王文冠 席崔扣

（陜煤集團榆林化學有限責任公司 陜西榆林 719303）

空分預冷系統(tǒng)中，使用常溫水時，用水量相對較大，在短期運行條件下，管道及裝置結垢堵、塞問題并不明顯，經過長期運行后，會出現(xiàn)結垢、堵塞，嚴重時需要停機處理。與之相比，冷凍水雖然用水量不大，可是結垢、堵塞問題的發(fā)生頻率比較高，而且，在冷卻不到位的情況下，會對純化系統(tǒng)造成一定的影響。因此，在實際使用空分設備時，需要對循環(huán)水系統(tǒng)進行相應的改造升級。下面，先對空分預冷系統(tǒng)做出說明。

1 空分預冷系統(tǒng)概述

空分設備包括若干系統(tǒng)，以“自潔過濾器—壓縮系統(tǒng)—預冷系統(tǒng)—純化系統(tǒng)—膨脹系統(tǒng)—換熱系統(tǒng)—精餾系統(tǒng)—壓縮輸出系統(tǒng)”為主。其中，空分預冷系統(tǒng)處于壓縮系統(tǒng)與分子篩純化系統(tǒng)（或分子篩吸附系統(tǒng)）之間，從構成要素看，該系統(tǒng)包括儀表電控系統(tǒng)、閥門管線、冷凍水泵、冷卻水泵、水冷塔、空冷塔等；從功能看，主用于洗滌容易造成分子篩中毒的易溶于水的化合物，并實現(xiàn)對壓縮空氣的降溫、洗滌處理；從工作流程看，空氣通過自潔式過濾器的初步凈化，經過空氣壓縮機壓縮后，送入預冷系統(tǒng)中的空冷塔裝置，完成降溫后，去立式分子篩系統(tǒng)進一步凈化［1］。

2 空分預冷系統(tǒng)循環(huán)水問題分析

空分預冷系統(tǒng)中的空冷塔冷源主要來自循環(huán)冷卻水、冷凍水。其中，補水系統(tǒng)的常溫水通過空冷塔冷卻可以變成循環(huán)冷卻水（也就是常說的回水，可以循環(huán)使用）。冷凍水是由水冷塔對空冷塔回水進行再冷卻而來，在冷卻過程中，主要需要來自冷箱板式換熱復熱后的污氮氣、氮氣參與，通過“汽化潛熱”，對循環(huán)水進行冷卻［2］。在冷凍水使用前，需要在水冷塔底部完成對冷凍水的集中收集，然后，借助冷凍水泵將其打到空冷塔上段，進而實現(xiàn)對壓縮空氣的降溫及洗滌處理。從實踐經驗看，多數(shù)空分預冷系統(tǒng)中均用循環(huán)水經水冷塔冷卻后進入空冷塔上層，達到節(jié)水降耗的目標。

2.1 常溫水結垢問題

在應用空分預冷系統(tǒng)時，循環(huán)水中主要是對常溫水進行“一水多用”，因此，從補水與用水的角度看，常溫水的用量實際上比較大。但是，在應用過程中，常溫水主要通過管道進行補給與使用，常溫水主要以河水、井水、市政自來水為主，此時，水質中會含鈣、鎂離子，也會受到酸堿度、硬度、渾濁度，以及含油量、含鐵量、有機物等影響。所以，在水質符合標準要求的情況下，短期內不會造成管道與各類設備的結垢、堵塞等現(xiàn)象?？墒?，隨著循環(huán)水系統(tǒng)應用周期的延長，則不可避免地會產生結垢、堵塞問題。

以常溫水被冷卻后的低溫結垢現(xiàn)象為例，當pH達到8.8的情況時，10.0%以上的冷卻水中的碳酸氫離子會變成碳酸根離子，而且，當其含量大于5.0mg／L 的水質硬度控制標準時，水中會出現(xiàn)化合反應并生成沉淀物碳酸鈣［3］。另外，循環(huán)水在空冷塔中和壓縮空氣換熱，循環(huán)水溫度會相對較高（碳酸鈣一般會隨溫度的升高，溶解度變?。?，而且需要加藥（如常用的水質穩(wěn)定劑中就包括了鈣、鎂離子及碳酸鈣等，會造成腐蝕與沉淀），在這個過程中也容易產生加藥帶沫現(xiàn)象。因此，在高溫、重復使用、帶沫的綜合條件下，細菌滋生繁衍、藻類生長附著管道與設備的現(xiàn)象也會發(fā)生，進而造成結垢、堵塞、腐蝕管路與設備的問題。

