空分循環(huán)水低溫鹽析出的原因與應(yīng)對措施

郭 劍， 段志棟

(山西中煤平朔能源化工有限公司，山西 朔州 036000)

空分系統(tǒng)是煤化工項(xiàng)目的主要裝置，其良好運(yùn)行對鍋爐、氨合成、氨加工系統(tǒng)有至關(guān)重要的作用。循環(huán)冷卻水負(fù)責(zé)對空氣洗滌、汽輪機(jī)附屬設(shè)備等進(jìn)行冷卻。山西中煤平朔能源化工有限公司(以下簡稱能化公司)建設(shè)規(guī)模為30×104t/a的合成氨裝置、2套18×104t/a的硝酸裝置、2套20×104t/a的硝酸銨裝置，2015年底開始試車，2016年11月空分系統(tǒng)冷凍水換熱器運(yùn)行效果差，出口水溫偏高。2017年1月裝置停車，發(fā)現(xiàn)低溫循環(huán)冷卻水［1］冷水機(jī)組換熱器進(jìn)出口管道鹽析出。

1 裝置介紹

能化公司共有4套循環(huán)水冷卻水裝置，其中空分循環(huán)水負(fù)責(zé)獨(dú)立給空分裝置提供水質(zhì)、水量合格的循環(huán)冷卻水。

1.1 空分循環(huán)冷卻水裝置

1.1.1 裝置流程

空分循環(huán)水裝置正常給水能力為13 060 m3/h，最大為14 592 m3/h。如圖1所示，循環(huán)水泵將小于32℃的循環(huán)冷卻水加壓后輸送至循環(huán)水給水總管，經(jīng)地下供水管網(wǎng)供給空分裝置，冷卻各工藝介質(zhì)后水溫上升，然后匯入空分循環(huán)水回水總管，返回至冷卻塔。通過冷卻塔風(fēng)機(jī)和淋水填料作用，水溫降至≤32℃，冷卻的循環(huán)水再進(jìn)入塔池被循環(huán)使用。大約有5%的回水進(jìn)入旁濾器，過濾后的水直接進(jìn)入塔池。其中一部分水從回水總管的排污處作為污水排放，通過管道流入空分、凈化、合成排污水收集池，由外排污水泵送往中水回用水池，因系統(tǒng)蒸發(fā)、排污、風(fēng)吹和滲漏損失掉的水由補(bǔ)充水管線提供。硫酸和加藥系統(tǒng)通過計(jì)量泵分別完成循環(huán)水硫酸、緩蝕阻垢劑的添加。投加二氧化氯殺菌劑、專用殺菌剝離劑、非氧化型殺菌滅藻劑，以控制微生物的繁殖，確保水質(zhì)合格。補(bǔ)充水來自原水和中水回用管線。

圖1 空分循環(huán)冷卻水工作示意Fig．1 Diagram of circulating cooling water in air separation

1.1.2 主要構(gòu)筑物與設(shè)備

空分循環(huán)冷卻水裝置采用3座SHN－5000型鋼砼逆流式冷卻塔，單塔冷卻能力為5 000 m3/h，風(fēng)機(jī)直徑為Φ9 140 mm，配套電機(jī)N=185 kW。設(shè)置加藥溶液箱1個:V=1．0 m3，材質(zhì)PVC;GM0050計(jì)量泵2臺;Y型過濾器1個:DN15，UPVC;循環(huán)水泵4 臺:Q=2 650 －3 818．8 －4 780 m3/h，H=60．2 －50．2－37 m，N=1 000 kW，3用1備;監(jiān)測換熱器裝置1套，二氧化氯發(fā)生2臺。淺層砂過濾器18臺:9臺1組，Ф1 200，材質(zhì) Q235;氣動蝶閥2臺 DN250，氣動兩位三通閥18個(DN100)，DN200和DN250手動蝶閥各 2 臺，濾料(Φ0．3～0．5 mm)共 12．6 m3。塔下水池1 座:54．0 m ×22．0 m ×2．2 m，容積為2 613．6 m3;泵吸水池 1 座:35．0 m ×6．0 m ×6．35 m，容積為 1 333．5 m3。

