，經(jīng)主換熱器復(fù)熱后出分餾塔，合格的氧氣經(jīng)過(guò)壓縮升壓至0.5 MPa后送至用戶(hù)使用；為保證主冷安全，另外從主冷引出100 m3/h液氧排放至液氧儲(chǔ)罐，以稀釋主冷碳?xì)浠衔餄舛取Ｔ谏纤喜窟€有部分氧含量8%左右的污氮抽出，也經(jīng)主換熱器復(fù)熱引出分餾塔，出分餾塔的污氮?dú)獠糠炙屯鵋XK-41500/5.3型純化系統(tǒng)再生分子篩，剩余部分去水冷塔復(fù)熱，復(fù)熱后放空。

2 空分預(yù)冷系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題

改造前深冷制氧空分預(yù)冷系統(tǒng)的流程為：循環(huán)水池→循環(huán)水泵→水冷塔→冷凍泵→冷凍機(jī)組→空氣冷卻塔→循環(huán)水池。由于冷凍水為普通循環(huán)水，冷凍水系統(tǒng)含有一定量的鈣、鎂離子，鈣、鎂離子的溶解度隨水溫的降低而降低，其中CaCl2(0 ℃溶解度59.5 g，40 ℃溶解度128 g)和MgSO4(0 ℃溶解度22 g，40 ℃溶解度為44.5 g)，因此從循環(huán)水池來(lái)的30 ℃多的循環(huán)水經(jīng)過(guò)水冷塔和冷凍機(jī)組降溫至10 ℃以下時(shí)，達(dá)到飽和狀態(tài)的CaCl2和MgSO4就會(huì)在冷凍機(jī)組換熱器、出口管線和空氣冷卻塔分布器等低溫處出現(xiàn)結(jié)晶，這些結(jié)晶體附著在管線和設(shè)備上，堵塞了冷凍水通道，而且結(jié)晶速度很快，發(fā)現(xiàn)和處理不及時(shí)就會(huì)造成8000空分系統(tǒng)停車(chē)，無(wú)法保證連續(xù)外供氧氣、氮?dú)?。如果安?yáng)園區(qū)8000空分停止氧氮?dú)夤┙o，乙二醇、甲胺/DMF、合成氨、尿素、保險(xiǎn)粉以及其他化工裝置也被迫停車(chē)，每次安陽(yáng)園區(qū)的停車(chē)直接損失都超過(guò)800萬(wàn)元，間接損失更大。為了解決上述問(wèn)題，我們對(duì)8000空分裝置進(jìn)行分析并做了系統(tǒng)改造。

3 原因分析

空分設(shè)備的進(jìn)氣溫度取決于季節(jié)、氣候、安裝地點(diǎn)和進(jìn)入空分設(shè)備之前對(duì)空氣的預(yù)冷程度?？諝忸A(yù)冷系統(tǒng)由空氣冷卻塔、水冷卻塔、水泵三部分組成。由冷箱內(nèi)的返流污氮?dú)?或氮?dú)?，除滿足分子篩純化再生所需要的一部分外，其余均從水冷卻塔下部進(jìn)入，由下向上穿過(guò)水冷卻塔的塔板和填料層，與向下噴淋的水進(jìn)行傳熱和傳質(zhì)交換。由于污氮(或氮?dú)?是干氣，所以有一部分水蒸發(fā)形成水蒸氣進(jìn)入污氮(或氮?dú)?中，水蒸發(fā)時(shí)吸收大量潛熱，同時(shí)高溫水與低溫污氮(氮?dú)?之間也進(jìn)行熱交換，使循環(huán)水得到冷卻。被冷卻的水由水泵壓送到空氣冷卻塔的頂部。水泵所需要的壓頭作用：①克服空氣冷卻塔與水冷塔之間的壓差；②克服水冷卻塔底部到空氣冷卻塔頂部所需要的位差；③克服水冷卻塔底部到空氣冷卻塔頂部冷凍水管線阻力。

在空氣冷卻塔中，由空壓機(jī)來(lái)的壓縮空氣，進(jìn)入空氣冷卻塔底部，由下向上穿過(guò)塔板和填料層。在這里從塔底部向上的高溫壓縮空氣與塔頂部噴淋而下的低溫冷卻水進(jìn)行熱質(zhì)交換，空氣溫度降低，空氣中的水分含量減少。水蒸氣凝結(jié)成水后加入冷卻水中。所以在空氣冷卻塔中，空氣從下到上，溫度降低，含水量減少；冷凍水從上到下，溫度升高，水量增加。在水冷塔中，污氮(氮?dú)?從下到上，溫度升高，含水量增大；水從上到下溫度降低，水量減少。溫度過(guò)低，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)結(jié)晶、堵塞管線現(xiàn)象。

