安化公司8000空分装置空气预冷系统优化节能技术

程建军

(安阳化学工业集团有限责任公司，河南 安阳 455133)

安阳园区8000空分装置为安化公司、九天公司、永金公司、九久公司各生产系统提供氮气和氧气，该系统的稳定运行是各生产系统正常生产的重要保证，但是由于该装置空气预冷系统设计不合理及循环水系统管理不到位，8000空分装置多次因冷冻机组换热器、冷水管线和空气冷却塔分布器堵塞造成该装置停车检修，严重影响了安阳园区四个公司生产装置的稳定运行。

1 工艺流程

空气首先经过自洁式空气过滤器除去其中的灰尘和其它颗粒杂质，然后进入DA880-41型离心压缩机，经过4级压缩、3次级间冷却，最终进入空气冷却塔。空气在进入分子筛吸附器前在空气冷却塔中被冷却(8～10 ℃)，并在水分离器中分离出游离水，尽可能降低空气温度，降低空气中水含量，出分离器的空气进入分子筛吸附器，空气中的二氧化碳、碳氢化合物及残留的水蒸气被吸附。分子筛吸附器有两台，切换使用，一台工作，另一台再生。分子筛的切换周期为240 min，定时自动切换。空气经净化后，分为四部分：第一部分直接进入低压主换热器冷却至-173 ℃后进入下塔；第二部分通过膨胀机增压端压缩、冷却器冷却再进入主换热器被冷却至-110 ℃，经膨胀机膨胀降温至-165 ℃进入上塔；第三部分作为自供仪表气；第四部分作为低温运行的膨胀机停运后复热的升温气使用。在下塔空气被初步分离成氮气和富氧液空，在塔顶获得99.995%的氮气，进入主冷与液氧换热冷凝成液氮，部分液氮回下塔作为下塔的回流液。另一部分液氮，经过冷器过冷后节流进入上塔顶部，作为上塔回流液。下塔釜液氧含量36%～40%的液体空气，经过冷器降温，节流膨胀进入上塔中部参加精馏。以不同状态的三股流体进入上塔经再分离后，在上塔顶部得到纯度99.999%左右的氮气，经过冷器、主换热器复热后出分馏塔，合格的氮气出分馏塔后，部分经氮气压缩机升压至0.5 MPa送用户管网使用，剩余部分去预冷系统的水冷却塔复热，复热后放空。上塔底部的液氧在主冷中被下塔的氮气加热而蒸发，其中8 000 m3/h、纯度为99.6%的氧气，经主换热器复热后出分馏塔，合格的氧气经过压缩升压至0.5 MPa后送至用户使用；为保证主冷安全，另外从主冷引出100 m3/h液氧排放至液氧储罐，以稀释主冷碳氢化合物浓度。在上塔上部还有部分氧含量8%左右的污氮抽出，也经主换热器复热引出分馏塔，出分馏塔的污氮气部分送往HXK-41500/5.3型纯化系统再生分子筛，剩余部分去水冷塔复热，复热后放空。

2 空分预冷系统存在的主要问题

改造前深冷制氧空分预冷系统的流程为：循环水池→循环水泵→水冷塔→冷冻泵→冷冻机组→空气冷却塔→循环水池。由于冷冻水为普通循环水，冷冻水系统含有一定量的钙、镁离子，钙、镁离子的溶解度随水温的降低而降低，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 ℃溶解度为44.5 g)，因此从循环水池来的30 ℃多的循环水经过水冷塔和冷冻机组降温至10 ℃以下时，达到饱和状态的CaCl2和MgSO4就会在冷冻机组换热器、出口管线和空气冷却塔分布器等低温处出现结晶，这些结晶体附着在管线和设备上，堵塞了冷冻水通道，而且结晶速度很快，发现和处理不及时就会造成8000空分系统停车，无法保证连续外供氧气、氮气。如果安阳园区8000空分停止氧氮气供给，乙二醇、甲胺/DMF、合成氨、尿素、保险粉以及其他化工装置也被迫停车，每次安阳园区的停车直接损失都超过800万元，间接损失更大。为了解决上述问题，我们对8000空分装置进行分析并做了系统改造。

3 原因分析

空分设备的进气温度取决于季节、气候、安装地点和进入空分设备之前对空气的预冷程度。空气预冷系统由空气冷却塔、水冷却塔、水泵三部分组成。由冷箱内的返流污氮气(或氮气)，除满足分子筛纯化再生所需要的一部分外，其余均从水冷却塔下部进入，由下向上穿过水冷却塔的塔板和填料层，与向下喷淋的水进行传热和传质交换。由于污氮(或氮气)是干气，所以有一部分水蒸发形成水蒸气进入污氮(或氮气)中，水蒸发时吸收大量潜热，同时高温水与低温污氮(氮气)之间也进行热交换，使循环水得到冷却。被冷却的水由水泵压送到空气冷却塔的顶部。水泵所需要的压头作用：①克服空气冷却塔与水冷塔之间的压差；②克服水冷却塔底部到空气冷却塔顶部所需要的位差；③克服水冷却塔底部到空气冷却塔顶部冷冻水管线阻力。