1.2 空分預(yù)冷系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由空氣冷卻塔、水冷塔、冷卻水泵、冷凍水泵、冷水機(jī)組、冷卻水過濾器、管道、閥門、監(jiān)測儀表等附屬設(shè)備組成。

來自壓縮機(jī)的空氣被送入空氣冷卻塔下部，自下而上穿過填料層，被從上往下的冷卻水冷卻，同時洗滌部分 NOx、SO2、Cl－等有害雜質(zhì)，最后穿越頂部的絲網(wǎng)除霧器，進(jìn)入分子篩純化系統(tǒng)，空冷塔出口空氣溫度約為8℃。進(jìn)入空冷塔的水分為2段:下段為來自空分循環(huán)水系統(tǒng)的冷卻水，一部分作為水冷塔補(bǔ)水，一部分經(jīng)冷卻水泵加壓進(jìn)入空冷塔中部后自上而下洗滌冷卻壓縮空氣;上段為來自水冷塔的冷凍水，由冷凍水泵加壓后，送入空氣冷卻塔頂部，自上而下冷卻壓縮空氣，換熱后的水從底部排入空分循環(huán)水回水系統(tǒng)。

1.2.1 空分空冷塔

主要作用是對壓縮空氣進(jìn)行洗滌和冷卻，設(shè)空氣冷卻塔1座，規(guī)格Ф3 800×16 mm，H=26．412 m，設(shè)計(jì)溫度為150℃，壓力為0．6 MPa，質(zhì)量為70 438 kg，材質(zhì)為Q345R，Ⅰ類壓力容器。冷卻水泵2臺:IS單級單吸離心式，H=55 m，Q=400 m3/h，軸/葉輪材質(zhì)不銹鋼。冷卻水過濾器2臺:Ф480×1 035 mm，設(shè)計(jì)溫度為60℃，壓力為1．0 MPa。

1.2.2 水冷塔

利用污氮的氣化潛熱降低冷凍水溫度，使低溫水更利于在空冷塔中對空氣的冷卻。設(shè)水冷塔1座，規(guī)格 Ф2 800 ×10 mm，H=12．515 m，設(shè)計(jì)溫度為100 ℃，壓力為0．03 MPa，質(zhì)量為18 000 kg，材質(zhì)為Q345R，常壓容器。冷凍水泵2臺:IS單級單吸離心式，H=105 m，Q=100 m3/h，軸/葉輪材質(zhì)不銹鋼。冷凍水過濾器3臺:Ф330×560 mm，設(shè)計(jì)溫度為50℃，壓力為1．0 MPa。冷水機(jī)組1套，制冷量為180 ×104cal。

2 裝置調(diào)試與運(yùn)行情況

2.1 空分循環(huán)冷卻水裝置

空分循環(huán)水裝置于2015年10月14日進(jìn)入試車階段，隨后3臺循環(huán)水泵、3臺冷卻塔、旁濾系統(tǒng)陸續(xù)投入運(yùn)行，2016年3月9日冷卻塔、加藥裝置、殺菌裝置、硫酸裝置已全部投入運(yùn)行，管道預(yù)膜未完成。

2015年6月旁濾器濾料安裝完成，10月依次完成循環(huán)水管道檢查、管道清理、檢修人孔封閉以及空分循環(huán)水泵05－P101C單試。2016年2月2日，循環(huán)水站空分循環(huán)水泵04－P101C啟動，在管道沖洗時發(fā)現(xiàn)給水檢查人孔漏水后進(jìn)行人孔蓋板緊固，沖洗合格后由于極度低溫天氣繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。3月3日停止運(yùn)轉(zhuǎn)，空分工段進(jìn)行拆除管道沖洗跨接。3月9日空分循環(huán)水投運(yùn)，3月30日開始投加阻垢劑、緩蝕劑各8桶，日常投加1桶。4月空分循環(huán)水系統(tǒng)投運(yùn)3臺循環(huán)水泵，循環(huán)水量為14 600 m3/h達(dá)到設(shè)計(jì)值。7月13日開始預(yù)膜，8月完成循環(huán)水預(yù)膜，預(yù)膜經(jīng)除油剝離、化學(xué)清洗、預(yù)膜3個階段。8月中旬，空分循環(huán)水開車正常。

