空分預(yù)冷系統(tǒng)技改探索

陳祖賢

(云南大為制氨有限公司，云南 曲靖 65500)

云南大為制氨有限公司空分裝置，采用德國林德專利技術(shù)，裝置設(shè)計制氧能力為 51800 m3/h。開車后裝置運行穩(wěn)定，各種產(chǎn)品均達到設(shè)計能力。

因裝置建設(shè)初期沒有考慮到循環(huán)水濃縮倍率高時在低溫狀態(tài)下會產(chǎn)生CaCO3·5H2O和CaCO3·6H2O混合晶體的現(xiàn)象。CaCO3·5H2O和CaCO3·6H2O混合晶體附著在空冷塔上段填料及水分布器上，導(dǎo)致?lián)Q熱量效果降低，空冷塔出口空氣溫度比設(shè)計溫度高3～5 ℃，不能保證分子篩的正常運行從而導(dǎo)致裝置被迫停車[1-2]。針對這一問題最先將冷凍水的供給由原來的循環(huán)水改為一次水供給，改造后仍不能徹底解決冷凍水低溫結(jié)晶的現(xiàn)象。經(jīng)過與林德公司的多次溝通，決定將冷凍水由除鹽水供給，進行閉式循環(huán)，于2014年8月進行了改造，徹底解決了設(shè)備填料及水分布器低溫結(jié)晶的問題。運行3年多來，在運行過程中沒有出現(xiàn)冷凍水流量下降及填料結(jié)晶現(xiàn)象，分子篩入口溫度均能控制在設(shè)計溫度以內(nèi)(比設(shè)計溫度更低)，為裝置的長周期運行提供了保障。

1 原工藝流程簡述

壓縮后的空氣通過空冷塔(E2146) (兩段式)直接接觸洗滌并冷卻，冷卻水分兩段注入空冷塔。在較低段空氣由循環(huán)水泵(P2466A/B)加壓的循環(huán)水預(yù)冷，在較高段冷卻空氣的冷凍水來自氮水預(yù)冷塔[3-4](E2417)，并經(jīng)過氨冷器(E2422)進一步冷卻，冷卻水下降過程中同時也將空氣中的可溶性雜質(zhì)洗滌掉，見圖1。

圖1 原工藝流程簡圖

圖2 改造后工藝流程

一次水或循環(huán)水(CW)經(jīng)過氮水預(yù)冷塔冷卻后出口溫度在 14 ℃ 左右，再經(jīng)過氨冷器冷卻到 7 ℃ 左右由冷凍水泵(P2467A/B)加壓后加入到空冷塔頂部與空氣進行逆流換熱換熱后的冷凍水再加入到下段與循環(huán)水混合與高溫空氣進行換熱，通過塔底回到循環(huán)水回水系統(tǒng)，工藝參數(shù)見表1。

表1 預(yù)冷系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)

2 裝置存在問題以及原因分析

2.1 裝置存在問題

裝置在2007年試車時，預(yù)冷系統(tǒng)冷凍水采用循環(huán)水供給，但是由于循環(huán)水中含有大量雜質(zhì)(循環(huán)水池為敞開式)，導(dǎo)致裝置開車期間，進氮水預(yù)冷塔循環(huán)水過濾器頻繁堵塞，清洗過濾器期間，采用旁路進行補水，又導(dǎo)致氮水預(yù)冷塔水分布器出現(xiàn)堵塞，裝置被迫停車；由于循環(huán)水供給造成的問題無法得到很好解決，在2007年10月，在循環(huán)水補水的基礎(chǔ)上，引入一次水對氮水預(yù)冷塔進行補水，空分裝置預(yù)冷系統(tǒng)冷凍水也由循環(huán)水改為一次水供給，只有在一次水斷水情況下，循環(huán)水才用于對氮水預(yù)冷塔補水；但是由于使用一次水后，裝置預(yù)冷系統(tǒng)卻出現(xiàn)了低溫結(jié)垢的現(xiàn)象，在2007～2014年期間，裝置運行3個月后，空冷塔上段水分布器就因結(jié)垢逐漸堵塞，造成進空冷塔上段冷凍水流量逐漸降低，當裝置運行達6個月后，進空冷塔較高段冷凍水流量降至 65 m3/h，分子篩入口空氣溫度高達 15 ℃，超過分子篩設(shè)計溫度 12.5 ℃，裝置被迫停車進行清洗，同時由于結(jié)垢物質(zhì)附著，造成氨冷器、氮水預(yù)冷塔填料、空冷塔冷凍水段上部填料以及管道上嚴重結(jié)垢。停車拆開檢查發(fā)現(xiàn)有約 1 mm 結(jié)晶垢物附著在管道內(nèi)壁上，進空冷塔較高段冷凍水分布器水分布孔大部分堵塞，造成裝置的換熱效率嚴重下降，影響了整個公司的生產(chǎn)。

