安化公司8000空分裝置空氣預冷系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能技術

程建軍

(安陽化學工業(yè)集團有限責任公司，河南 安陽 455133)

安陽園區(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)提供氮氣和氧氣，該系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是各生產(chǎn)系統(tǒng)正常生產(chǎn)的重要保證，但是由于該裝置空氣預冷系統(tǒng)設計不合理及循環(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檢修，嚴重影響了安陽園區(qū)四個公司生產(chǎn)裝置的穩(wěn)定運行。

1 工藝流程

空氣首先經(jīng)過自潔式空氣過濾器除去其中的灰塵和其它顆粒雜質(zhì)，然后進入DA880-41型離心壓縮機，經(jīng)過4級壓縮、3次級間冷卻，最終進入空氣冷卻塔。空氣在進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，出分離器的空氣進入分子篩吸附器，空氣中的二氧化碳、碳氫化合物及殘留的水蒸氣被吸附。分子篩吸附器有兩臺，切換使用，一臺工作，另一臺再生。分子篩的切換周期為240 min，定時自動切換?？諝饨?jīng)凈化后，分為四部分：第一部分直接進入低壓主換熱器冷卻至-173 ℃后進入下塔；第二部分通過膨脹機增壓端壓縮、冷卻器冷卻再進入主換熱器被冷卻至-110 ℃，經(jīng)膨脹機膨脹降溫至-165 ℃進入上塔；第三部分作為自供儀表氣；第四部分作為低溫運行的膨脹機停運后復熱的升溫氣使用。在下塔空氣被初步分離成氮氣和富氧液空，在塔頂獲得99.995%的氮氣，進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)過冷器過冷后節(jié)流進入上塔頂部，作為上塔回流液。下塔釜液氧含量36%～40%的液體空氣，經(jīng)過冷器降溫，節(jié)流膨脹進入上塔中部參加精餾。以不同狀態(tài)的三股流體進入上塔經(jīng)再分離后，在上塔頂部得到純度99.999%左右的氮氣，經(jīng)過冷器、主換熱器復熱后出分餾塔，合格的氮氣出分餾塔后，部分經(jīng)氮氣壓縮機升壓至0.5 MPa送用戶管網(wǎng)使用，剩余部分去預冷系統(tǒng)的水冷卻塔復熱，復熱后放空。上塔底部的液氧在主冷中被下塔的氮氣加熱而蒸發(fā)，其中8 000 m3/h、純度為99.6%的氧氣，經(jīng)主換熱器復熱后出分餾塔，合格的氧氣經(jīng)過壓縮升壓至0.5 MPa后送至用戶使用；為保證主冷安全，另外從主冷引出100 m3/h液氧排放至液氧儲罐，以稀釋主冷碳氫化合物濃度。在上塔上部還有部分氧含量8%左右的污氮抽出，也經(jīng)主換熱器復熱引出分餾塔，出分餾塔的污氮氣部分送往HXK-41500/5.3型純化系統(tǒng)再生分子篩，剩余部分去水冷塔復熱，復熱后放空。

2 空分預冷系統(tǒng)存在的主要問題

改造前深冷制氧空分預冷系統(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)水池來的30 ℃多的循環(huán)水經(jīng)過水冷塔和冷凍機組降溫至10 ℃以下時，達到飽和狀態(tài)的CaCl2和MgSO4就會在冷凍機組換熱器、出口管線和空氣冷卻塔分布器等低溫處出現(xiàn)結晶，這些結晶體附著在管線和設備上，堵塞了冷凍水通道，而且結晶速度很快，發(fā)現(xiàn)和處理不及時就會造成8000空分系統(tǒng)停車，無法保證連續(xù)外供氧氣、氮氣。如果安陽園區(qū)8000空分停止氧氮氣供給，乙二醇、甲胺/DMF、合成氨、尿素、保險粉以及其他化工裝置也被迫停車，每次安陽園區(qū)的停車直接損失都超過800萬元，間接損失更大。為了解決上述問題，我們對8000空分裝置進行分析并做了系統(tǒng)改造。

3 原因分析

空分設備的進氣溫度取決于季節(jié)、氣候、安裝地點和進入空分設備之前對空氣的預冷程度?？諝忸A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)的返流污氮氣(或氮氣)，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入，由下向上穿過水冷卻塔的塔板和填料層，與向下噴淋的水進行傳熱和傳質(zhì)交換。由于污氮(或氮氣)是干氣，所以有一部分水蒸發(fā)形成水蒸氣進入污氮(或氮氣)中，水蒸發(fā)時吸收大量潛熱，同時高溫水與低溫污氮(氮氣)之間也進行熱交換，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，由空壓機來的壓縮空氣，進入空氣冷卻塔底部，由下向上穿過塔板和填料層。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(氮氣)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。溫度過低，系統(tǒng)會出現(xiàn)結晶、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)結晶問題，其工藝流程為：水冷塔→冷凍泵→冷凍機組→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氣進行傳質(zhì)和傳熱交換，在低溫污氮氣的顯熱和水蒸發(fā)進入污氮氣潛熱的共同作用下使冷凍水進行初步降溫，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)過冷凍泵升壓后進入冷凍機組再次降溫，冷水溫度要達到工藝指標要求，要求出冷水機組的冷水溫度在8 ℃左右，夏天溫度稍高，冬季溫度稍低，經(jīng)過兩次降溫的冷凍水進入空氣冷卻塔上段，與塔底部上來的熱空氣進行傳質(zhì)和傳熱交換，冷凍水進入空氣冷卻塔中部的液體回收裝置，經(jīng)過塔外液封槽，再進入水冷塔循環(huán)使用。低溫水的主要來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)開車時補充一次脫鹽水即可。冷凝產(chǎn)生的鈣鎂離子含量很低的水會通過溢流口自動進入空氣冷卻塔下段，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達到結晶濃度，所以空氣冷卻塔下部的冷卻水來自循環(huán)水泵出口，經(jīng)過空氣冷卻塔下部填料與熱空氣進行換熱后再返回循環(huán)水池降溫循環(huán)使用。

5 空分預冷系統(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，防止空氣冷卻塔上段低溫冷凍水系統(tǒng)中鈣鎂離子結垢堵塞設備和管道；作為氣體通道，使空氣冷卻塔下段高溫氣體能順利進入上段繼續(xù)冷卻；作為低鹽水溢流口，當上段低鹽水液位超過設定值時，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氣的冷量，經(jīng)冷凍水循環(huán)泵升壓，冷凍機組進一步降溫后再送空氣冷卻塔頂部循環(huán)使用，實現(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的經(jīng)過循環(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)的補水，保證了預冷系統(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冷系統(tǒng)結晶堵塞問題。

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

6 結論

項目實施后，經(jīng)過多年運行，每次停車檢查冷水機組蒸發(fā)器列管、冷凍水管線、空氣冷卻塔分布器均未出現(xiàn)結晶現(xiàn)象，改造達到了設計目標和效果，取得了巨大的經(jīng)濟效益：每年減少換熱器、管線等化學清洗費5萬元；由于從空氣冷卻塔上部出來的冷凍水溫度(15 ℃)低于循環(huán)水溫度(25 ℃)，冷凍機組電負荷下降50%左右，每年節(jié)約電費12萬元；由于本次改造解決鈣鎂離子在低溫下結晶造成的空氣冷卻塔分布器、冷凍機組換熱器堵塞問題，減少了空分裝置因預冷系統(tǒng)堵塞被迫停車次數(shù)，不僅保證了生產(chǎn)型企業(yè)的長周期穩(wěn)定運行，而且每年可減少停車損失800萬元以上。