空分預(yù)冷系統(tǒng)氨冷器結(jié)垢原因分析與改進(jìn)措施

韋 磊，季為馳，郭興建，秦中良

（新疆中能萬源化工有限公司，新疆瑪納斯 832200）

新疆中能萬源化工有限公司KDON-20000／51500型空分裝置的作用是為航天爐粉煤加壓氣化裝置提供合格的產(chǎn)品氧氣、氮氣，并副產(chǎn)液氧、液氮。該空分裝置采用先進(jìn)的空氣預(yù)冷、全低壓分子篩吸附，增壓透平膨脹機(jī)、液氧內(nèi)壓縮流程，以及規(guī)整填料式精餾塔、全精餾制氬等行業(yè)內(nèi)先進(jìn)的流程和設(shè)備，其中，空壓機(jī)、增壓機(jī)由汽輪機(jī)拖動，采用一拖二的形式。

1 空分預(yù)冷系統(tǒng)工藝流程及氨冷器運行情況

空分預(yù)冷系統(tǒng)主要包括水冷塔、空冷塔、氨冷器、冷卻水泵、冷凍水泵、閥門、管線及儀電控制系統(tǒng)等。原料空氣經(jīng)自潔式過濾器除去灰塵和機(jī)械雜質(zhì)后，在離心式空壓機(jī)中被壓縮至0.52MPa（溫度100℃），之后進(jìn)入空冷塔進(jìn)行冷卻?？绽渌鋮s水有兩路：一路是循環(huán)水，直接從空冷塔中部進(jìn)入分布器，與空氣進(jìn)行初步的質(zhì)熱交換；另一路是冷凍水，循環(huán)水經(jīng)過水冷塔與污氮氣進(jìn)行質(zhì)熱交換，吸收飽和污氮氣的汽化潛熱降溫到16～18℃后，再通過冷凍水泵增壓后進(jìn)入氨冷器，經(jīng)過液氨的蒸發(fā)制冷作用使循環(huán)水降溫至10～11℃，然后進(jìn)入空冷塔頂部，對空氣進(jìn)行進(jìn)一步的冷卻。

但自2016年以來，我公司空分裝置氨冷器運行期間出現(xiàn)了諸多問題：在控制閥位一定的狀態(tài)下冷凍水流量從95t／h逐漸降至80t／h，進(jìn)出氨冷器循環(huán)水溫差下降，氨冷器及冷凍水泵負(fù)荷加重，最終不能正常運行，造成系統(tǒng)停車，停車后拆檢氨冷器發(fā)現(xiàn)有乳灰白色、類似結(jié)晶體的硬垢堵塞換熱管。

2 氨冷器結(jié)垢的原因分析

從氨冷器結(jié)晶物的狀貌來判斷，我們稱之為“低溫垢”，其形成的原因主要有以下3個方面。

2.1 CaCO3結(jié)晶

隨著溫度的降低，CaCO3的溶解度增大，因此在系統(tǒng)的低溫區(qū) （6～8℃）水中CaCO3含量非常高，以介穩(wěn)態(tài) （亞穩(wěn)態(tài)）存在，此時水質(zhì)和外界條件的微小變化都會導(dǎo)致CaCO3結(jié)晶析出。

2.2 CaCO3結(jié)垢

CaCO3在0℃時的溶解度為20℃時的2倍，CaCO3水溶液在低溫時 （＜4℃）濃度增大，使得水系統(tǒng)極易生成帶6個結(jié)晶水的碳酸鈣晶體，即CaCO3·6H2O，這種晶體的形成速度很快，是無水碳酸鈣形成速度的10～20倍。因此，在空冷塔的布水器、氨冷器進(jìn)口等低溫區(qū)，均容易形成CaCO3結(jié)垢。

2.3 水質(zhì)穩(wěn)定劑方面的因素

正常情況下，水質(zhì)穩(wěn)定劑是通過 Ca2＋、Mg2＋的螯合作用以及對碳酸鈣微晶核的溶限、分散、晶格畸變等作用擴(kuò)大碳酸鈣的介穩(wěn)區(qū)，從而起到穩(wěn)定水質(zhì)的作用。由于阻垢劑多為水溶性陰離子高分子聚合物和化合物，它們與Ca2＋、Mg2＋形成的螯合物在水溫降低時溶解度下降，尤其是循環(huán)水濃縮倍數(shù)提高后，由于阻垢劑濃度和Ca2＋、Mg2＋濃度均增大，這類螯合物在低溫區(qū)析出沉淀的可能性就更大；同時，水質(zhì)穩(wěn)定劑自身在低溫下的穩(wěn)定性也一定程度上影響其在低溫?fù)Q熱材料表面析出晶體的可能。