2.2 原因分析

根據(jù)現(xiàn)場運行工藝條件對成垢離子以及形成機理的分析，結(jié)垢物形成主要有以下幾個方面的原因：

2.1.1 循環(huán)水水質(zhì)影響

2.1.2 工藝過程影響

1)污氮的蒸發(fā)

經(jīng)加壓后的循環(huán)冷卻水由氮冷卻塔進入，均勻地布灑在填料層上，同時大量的低溫污氮由填料層下部進入，與之進行逆向?qū)α鳠峤粨Q，不但使循環(huán)水的溫度降低(CW溫度從 31 ℃ 降低至 13 ℃)，而且使得該循環(huán)水得到進一步的二次蒸發(fā)濃縮(該處CW濃縮倍數(shù)更高)，加劇了成垢物的沉積效應(yīng)。

2)低溫對結(jié)垢物的影響

該循環(huán)冷卻水首先經(jīng)氮/水冷卻塔后，水溫由 31 ℃ 降低至 13 ℃ 左右，然后經(jīng)過泵加壓進入氨冷器進一步冷卻，使水溫由 13 ℃ 降低至 6 ℃ 左右，最后進入空氣/水冷卻塔卡上部布水管。由工藝過程可知，氨冷器靠近出口端列管水側(cè)壁溫在0℃以下，這種條件很有可能使含有過飽和CaCO3晶核和微晶體的循環(huán)冷卻水快速析出CaCO3·5H2O和CaCO3·6H2O混合晶體[5]并附著在設(shè)備壁表面。同時，由于循環(huán)冷卻水還含有正常劑量的阻垢分散劑，能促使部分表層附著物脫落隨水流沉積于后面管道、上部補水孔，進一步加劇了低溫過飽和循環(huán)水沉積CaCO3·5H2O和CaCO3·6H2O的趨勢。

3 改造方案

3.1 改造思路

3.1.1 改回裝置原始設(shè)計時循環(huán)水供給做冷凍水

由于循環(huán)水水池在原始設(shè)計時，采用的不是全澆筑結(jié)構(gòu)，而是使用水泥沙子粉刷后外加防水層設(shè)計，因使用過程中防水層逐漸脫落，造成粉刷的水泥沙子墻皮脫落到循環(huán)水水池中，而對循環(huán)水水池防水層重新制作，時間以及條件上不具備，循環(huán)水水質(zhì)問題無法解決，因此將冷凍水改回為原循環(huán)水供給此方法無法實現(xiàn)。

3.1.2 一次水加入預(yù)防結(jié)垢藥品進行處理后，繼續(xù)使用一次水

若在一次水中加入預(yù)防結(jié)垢藥品進行處理，是否是可行？經(jīng)多方詢問，沒有廠家做過此類項目，而且即使加藥進行處理，也無法保證效果，同時考慮到加藥后若影響到進分子篩空氣，若出現(xiàn)帶水或分子篩中毒，那將嚴重影響裝置的安全，因此否定了該方法。