4 解決思路

將空氣冷卻塔分成低溫部分和高溫部分，空氣冷卻塔上段采用鈣鎂離子含量很低的低溫冷凍水給空氣降溫，解決低溫情況下鈣鎂離子在冷凍機(jī)組換熱器、出口管線和空氣冷卻塔分布器等低溫處出現(xiàn)結(jié)晶問(wèn)題，其工藝流程為：水冷塔→冷凍泵→冷凍機(jī)組→空氣冷卻塔上段→收集器→水冷塔。下段采用普通循環(huán)水給空氣降溫，其工藝流程為：循環(huán)水池→循環(huán)水泵→空氣冷卻塔下段→循環(huán)水池。低溫冷凍水系統(tǒng)在水冷塔與低溫的干燥污氮?dú)膺M(jìn)行傳質(zhì)和傳熱交換，在低溫污氮?dú)獾娘@熱和水蒸發(fā)進(jìn)入污氮?dú)鉂摕岬墓餐饔孟率估鋬鏊M(jìn)行初步降溫，根據(jù)季節(jié)和氣溫情況，降溫幅度一般在10 ℃左右，夏季降溫幅度較大，冬季降溫幅度較小，冷凍水經(jīng)過(guò)冷凍泵升壓后進(jìn)入冷凍機(jī)組再次降溫，冷水溫度要達(dá)到工藝指標(biāo)要求，要求出冷水機(jī)組的冷水溫度在8 ℃左右，夏天溫度稍高，冬季溫度稍低，經(jīng)過(guò)兩次降溫的冷凍水進(jìn)入空氣冷卻塔上段，與塔底部上來(lái)的熱空氣進(jìn)行傳質(zhì)和傳熱交換，冷凍水進(jìn)入空氣冷卻塔中部的液體回收裝置，經(jīng)過(guò)塔外液封槽，再進(jìn)入水冷塔循環(huán)使用。低溫水的主要來(lái)源是空氣冷卻塔下部高溫空氣夾帶的循環(huán)水蒸氣冷凝產(chǎn)生的，冷凍水只需要在系統(tǒng)開(kāi)車(chē)時(shí)補(bǔ)充一次脫鹽水即可。冷凝產(chǎn)生的鈣鎂離子含量很低的水會(huì)通過(guò)溢流口自動(dòng)進(jìn)入空氣冷卻塔下段，返回循環(huán)水系統(tǒng)?？諝饫鋮s塔下段采用普通循環(huán)水給空氣降溫，由于下段空氣溫度很高，普通循環(huán)水中的鈣鎂離子濃度不會(huì)達(dá)到結(jié)晶濃度，所以空氣冷卻塔下部的冷卻水來(lái)自循環(huán)水泵出口，經(jīng)過(guò)空氣冷卻塔下部填料與熱空氣進(jìn)行換熱后再返回循環(huán)水池降溫循環(huán)使用。

5 空分預(yù)冷系統(tǒng)具體改造方案

①空氣冷卻塔中部增加氣水分離裝置，主要作用：作為低鹽水收集裝置，將空氣冷卻塔上段低鹽水與下段循環(huán)水分開(kāi)，防止空氣冷卻塔上段低溫冷凍水系統(tǒng)中鈣鎂離子結(jié)垢堵塞設(shè)備和管道；作為氣體通道，使空氣冷卻塔下段高溫氣體能順利進(jìn)入上段繼續(xù)冷卻；作為低鹽水溢流口，當(dāng)上段低鹽水液位超過(guò)設(shè)定值時(shí)，多余的低鹽水能溢流到空氣冷卻塔下段循環(huán)水中。

②空氣冷卻塔外部增加一個(gè)防止串氣的水封槽，利用壓差將換熱后的冷凍水引至水冷塔回收污氮?dú)獾睦淞?，?jīng)冷凍水循環(huán)泵升壓，冷凍機(jī)組進(jìn)一步降溫后再送空氣冷卻塔頂部循環(huán)使用，實(shí)現(xiàn)脫鹽水閉路循環(huán)。

③不同溫度下水的飽和蒸汽壓不同，從空氣冷卻塔下部來(lái)的經(jīng)過(guò)循環(huán)水洗滌的高溫氣體在空氣冷卻塔上部被低鹽水降溫，其中部分水蒸氣冷凝作為低鹽水系統(tǒng)的補(bǔ)水，保證了預(yù)冷系統(tǒng)冷凍水的水質(zhì)，解決了冷凍水中鈣鎂離子含量升高造成的預(yù)冷系統(tǒng)結(jié)晶堵塞問(wèn)題。

④空氣冷卻塔下部高溫氣體仍采用循環(huán)水降溫，降低了冷凍機(jī)組的負(fù)荷和能耗。

6 結(jié)論

項(xiàng)目實(shí)施后，經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，每次停車(chē)檢查冷水機(jī)組蒸發(fā)器列管、冷凍水管線、空氣冷卻塔分布器均未出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象，改造達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)和效果，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益：每年減少換熱器、管線等化學(xué)清洗費(fèi)5萬(wàn)元；由于從空氣冷卻塔上部出來(lái)的冷凍水溫度(15 ℃)低于循環(huán)水溫度(25 ℃)，冷凍機(jī)組電負(fù)荷下降50%左右，每年節(jié)約電費(fèi)12萬(wàn)元；由于本次改造解決鈣鎂離子在低溫下結(jié)晶造成的空氣冷卻塔分布器、冷凍機(jī)組換熱器堵塞問(wèn)題，減少了空分裝置因預(yù)冷系統(tǒng)堵塞被迫停車(chē)次數(shù)，不僅保證了生產(chǎn)型企業(yè)的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，而且每年可減少停車(chē)損失800萬(wàn)元以上。