循環(huán)水流進(jìn)氨冷器之前已從超過30℃降到16～18℃，后又繼續(xù)降溫至10～11℃，CaCO3溶解度經(jīng)歷了先降到最低后又有所增大的過程，此時CaCO3處于介穩(wěn)態(tài)，極易反復(fù)出現(xiàn)析出—溶解—析出，當(dāng)滿足CaCO3結(jié)晶或CaCO3結(jié)垢條件時，CaCO3易以結(jié)晶水合物的形式析出。

2.4 循環(huán)水水質(zhì)

選取2016年2月1日至2017年5月28日期間循環(huán)水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)，其pH、電導(dǎo)率、總堿度、鈣硬度變化趨勢分別如圖1～圖4所示。

圖1 pH變化趨勢圖

由圖1可知，循環(huán)水的pH一直偏高，后來雖然上了自動加酸裝置，但由于投加量不合理，pH控制不穩(wěn)定，仍然處于高位。據(jù)歷次拆檢換熱器的情況來看，其結(jié)垢趨勢一直沒有得到緩解，這也是導(dǎo)致后期換熱器產(chǎn)生低溫垢的原因之一。

圖2 電導(dǎo)率變化趨勢圖

電導(dǎo)率表征著循環(huán)水中總鹽分的含量，由圖2可以看出，循環(huán)水電導(dǎo)率波動較大，由于系統(tǒng)沒有及時有效地控制循環(huán)水的濃縮倍數(shù)，造成系統(tǒng)中有結(jié)垢傾向的離子均有所富集，從而導(dǎo)致系統(tǒng)局部結(jié)垢。

圖3 總堿度變化趨勢圖

總堿度包括了、的含量，能間接反映系統(tǒng)形成碳酸鹽垢的傾向，由圖3可以看出，大部分時候總堿度均偏高，大于4mmol／L，尤其是2017年4月份以來，循環(huán)水總堿度高達(dá)10mmol／L，這也是形成低溫垢的必要條件之一。

圖4 鈣硬度變化趨勢圖

鈣硬度指標(biāo)直接反映系統(tǒng)中Ca2＋的含量，因我公司循環(huán)水系統(tǒng)實際運行中無有效調(diào)控手段，循環(huán)水系統(tǒng)的Ca2＋含量只能通過循環(huán)水排污來控制，由圖4可以看出，循環(huán)水鈣硬度波動較大，與電導(dǎo)率變化趨勢相同，而循環(huán)水系統(tǒng)Ca2＋含量偏高也是形成低溫垢的必要條件之一。

循環(huán)水系統(tǒng)中pH、堿度與碳酸鹽存在形式的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。再結(jié)合上述總堿度變化趨勢圖 （圖3），循環(huán)水pH大多在8.3～9.4之間，尤其是當(dāng) pH＞8.8，循環(huán)水中將有大于10%的轉(zhuǎn)化為，此情況下，循環(huán)水中的含量將占優(yōu)勢地位，遠(yuǎn)大于的含量，這時處于介穩(wěn)態(tài)的CaCO3，由于溶解平衡，外界的微小變化如溫度、鈣硬度、流速等均極易造成CaCO3析出而沉積在換熱器表面。

表1 pH、堿度與碳酸鹽存在形式的對應(yīng)關(guān)系

3 空分預(yù)冷系統(tǒng)氨冷器結(jié)垢的危害

空分裝置運行過程中，由于氨冷器冷端Ca-CO3結(jié)晶析出，造成冷凍水流量減少，導(dǎo)致空冷塔出口溫度高達(dá)18℃，超出工藝指標(biāo) （設(shè)計值12～14℃），嚴(yán)重影響空分裝置的穩(wěn)定運行，主要危害如下。

（1）氨冷器堵塞，冷凍水流量逐漸降低，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行及換熱效率，分子篩出口溫度升高6℃，同時影響板翅式換熱器的換熱溫度。

（2）空冷塔出口溫度升高，空氣含水量增大，造成分子篩吸附負(fù)荷增大，使分子篩吸附效率降低，粉化加快，而且出分子篩空氣中水分和CO2含量的變化還會影響分餾塔的工況。

（3）空冷塔出口溫度升高，導(dǎo)致增壓機(jī)效率降低，直接影響換熱效率，易造成分餾塔冷量不足、主冷液位下降等。

4 改進(jìn)措施

我公司于2017年9月按計劃檢修空分裝置，換熱器整體表現(xiàn)良好，但氨冷器結(jié)垢較為嚴(yán)重，以下主要針對氨冷器結(jié)垢問題進(jìn)行分析并提出可行的改進(jìn)措施，以解決氨冷器冷端CaCO3結(jié)晶的問題，保證裝置的長周期、穩(wěn)定運行。