2.2 冷凍水堵塞問題

陜西某180萬t/a乙二醇工程項目建于陜西榆林某煤化工工業(yè)園區(qū)內，空分裝置采用林德成套空分技術，包括3 套100 000Nm3/h（O2）空分裝置，以及1 套液氧、液氮后備系統(tǒng)和空壓站。

空分試車（裸冷查漏）期間，操作人員發(fā)現(xiàn)低溫水量短時間由203t/h 降低至163t/h（最低降至97t/h），對低溫水泵入口過濾器濾網進行檢查，發(fā)現(xiàn)濾網附著白色結晶物質，隨后將低溫水泵入口濾網結晶物收集并聯(lián)系分析化驗室進行分析，得出結晶物中碳酸鈣含量為82.2%。據調研（西北地區(qū)），冷凍水大都會產生結垢、結晶現(xiàn)象。有用一次水補水或除鹽水的、有的直接向冷凍水管道內連續(xù)加藥（阻垢、檸檬酸等）。經過一段時間的對過濾器內加檸檬酸，順著管道到分布器，循環(huán)水流量達到了正常值。

與常溫水的使用量相比，冷凍水主要來自空冷塔上部的返回水，在生成量、收集量、使用量方面相對較少。然而，冷凍水卻容易引發(fā)管道與設備的結垢、堵塞、腐蝕等問題，而且發(fā)生頻率相對較高。具體而言，冷凍水由水冷塔冷卻得來，當水冷塔制冷效果不佳時，冷卻水量、污氮量的數(shù)據會發(fā)生偏差。通常，造成這種情況的原因主要是對水冷塔旁路閥的開度控制不當，開度設置過大，進而導致了部分未通過水冷塔冷卻處理的水進入到了冷凍水泵所致［4］。需要注意的是，冷凍水冷卻不到位時，會對分子篩純化系統(tǒng)造成一定影響。造成這種影響的主要原因是循環(huán)水中的氨含量增大，通常在打開循環(huán)水導淋后可以聞到刺鼻氣味。例如，冷凍水在未冷卻之前屬于空冷塔返回水，當空冷塔中的循環(huán)水本身含有氨、油及其他酸性物質時，進入到分子篩純化系統(tǒng)后，即會對分子篩造成嚴重破壞，尤其是分子篩多為硅鋁酸鹽結晶體，當酸堿度發(fā)生變化時，時間一長，就會出現(xiàn)其失效并產生不可逆破壞。

3 空分預冷系統(tǒng)循環(huán)水改造措施

3.1 控制常溫水水質

首先，在常溫水結垢、堵塞、腐蝕等問題方面，相對直接、有效的辦法是設置備用系統(tǒng)，利用減少常溫水在同一系統(tǒng)中的使用時間達到防治目標。其次，應該從根本上對常溫水的水質進行控制。例如，在設計參數(shù)方面進行一些有效調整，提高常溫水的使用標準，一般可以在冷卻塔（處理水量、進塔溫度、出塔溫度指標）、冷卻塔水池（長、寬、高指標）、冷卻塔風機（直徑、電壓、電機功率指標）、循環(huán)水泵（流量、揚程、電機功率指標）方面進行設置，并配套實施常溫水水質監(jiān)測，如在補水口與循環(huán)利用口等加裝一些水質監(jiān)測裝置，從水環(huán)境管理的視角切入，增強常溫水水質控制。另外，需要選擇適用性強、功能兼容較好的節(jié)能裝置、過濾裝置，如水輪機、重力式無閥濾池等。

3.2 進行冷凍水改造

從空分預冷系統(tǒng)整體上看，冷凍水實際上包括了冷卻前的熱水循環(huán)、冷卻后的冷凍水循環(huán)，在這種情況下，可以設置閉式冷凍水系統(tǒng)。然而，在整個改造過程中，不僅要重新規(guī)劃管路，設置調節(jié)閥門、分水器、集水器、膨脹水箱等配套裝置，還需要增加水量，成本投入大，使用水量增加，不能達到經濟改造的要求。建議用低壓生產消防水（生消水）的辦法代替進入空冷塔上部的冷凍水。