2.2 空分預(yù)冷系統(tǒng)

2016年2月2日，空分預(yù)冷系統(tǒng)循環(huán)水管線開始沖洗，3月23日管道沖洗結(jié)束。4月26日，預(yù)冷系統(tǒng)開車，調(diào)試空氣冷卻塔、水冷塔及附屬設(shè)備的控制儀表正常，緩慢增加空壓機(jī)出口空氣壓力，并導(dǎo)入空氣冷卻塔中，待空氣壓力 ＜0．53 MPa(G)并穩(wěn)定時，啟動冷卻水泵、冷凍水泵、投運(yùn)冷凍機(jī)組，水冷塔及空冷塔投運(yùn)正常，系統(tǒng)介質(zhì)及設(shè)定參數(shù)見表1。

表1 空氣預(yù)冷系統(tǒng)介質(zhì)Tab．1 Medium of air precooling system

3 存在的問題

2016年12月，空分預(yù)冷系統(tǒng)水冷機(jī)組出水量持續(xù)下降，由90 m3/h降至70 m3/h，出空氣冷卻塔空氣溫度上升至13℃(設(shè)計(jì)溫度為8℃)，冷凍水泵出口壓力增大。由于空氣溫度升高，出低壓板換的污氮溫度升高至15℃，污氮與水冷塔循環(huán)水換熱能力下降，出水冷塔循環(huán)水溫度升高，嚴(yán)重影響空分后續(xù)系統(tǒng)運(yùn)行。2017年1月6日(階段A)，打開空分冷凍水換熱器出水口發(fā)現(xiàn)結(jié)晶物，化學(xué)清洗冷凍水換熱器系統(tǒng);2月空分系統(tǒng)開車，冷凍水流量及出空氣冷卻塔空氣溫度趨于正常。2017年3—8月，情況再次出現(xiàn)，8月空分停車。8月16日(階段B)，空分冷凍水換熱器出水口再次出現(xiàn)結(jié)晶物，化學(xué)清洗冷凍水換熱器系統(tǒng)，在水冷塔入口循環(huán)水管線接入脫鹽水(軟化水)，降低入水冷塔循環(huán)水中鹽含量。

4 原因與措施

4.1 階段A

2017年1月6日，空分冷凍水換熱器出水口出現(xiàn)析出物，對結(jié)晶物取樣分析，結(jié)果表明組分及含量為鈣36%、磷酸鹽35%、其它雜質(zhì)20%、水分9%。確定為循環(huán)冷卻水中碳酸鹽［2］及部分藥劑在低溫條件下的析出。請專業(yè)的清洗公司對冷凍水換熱器系統(tǒng)進(jìn)行了化學(xué)清洗。

冷凍水換熱器出口析出物的主要組分為氧化鈣和磷酸鹽，分別占36%和35%，其他雜質(zhì)占20%，水分占9%。從表觀看出析出物較松軟，灰白顏色。

分析低溫成垢原因，溫度20℃左右的水冷塔出水經(jīng)泵加壓后，進(jìn)入冷水機(jī)組與冷凍劑進(jìn)行熱交換，出冷水機(jī)組的冷凍水溫度下降7℃。低溫條件下水中鹽類的溶解度降低，鹽在冷水機(jī)組換熱器入口和內(nèi)部及出口管道析出，堵塞管道及換熱器，使進(jìn)入空冷塔上部的冷凍水量下降。