4.1 系統(tǒng)補(bǔ)水移至水冷塔，降低局部離子濃度

將循環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)水移至水冷塔處，后通過冷凍水泵打入氨冷器，可起到局部稀釋循環(huán)水的作用，降低局部離子濃度，緩解低溫結(jié)垢趨勢。此方法在出現(xiàn)類似問題的工廠均有過應(yīng)用，效果還不錯。按照循環(huán)水補(bǔ)水量200m3／h、補(bǔ)水鈣硬度1.5mmol／L來計算，此部分水流量均小于200m3／h，則可近似認(rèn)為氨冷器進(jìn)水鈣硬度為1.5mmol／L，如此運行將大大緩解其結(jié)垢問題。

4.2 加酸控制循環(huán)水合適的pH范圍

建議通過自動加酸將循環(huán)水的pH控制在8.3～8.5之間，前期盡可能控制得低一點 （可控制在8.0～8.3），待系統(tǒng)運行平穩(wěn)后可逐步上調(diào)pH至8.5左右。加酸的目的是提高循環(huán)水濃縮倍數(shù)，減少用水，同時控制循環(huán)水的堿度，減少CO2－3的相對含量，減緩結(jié)垢趨勢。

4.3 控制循環(huán)水濃縮倍數(shù)和鈣硬度

由圖2可以看出，我公司循環(huán)水系統(tǒng)控制隨意，電導(dǎo)率波動過大，易導(dǎo)致低溫結(jié)垢問題。同時，根據(jù)溶解平衡，減少鈣硬度能防止溶解的CaCO3趨于飽和，可減少其析出。因此，為減緩CaCO3的結(jié)垢趨勢，還需要控制循環(huán)水的鈣硬度。運行過程中可依據(jù)電導(dǎo)率來控制循環(huán)水排污，運行初期控制循環(huán)水的電導(dǎo)率不超過2500 μS／cm、鈣硬度在 4～5mmol／L、堿度在 3～4 mmol／L、（鈣硬度 ＋堿度） ＜11mmol／L。

4.4 在氨冷器兩端增設(shè)物理防垢設(shè)備

目前工業(yè)上有一種智能超聲波物理防垢阻垢設(shè)備，專門針對特殊換熱器，采用智能超聲波防垢除垢技術(shù)，通過強(qiáng)磁伸縮式電／機(jī)能量轉(zhuǎn)換模式，將超聲波直接作用于設(shè)備金屬表面，超聲波在金屬及其他接觸的介質(zhì)中傳播會產(chǎn)生超聲凝聚、高速微渦、微沖性剪切等一系列效應(yīng)，可強(qiáng)化傳熱，可將CaCO3微晶核不停振動和剪切，再結(jié)合水流，減緩設(shè)備結(jié)垢的趨勢，達(dá)到防垢除垢的效果。智能超聲波物理防垢阻垢設(shè)備 （我公司采購設(shè)備）及其工作原理如圖5所示。

圖5 智能超聲波物理防垢阻垢設(shè)備及工作原理

5 改進(jìn)前后氨冷器運行情況對比

改進(jìn)前后氨冷器運行情況 （實際操作值）對比見表2。改進(jìn)前，氨冷器結(jié)垢嚴(yán)重 （水流量由設(shè)計值95t／h降至78t／h），管板表面有較多白色粉末狀垢樣，管束內(nèi)為石膏狀固體垢樣，氨冷器負(fù)荷加重，空分裝置不得不大幅度減量，給公司的安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重危害；改進(jìn)后，氨冷器管板表面基本干凈，管束內(nèi)干凈，基本無結(jié)垢，運行狀況明顯改善，減少了系統(tǒng)的不必要停車。

表2 改進(jìn)前后氨冷器運行情況 （實際操作值）對比

6 結(jié)束語

空分預(yù)冷系統(tǒng)運行狀況的良好與否關(guān)系到空分裝置能否實現(xiàn)安全、穩(wěn)定、長周期運行。針對氨冷器結(jié)垢嚴(yán)重的問題，我們進(jìn)行了原因分析，采取一系列改進(jìn)措施后，經(jīng)過一段時間的運行，氨冷器低溫結(jié)垢現(xiàn)象明顯減緩，冷卻效果好轉(zhuǎn)。氨冷器的結(jié)垢問題要從多角度去分析與探究，據(jù)不同的工況采取多種應(yīng)對措施，才能徹底解決氨冷器的結(jié)垢問題。