3.1.3 采用除鹽水進行循環(huán)，運行中少量補充

大為制氨有限公司除鹽水裝置所制除鹽水，外送指標為：pH值9.0～9.5，SiO2質(zhì)量濃度≤20 μg/L，電導(dǎo)率≤0.3 μs/cm；按照此指標外送的除鹽水，不存在結(jié)垢的可能性，因此改用除鹽水作為冷凍水是可行的。但是因為除鹽水制造成本約在3.8元/m3，而空分裝置設(shè)計冷凍水量為 120 m3/h，從原工藝流程簡圖可知，頂部冷凍水經(jīng)較高段填料換熱后，與中下部循環(huán)水匯聚后在下段填料繼續(xù)換熱后，回到循環(huán)水回水管網(wǎng)，若采用除鹽水，使用的除鹽水直接排入循環(huán)水回水管網(wǎng)，那由此帶來的成本將非常巨大。經(jīng)過考慮，決定將使用的除鹽水進行循環(huán)利用，在上段填料底部與中下部循環(huán)水分布器之間加裝集液槽；因氮水預(yù)冷塔塔內(nèi)壓力非常小(精餾塔頂部 45 kPa 氣體減壓后進入)，而空冷塔塔內(nèi)正常壓力為500～530 kPa，且空冷塔中下部循環(huán)水分布器高度高于氮水預(yù)冷塔，可以直接利用空冷塔的壓力以及高度差將水送至氮水預(yù)冷塔水分布器進行循環(huán)，并在集液槽至氮水預(yù)冷塔管道上增加排污閥用于保證水質(zhì)的穩(wěn)定性(因在空冷塔下段換熱后空氣進入下段換熱，換熱后空氣溫度降低，空氣中的部分水析出，需排放以保持水質(zhì)，同時除鹽水及時補充)；因下段段冷凍水被循環(huán)利用，較上段水量減少約 120 m3/h，因此在下段循環(huán)水泵調(diào)節(jié)閥后，增加一次水用于補充下段冷凍水循環(huán)利用后的冷量損失[5-7]。

3.2 改造方案

壓縮后的空氣通過空冷塔直接接觸洗滌并冷卻，冷卻水分兩段注入冷卻塔。在較低段空氣由循環(huán)水與一次水混合后進行預(yù)冷；在空冷塔較高段，冷卻空氣的冷凍水來自氮水預(yù)冷塔，并經(jīng)過氨冷器進一步冷卻后，進入空冷塔再次冷卻，冷卻下來的冷凍水一部分經(jīng)排污閥排放保持水質(zhì)，另一部分進行循環(huán)利用回至氮水預(yù)冷塔；在空冷塔下段，循環(huán)水與一次水混合液進行預(yù)冷卻，冷卻水下降過程中同時也將空氣中的可溶性雜質(zhì)洗滌掉。上段循環(huán)利用的除鹽水經(jīng)過氮水預(yù)冷塔冷卻后出口溫度在16～18 ℃，再經(jīng)過氨冷器后進入空冷卻塔水溫度在6～7 ℃。

4 改造的實施

在原來空冷塔的基礎(chǔ)上對空冷塔進行局部改造，同時對進出空冷塔上部的工藝管道進行相應(yīng)的改造，從而達到空冷塔上段冷卻水循環(huán)使用。

在空冷塔下段填料與上段填料之間增加一段1.5～2 m 的高度；在所增加的高度范圍內(nèi)新增上段積液槽；在積液槽中部計算后新增4個氣體分布器；將上段冷凍水收集至積液槽后重新配管引到氮水預(yù)冷塔；新增一次水補充至空冷塔下段以保證換熱水量，同時在新增一次水管上加裝一臺管道泵，保證進入下段一次水流量穩(wěn)定；從界區(qū)內(nèi)除鹽水管引一路除鹽水補充至氮水預(yù)冷塔以保證冷凍水水質(zhì)穩(wěn)定。