在化工企業(yè)中，消防水的設置十分普遍，此時，應用消防水不僅能夠通過空冷塔直接形成循環(huán)冷卻水達到冷源供給目標，也可以將其返回至循環(huán)水池作為循環(huán)補水。從整體上看，一方面能夠控制消防水用量，另一方面可以不對原來的循環(huán)水系統(tǒng)正常運行造成干擾與影響［5］。例如，在常用的空分預冷系統(tǒng)中，通?？梢栽谒渌显黾?條供給用水管路：（1）在循環(huán)水進水口與SI—上水過濾器（原有過濾器）之間增加1條生消水管路；（2）將另一條生產水管路接入到水冷塔LV01101—液位調節(jié)閥與S2—過濾器（新裝過濾器）之間。此時，當S1—過濾器發(fā)生常結垢、堵塞時，可以啟動S2—過濾器，即使發(fā)生了生消水無法供應的情況，也能夠通過冷水機組（如溴化鋰冷水機組）與原循環(huán)水系統(tǒng)保障整個預冷系統(tǒng)的正常運行（見圖1）。

圖1 冷凍水改造流程示意

4 開式與閉式循環(huán)水系統(tǒng)比較

4.1 系統(tǒng)設計方案

以某化工企業(yè)為例，在其每天600t的產品生產中，循環(huán)水系統(tǒng)中應用附近的河水作為常溫水，其水質要求如下。（1）有機物：每升不大于25.0mg。（2）鐵含量：每升不大于0.3mg。（3）渾濁度：每升不大于5.0mg。（4）油含量：每升不大于5.0mg。（5）酸堿度：必須控制在6.5～8.5范圍以內。（6）硬度（以碳酸鈣計）要求不大于30.0×10-6。為了選擇適用型系統(tǒng)，設計了開式與閉式循環(huán)水兩套方案。

首先，開式循環(huán)水系統(tǒng)方案中，備用水塔容量500.0m3，每小時循環(huán)水量為1200.0t。系統(tǒng)由兩部分組成：（1）將河水、井水、自來水作為原水用于補水循環(huán)水，要求定期對水質進行軟化處理；（2）通過水泵加壓的方式將循環(huán)水供給用戶，經冷卻塔冷卻的加水返回水池循環(huán)利用。

其次，閉水循環(huán)系統(tǒng)方案中，備用水塔容量、每小時循環(huán)水量與開式相同。系統(tǒng)采用全封閉循環(huán)，由3部分組成：（1）原水與開式相同；（2）循環(huán)系統(tǒng)為閉路，主要為用戶—水泵—換熱器—用戶；（3）循環(huán)冷卻水系統(tǒng)為開路，一條路線為冷卻水—水池—水泵—換熱器—冷卻閉路循環(huán)水，另一條路線為回水—冷卻塔—水池—循環(huán)［6］。

4.2 比較分析

從優(yōu)勢上看，開式循環(huán)水系統(tǒng)簡單，投資運營成本低；閉式循環(huán)水系統(tǒng)水質干凈，不易出現(xiàn)結垢堵塞及腐蝕現(xiàn)象。從劣勢上看，前者存在鹽類濃縮結晶，易發(fā)生結垢、堵塞及腐蝕；后者系統(tǒng)復雜程度高，投資運營成本高。從適用范圍看，前者易推廣應用，后者對水質有較高要求。從年運營管理費用看，前者電耗約315.8萬元（總功率308W），員工工資約12.5 萬元，運維費用約15.0 萬元；后者對應數(shù)據分別為約322.4 萬元（總功率460W）、12.5 萬元、18.0 萬元。由性價比看，開式循環(huán)水系統(tǒng)具有比較大的優(yōu)勢。兩種系統(tǒng)設備投資情況見表1。

表1 開式與閉式循環(huán)水系統(tǒng)投資成本比較

5 結語

總之，空分預冷系統(tǒng)運行中，需要預防常溫水、冷凍水造成的結垢、堵塞問題。通過以上初步分析，可以看出，對常溫水結垢、堵塞問題的解決可以通過設置備用系統(tǒng)、嚴格控制水質，以及配套節(jié)能、過濾裝置實現(xiàn)。對冷凍水結垢、堵塞問題，可以選擇閉式系統(tǒng)改造與取代生消水取代冷凍水的辦法。通過比較開式與閉式循環(huán)水系統(tǒng)可以看出，常用的開式系統(tǒng)優(yōu)勢相對較大，因此，建議在改造空分預冷系統(tǒng)時，宜結合實際需求選擇性價比較高的開式系統(tǒng)。