空氣預(yù)冷系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)與思考

吳艷東（神華榆林能源化工有限公司，陜西 榆林 719302）

進(jìn)入21 世紀(jì)后，空分設(shè)備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇，大型空分設(shè)備發(fā)展迅速。但是，若空氣預(yù)冷系統(tǒng)配置不合理，將消耗大量水、電資源[1]。因此，需在滿(mǎn)足用戶(hù)需求的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以此降低用戶(hù)運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用，減少制造成本及運(yùn)輸成本。

1 關(guān)于空氣預(yù)冷系統(tǒng)

空分設(shè)備中，空氣預(yù)冷系統(tǒng)是保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，其位于空氣壓縮系統(tǒng)及分子篩純化系統(tǒng)之間，空氣預(yù)冷系統(tǒng)由空氣冷卻塔、水冷卻塔、水泵及水過(guò)濾器等組成，空氣預(yù)冷系統(tǒng)可降低空氣溫度、含水量，并除去大部分水溶性有害物質(zhì)如NH3、HCl、SO2、NO2等，避免分子篩遭到有害物質(zhì)影響，以此確保分子篩的吸附性[2]。

2 空氣預(yù)冷系統(tǒng)部分認(rèn)識(shí)錯(cuò)誤及優(yōu)化設(shè)計(jì)

空氣預(yù)冷系統(tǒng)往往容易忽視某些因素，導(dǎo)致運(yùn)行不暢。若可明確具體誤區(qū)，則可對(duì)空氣預(yù)冷系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低成本。以下對(duì)可能出現(xiàn)的誤區(qū)分析：

2.1 水冷卻塔設(shè)計(jì)及氮?dú)饬筷P(guān)系

水冷塔中水與污氮?dú)饽媪鹘佑|，氣液組成沿塔高不斷變化。兩相接觸中，污氮?dú)馀c水存在溫差，水中熱量傳遞給污氮?dú)?；污氮?dú)獗旧磔^為干燥，和水有明顯濕度差異，水分子向污氮?dú)馄?，?dǎo)致污氮?dú)鉂穸炔粩嘣黾?，由于水的汽化需要吸收大量的汽化潛熱達(dá)到水溫下降目的。

影響水冷卻塔降溫效果的因素很多，如：水量、液體分布器結(jié)構(gòu)以及填料的種類(lèi)等等，但是其中關(guān)鍵的因素為噴淋水量與氣體流量比值。因?yàn)槲鄣獨(dú)庵酗柡秃渴怯幸欢ㄏ薅鹊摹Ｋ运渌兴疁啬軌蚪档投嗌?，首先取決于水與氣比值。如果忽略這個(gè)基本原理，對(duì)水冷塔的噴淋水量不加節(jié)制，其結(jié)果將大大降低水冷塔冷卻效果。

要針對(duì)用戶(hù)的污氮?dú)猱a(chǎn)量及實(shí)際使用情況，決定是否設(shè)置冷水機(jī)組。若用戶(hù)產(chǎn)品氧、氮為1:1，可配置冷水機(jī)組。若用戶(hù)產(chǎn)品氧、氮為1:2，應(yīng)配置冷水機(jī)組。

2.2 用戶(hù)水質(zhì)對(duì)預(yù)冷系統(tǒng)的實(shí)際影響

空氣、污氮?dú)饧把h(huán)水都是空氣預(yù)冷系統(tǒng)重要物料，而水質(zhì)質(zhì)量也就直接關(guān)系到空分設(shè)備系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行。不同區(qū)域水質(zhì)不同，部分地區(qū)水質(zhì)較差，其水硬度高，易產(chǎn)生水垢。水垢出現(xiàn)后將影響空氣預(yù)冷系統(tǒng)實(shí)際換熱效果，空氣預(yù)冷系統(tǒng)換熱效果不好，就會(huì)導(dǎo)致裝置出現(xiàn)故障。因此，空氣預(yù)冷系統(tǒng)需加入水處理裝置，有效避免水垢產(chǎn)生。若設(shè)備結(jié)垢后再安裝水處理裝置，將徒增成本、清洗成本、人工成本。