在空气冷却塔中，由空压机来的压缩空气，进入空气冷却塔底部，由下向上穿过塔板和填料层。在这里从塔底部向上的高温压缩空气与塔顶部喷淋而下的低温冷却水进行热质交换，空气温度降低，空气中的水分含量减少。水蒸气凝结成水后加入冷却水中。所以在空气冷却塔中，空气从下到上，温度降低，含水量减少；冷冻水从上到下，温度升高，水量增加。在水冷塔中，污氮(氮气)从下到上，温度升高，含水量增大；水从上到下温度降低，水量减少。温度过低，系统会出现结晶、堵塞管线现象。

4 解决思路

将空气冷却塔分成低温部分和高温部分，空气冷却塔上段采用钙镁离子含量很低的低温冷冻水给空气降温，解决低温情况下钙镁离子在冷冻机组换热器、出口管线和空气冷却塔分布器等低温处出现结晶问题，其工艺流程为：水冷塔→冷冻泵→冷冻机组→空气冷却塔上段→收集器→水冷塔。下段采用普通循环水给空气降温，其工艺流程为：循环水池→循环水泵→空气冷却塔下段→循环水池。低温冷冻水系统在水冷塔与低温的干燥污氮气进行传质和传热交换，在低温污氮气的显热和水蒸发进入污氮气潜热的共同作用下使冷冻水进行初步降温，根据季节和气温情况，降温幅度一般在10 ℃左右，夏季降温幅度较大，冬季降温幅度较小，冷冻水经过冷冻泵升压后进入冷冻机组再次降温，冷水温度要达到工艺指标要求，要求出冷水机组的冷水温度在8 ℃左右，夏天温度稍高，冬季温度稍低，经过两次降温的冷冻水进入空气冷却塔上段，与塔底部上来的热空气进行传质和传热交换，冷冻水进入空气冷却塔中部的液体回收装置，经过塔外液封槽，再进入水冷塔循环使用。低温水的主要来源是空气冷却塔下部高温空气夹带的循环水蒸气冷凝产生的，冷冻水只需要在系统开车时补充一次脱盐水即可。冷凝产生的钙镁离子含量很低的水会通过溢流口自动进入空气冷却塔下段，返回循环水系统。空气冷却塔下段采用普通循环水给空气降温，由于下段空气温度很高，普通循环水中的钙镁离子浓度不会达到结晶浓度，所以空气冷却塔下部的冷却水来自循环水泵出口，经过空气冷却塔下部填料与热空气进行换热后再返回循环水池降温循环使用。

5 空分预冷系统具体改造方案

①空气冷却塔中部增加气水分离装置，主要作用：作为低盐水收集装置，将空气冷却塔上段低盐水与下段循环水分开，防止空气冷却塔上段低温冷冻水系统中钙镁离子结垢堵塞设备和管道；作为气体通道，使空气冷却塔下段高温气体能顺利进入上段继续冷却；作为低盐水溢流口，当上段低盐水液位超过设定值时，多余的低盐水能溢流到空气冷却塔下段循环水中。

②空气冷却塔外部增加一个防止串气的水封槽，利用压差将换热后的冷冻水引至水冷塔回收污氮气的冷量，经冷冻水循环泵升压，冷冻机组进一步降温后再送空气冷却塔顶部循环使用，实现脱盐水闭路循环。

③不同温度下水的饱和蒸汽压不同，从空气冷却塔下部来的经过循环水洗涤的高温气体在空气冷却塔上部被低盐水降温，其中部分水蒸气冷凝作为低盐水系统的补水，保证了预冷系统冷冻水的水质，解决了冷冻水中钙镁离子含量升高造成的预冷系统结晶堵塞问题。

④空气冷却塔下部高温气体仍采用循环水降温，降低了冷冻机组的负荷和能耗。

6 结论

项目实施后，经过多年运行，每次停车检查冷水机组蒸发器列管、冷冻水管线、空气冷却塔分布器均未出现结晶现象，改造达到了设计目标和效果，取得了巨大的经济效益：每年减少换热器、管线等化学清洗费5万元；由于从空气冷却塔上部出来的冷冻水温度(15 ℃)低于循环水温度(25 ℃)，冷冻机组电负荷下降50%左右，每年节约电费12万元；由于本次改造解决钙镁离子在低温下结晶造成的空气冷却塔分布器、冷冻机组换热器堵塞问题，减少了空分装置因预冷系统堵塞被迫停车次数，不仅保证了生产型企业的长周期稳定运行，而且每年可减少停车损失800万元以上。