2017年1月10日，現(xiàn)場制作化學(xué)清洗管路，對冷凍水換熱器及出口管道進(jìn)行酸洗，循環(huán)清洗6 h，空分循環(huán)水濃縮倍率由3．5降至2．5。2017年2月，空分系統(tǒng)開車，空分預(yù)冷系統(tǒng)冷水機(jī)組未出現(xiàn)低溫水垢?？辗盅h(huán)水循環(huán)量為14 500 m3/h，濃縮倍數(shù)降至2．5，循環(huán)水給回水溫差為5．5℃，補(bǔ)水量較濃縮倍數(shù)為3．5時增加81 m3/h，調(diào)整循環(huán)水加藥量見表2。

表2 空分循環(huán)水補(bǔ)充水量(階段A)Tab．2 Replenishment of circulating cooling water in air separation(Stage A)

4.2 階段B

2017年3月以后，空分空氣預(yù)冷系統(tǒng)冷凍水換熱器出現(xiàn)低溫析出物現(xiàn)象，5—6月出空冷塔空氣溫度上升趨勢，由9℃上升至13℃。8月16日空分系統(tǒng)停車，對結(jié)晶物的取樣分析結(jié)果表明各組分含量為鈣45%、磷酸鹽20%、其它雜質(zhì)23%、水分12%。結(jié)晶物質(zhì)地較硬，淺灰白色，是循環(huán)冷卻水中碳酸鹽及少量藥劑在低溫條件下的析出。請專業(yè)清洗公司對冷凍水換熱器系統(tǒng)進(jìn)行了化學(xué)清洗。在水冷塔循環(huán)水進(jìn)水管接DN50脫鹽水作為冷凍水補(bǔ)水一部分，2017年9月空分系統(tǒng)開車至今，未出現(xiàn)低溫析出物影響系統(tǒng)運(yùn)行情況。隨后空分循環(huán)水系統(tǒng)逐步提高濃縮倍數(shù)，減少原水補(bǔ)充水量。2017年8月調(diào)整循環(huán)水藥劑加藥配方。

5 結(jié)語

① 通過調(diào)整循環(huán)水藥劑，采取補(bǔ)入少量脫鹽水，降低低溫水鹽含量，空分循環(huán)水用戶空氣預(yù)冷系統(tǒng)，2017年9月以來，冷凍水裝置未出現(xiàn)大量的低溫析出物，空冷塔阻力正常，出塔空氣溫度為9℃，冷凍水進(jìn)空冷塔流量為90 m3/h，冷凍水進(jìn)空冷塔溫度為7℃，保證了空氣預(yù)冷系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

② 空分冷凍水換熱器及管道出現(xiàn)低溫析出物，階段A(2017年2月至8月16日)空分循環(huán)水濃縮倍數(shù)為2．5，補(bǔ)水量為186 m3/h;階段B(2017年8月16日后)空分循環(huán)水濃縮倍數(shù)為3．5，補(bǔ)水量為105 m3/h。經(jīng)過調(diào)整，2017年9月以后循環(huán)水補(bǔ)充水量減少81 m3/h，補(bǔ)入脫鹽水5 m3/h，每小時節(jié)約原水消耗322．38元，增加脫鹽水消耗83．05元。

③ 在空分水冷塔補(bǔ)入脫鹽水，較降低空分循環(huán)水濃縮倍數(shù)抑制低溫垢的形成，措施合理經(jīng)濟(jì)，效果好，每小時可節(jié)約補(bǔ)水費(fèi)用239．33元，避免了由于冷凍水低溫鹽析出造成空分裝置停運(yùn)，全廠系統(tǒng)停車的事故?？蔀槠渌辗诸A(yù)冷系統(tǒng)減緩冷凍水低溫垢的形成提供參考。

④ 對于空分循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，應(yīng)以環(huán)保節(jié)能為主導(dǎo)，需不斷完善工藝及水質(zhì)藥劑配方等調(diào)整措施，研究總結(jié)循環(huán)冷卻水水質(zhì)控制方法，確保冷卻水水質(zhì)達(dá)到《工業(yè)循環(huán)冷卻水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 50050—2017)要求，保證空分裝置各換熱器安全穩(wěn)定運(yùn)行。