當(dāng)下空冷塔及水冷塔多為填料結(jié)構(gòu)，部分用戶(hù)空冷塔初期效果突出，但是1-2年后塔阻力逐漸增加，可能出現(xiàn)噴水現(xiàn)象。檢查后發(fā)現(xiàn)不是工況指標(biāo)波動(dòng)影響，很可能為塔內(nèi)填料堵塞導(dǎo)致。究其原因，可能是空氣中殘存固體顆粒遭洗滌、沉積和用戶(hù)水質(zhì)導(dǎo)致阻塞，若用戶(hù)循環(huán)水水質(zhì)硬度較高，在30℃冷卻水與100℃高溫空氣熱交換，導(dǎo)致填料及冷卻水快速升溫，水中的Ca(HCO3)及Mg(HCO3)遇熱分解為CaCO3和MgCO3，而CaCO3和MgCO3水溫度升高溶解度減小從而形成水垢，造成阻塞。而水冷塔中部分水向污氮?dú)鈹U(kuò)散蒸發(fā)，污氮?dú)夥趴张懦龊螅h(huán)水相當(dāng)于濃縮處理，一些鹽分將以結(jié)晶析出，形成水垢。填料結(jié)垢，影響傳熱效果，也易產(chǎn)生腐蝕。嚴(yán)重者甚至導(dǎo)致塔內(nèi)阻力上升，產(chǎn)生液泛，影響系統(tǒng)運(yùn)行。

以某公司空分設(shè)備為例，某天工作人員在日常管理中發(fā)現(xiàn)，設(shè)備某分子篩系統(tǒng)出口壓力下降，空冷塔液位降低，初步判斷發(fā)現(xiàn)為系統(tǒng)閥門(mén)泄漏故障。對(duì)各項(xiàng)參數(shù)檢查，發(fā)現(xiàn)空冷塔阻力，達(dá)到滿(mǎn)程且超過(guò)報(bào)警值，空分塔阻力也大量上升。之后現(xiàn)場(chǎng)對(duì)空冷塔出水管道及進(jìn)口管道疏水器手動(dòng)旁通閥檢查，發(fā)現(xiàn)排出大量的泡沫水分。由此可見(jiàn)，水質(zhì)會(huì)嚴(yán)重影響空氣預(yù)冷系統(tǒng)對(duì)空氣的處理。

3 空氣預(yù)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)建議

3.1 預(yù)冷方式選擇

空氣預(yù)冷系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備要科學(xué)布局，選擇合適的預(yù)冷方式。預(yù)冷方式要考慮到投資平衡性，分析具體設(shè)計(jì)條件、水質(zhì)控制、安全操作及管理等，開(kāi)展有針對(duì)性的研究，找到量體裁衣最佳解決方案。

3.2 出空冷塔溫度選擇

出空冷塔溫度若是過(guò)高，將會(huì)導(dǎo)致分子篩純化系統(tǒng)負(fù)擔(dān)過(guò)重，需投入更多吸附劑以確保分子篩純化穩(wěn)定運(yùn)行。這就會(huì)耗費(fèi)大量再生能耗，對(duì)應(yīng)空氣進(jìn)換熱器的實(shí)際溫度不斷增加，系統(tǒng)整體成本消耗過(guò)大。而若是降低出空冷塔的溫度，則需要預(yù)冷系統(tǒng)充分做功，提供冷卻。但是進(jìn)水冷塔氮?dú)饬繜o(wú)法更改，額外的制冷則需冷凍機(jī)支持，降低溫度增加設(shè)備能耗。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，要選擇合適的空冷塔出口溫度，在達(dá)到最佳效果的同時(shí)，也能減少能耗，平衡投資。此外，還要考慮到一些設(shè)備及能耗市場(chǎng)價(jià)格不同，對(duì)應(yīng)出空冷塔溫度平衡點(diǎn)不同，因此需針對(duì)實(shí)際情況科學(xué)計(jì)算，找到能耗平衡點(diǎn)，將出空冷塔溫度控制在10-14℃。

3.3 循環(huán)水系統(tǒng)水垢預(yù)防處理

空氣預(yù)冷系統(tǒng)運(yùn)行中，空冷塔高溫區(qū)鈣、鎂析出形成高溫垢，水冷塔低溫區(qū)水蒸發(fā)大量，導(dǎo)致循環(huán)水濃縮形成低溫垢，容易導(dǎo)致空氣預(yù)冷系統(tǒng)異常。預(yù)防處理水垢以下方式：可以對(duì)循環(huán)水定期取樣分析，向循環(huán)水系統(tǒng)投加阻垢劑、緩蝕劑、殺菌劑，對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)定期進(jìn)行剝離清洗，空冷塔、水冷塔用水采用部分脫鹽水，確保水質(zhì)達(dá)標(biāo)。若發(fā)現(xiàn)已經(jīng)出現(xiàn)水垢，可采用以下方式：1）停車(chē)將空冷塔、水冷塔填料扒出，使用酸性溶液浸泡除垢；2）在線(xiàn)以酸液連續(xù)循環(huán)清除水垢，要注意水溫及分子篩切換的時(shí)間合理，避免純化器之后二氧化碳含量超標(biāo)，引發(fā)事故；3）停車(chē)更換結(jié)垢與破碎填料環(huán)保證空氣預(yù)冷系統(tǒng)完整換熱。