5 改造后運行效果

5.1 水質(zhì)得以保證，有效防止了低溫結(jié)晶

經(jīng)過改造后的預(yù)冷系統(tǒng)，用于循環(huán)利用的除鹽水水質(zhì)經(jīng)分析為：總硬度 75 mg/L，鈣離子(Ca2+)質(zhì)量濃度 45 mg/L，pH值8.5；每小時補充除鹽水 5 m3，較使用一次水，鈣離子(Ca2+)濃度下降為原來的30% 。在2015年4月裝置檢修期間，對預(yù)冷系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備管道拆開檢查，與2014年8月改造后情況進行了對比(在2014年改造過程中，已對結(jié)垢管道進行了徹底清洗)，冷凍水管道、氨冷器、冷凍水段分布器、氮水預(yù)冷塔、空冷塔均無結(jié)垢現(xiàn)象，且停車前冷凍水流量為 120 m3/h，冷凍水流量以及冷凍水流量控制閥閥門開度與2014年8月改造結(jié)束后裝置開車運行正常后冷凍水流量以及冷凍水流量控制閥閥門開度保持不變；與裝置未改造前對比，未改造前裝置運行3個月后冷凍水流量逐漸下降，6個月后冷凍水流量由 120 m3/h 下降為 65 m3/h 造成裝置被迫停車，且管道內(nèi)壁上出現(xiàn) 1 mm 結(jié)垢現(xiàn)象；而改造后裝置運行時間達8個月，運行參數(shù)與8個月前裝置改造后正常運行時參數(shù)對比未發(fā)生變化，有效的防止了低溫結(jié)垢問題。

5.2 分子篩入口空氣溫度控制在設(shè)計指標范圍內(nèi)，有效保護了分子篩的安全運行

空分分子篩的作用是將空氣中的各種雜質(zhì)進行吸附，如水蒸汽、二氧化碳、一氧化二氮和潛在有害的碳氫化合物，吸附完全后再進行解析重復(fù)使用，在壓力一定時，空氣中的水含量隨著空氣溫度的升高而逐漸增多，而水含量的增多將會嚴重影響分子篩的吸附能力，造成分子篩的吸附能力下降，給裝置的安全生產(chǎn)帶來嚴重威脅。

經(jīng)過改造后的預(yù)冷系統(tǒng)，進分子篩入口空氣溫度有效的控制在了9～12 ℃，低于設(shè)計溫度 12.5 ℃，保證了分子篩的正常運行。

改造后空分裝置的運行時間得到了延長，經(jīng)過統(tǒng)計2015～2018年平均空分裝置的運行時間為8150小時，未出現(xiàn)因預(yù)冷系統(tǒng)低溫結(jié)晶情況導(dǎo)致的停車，為氨合成裝置長周期運行提供了保障。

6 經(jīng)濟效益

1)經(jīng)過改造后的預(yù)冷系統(tǒng)，每小時補除鹽水 5 m3，按裝置全年運行330天計算，需補充除鹽水量為：330×24×5=39600 m3，其中除鹽水生產(chǎn)成本為3.8元/m3，則全年裝置補充除鹽水耗費總成本為：39600×3.8=15.048萬元；而裝置未改造前，每年需停車兩次，按最快速度計算，每次停車后空分裝置開車8小時，空分開車后氣化裝置開車直至裝置產(chǎn)液氨需16小時，共計1天，空分運行成本需40萬元/天(全公司電耗以及鍋爐消耗燃料煤合計)，氣化開車期間需消耗燃料煤450噸，每噸燃料煤成本價按600元計算，則需成本為450×600=27萬元，則停車一次需：27+40=67萬元，每年停車兩次，則需耗費67×2=134萬元，扣除每年除鹽水耗費成本，全年可產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益：134-15.048=118.952萬元。

2)改造前，每年空分裝置停車兩次，每次停車空分裝置檢修需0.5天，空分裝置開車至最終產(chǎn)出液氨產(chǎn)品需1天，兩次停車共計需3天，而裝置停車期間每天會產(chǎn)生大量的設(shè)備折舊費用以及財務(wù)費用，造成公司大量的間接經(jīng)濟損失；同時未改造前，當冷凍水流量下降后，分子篩入口空氣溫度高于設(shè)計進氣溫度，將會造成分子篩老化，吸附能力下降，降低分子篩的使用壽命，且因進氣溫度高于設(shè)計溫度，給裝置運行帶來巨大安全隱患，裝置被迫降低負荷運行，致使裝置無法高負荷生產(chǎn)，減少液氨產(chǎn)量，間接降低了公司的經(jīng)濟效益。