4 提高空氣預(yù)冷系統(tǒng)冷卻效果可以帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益

4.1 延長(zhǎng)純化器活性氧化鋁和分子篩13X-APG使用壽命

降低空氣冷卻塔出口溫度，使空氣飽和含水量減少，對(duì)純化器吸附劑吸附負(fù)荷降低，延長(zhǎng)吸附劑使用壽命，吸附劑每延長(zhǎng)1年使用周期，可節(jié)省126萬(wàn)元。

以35000Nm3/h 高純氮?dú)饪辗盅b置為例，計(jì)算如下：分子篩13X-APGⅡA 初次填裝46t，活性氧化鋁28.8t，目前，活性氧化鋁市場(chǎng)價(jià)6000 元/t，分子篩13X-APGⅡA 市場(chǎng)價(jià)25000 元/t，按使用壽命5年計(jì)算，（46×25000+28.8×6000）/5=26.46萬(wàn)元。

4.2 減少純化器特殊再生頻次

降低低壓蒸汽和減溫水消耗量，若空冷塔出口空氣溫度高導(dǎo)致含水量大，純化器吸附負(fù)荷大，導(dǎo)致純化器解析不徹底，吸附末期二氧化碳超標(biāo)，每年必須高溫活化1 次（原設(shè)計(jì)2年一次高溫活化，目前運(yùn)行出口二氧化碳超標(biāo)，必須每年進(jìn)行1次高溫活化）。

減少特殊再生時(shí)加熱、恒溫、降溫階段消耗低壓蒸汽和減溫水費(fèi)用。

4.3 減少故障停車(chē)時(shí)間

若空冷塔出口溫度過(guò)高，必然會(huì)導(dǎo)致出口含水量增加，進(jìn)而導(dǎo)致純化器吸附末期二氧化碳嚴(yán)重超標(biāo)。多次超標(biāo)會(huì)導(dǎo)致凍堵高低壓板式換熱器、膨脹機(jī)，換熱器溫差增加和膨脹機(jī)損壞，無(wú)法保證裝置的正常運(yùn)行，需要進(jìn)行停車(chē)加溫吹除，以此增加非計(jì)劃性停車(chē)頻繁出現(xiàn)。

以100000Nm3/h 氧氣空分裝置為例，裝置停車(chē)升溫約用時(shí)24h，冷卻、積液、調(diào)純約用時(shí)36h，共計(jì)60h，若停一套空分甲醇產(chǎn)量減少2500t/d計(jì)算，一套空分停車(chē)60h，甲醇盈利200元/t 計(jì)算，累計(jì)損失2500×2.5×0.02=125萬(wàn)元。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，空氣預(yù)冷系統(tǒng)由于自身可起到良好的降溫、除濕、洗滌空氣效果，故在各行各業(yè)都有較廣泛的應(yīng)用，但是實(shí)際工作中空氣預(yù)冷系統(tǒng)認(rèn)識(shí)誤區(qū)較多，需具體問(wèn)題具體分析。新時(shí)期分子篩吸附凈化技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，空氣預(yù)冷系統(tǒng)的能量損失得到有效控制，可保證分子篩吸附凈化技術(shù)穩(wěn)定運(yùn)行。但是，若系統(tǒng)出現(xiàn)故障，會(huì)影響空分設(shè)備的繼續(xù)運(yùn)行，需采取科學(xué)有效的預(yù)防措施，提前處理，發(fā)現(xiàn)設(shè)備可能存在的安全隱患，及時(shí)處理，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行?？諝忸A(yù)冷系統(tǒng)是空分設(shè)備流程重要內(nèi)容，實(shí)際操作中需按照實(shí)際要求、設(shè)計(jì)條件等，考慮到性能及能耗，找到兩者平衡點(diǎn)，選擇科學(xué)的空氣預(yù)冷流程，保證空分設(shè)備的穩(wěn)定性。