空分预冷系统循环水的改造探讨

王文冠 席崔扣

（陕煤集团榆林化学有限责任公司 陕西榆林 719303）

空分预冷系统中，使用常温水时，用水量相对较大，在短期运行条件下，管道及装置结垢堵、塞问题并不明显，经过长期运行后，会出现结垢、堵塞，严重时需要停机处理。与之相比，冷冻水虽然用水量不大，可是结垢、堵塞问题的发生频率比较高，而且，在冷却不到位的情况下，会对纯化系统造成一定的影响。因此，在实际使用空分设备时，需要对循环水系统进行相应的改造升级。下面，先对空分预冷系统做出说明。

1 空分预冷系统概述

空分设备包括若干系统，以“自洁过滤器—压缩系统—预冷系统—纯化系统—膨胀系统—换热系统—精馏系统—压缩输出系统”为主。其中，空分预冷系统处于压缩系统与分子筛纯化系统（或分子筛吸附系统）之间，从构成要素看，该系统包括仪表电控系统、阀门管线、冷冻水泵、冷却水泵、水冷塔、空冷塔等；从功能看，主用于洗涤容易造成分子筛中毒的易溶于水的化合物，并实现对压缩空气的降温、洗涤处理；从工作流程看，空气通过自洁式过滤器的初步净化，经过空气压缩机压缩后，送入预冷系统中的空冷塔装置，完成降温后，去立式分子筛系统进一步净化［1］。

2 空分预冷系统循环水问题分析

空分预冷系统中的空冷塔冷源主要来自循环冷却水、冷冻水。其中，补水系统的常温水通过空冷塔冷却可以变成循环冷却水（也就是常说的回水，可以循环使用）。冷冻水是由水冷塔对空冷塔回水进行再冷却而来，在冷却过程中，主要需要来自冷箱板式换热复热后的污氮气、氮气参与，通过“汽化潜热”，对循环水进行冷却［2］。在冷冻水使用前，需要在水冷塔底部完成对冷冻水的集中收集，然后，借助冷冻水泵将其打到空冷塔上段，进而实现对压缩空气的降温及洗涤处理。从实践经验看，多数空分预冷系统中均用循环水经水冷塔冷却后进入空冷塔上层，达到节水降耗的目标。

2.1 常温水结垢问题

在应用空分预冷系统时，循环水中主要是对常温水进行“一水多用”，因此，从补水与用水的角度看，常温水的用量实际上比较大。但是，在应用过程中，常温水主要通过管道进行补给与使用，常温水主要以河水、井水、市政自来水为主，此时，水质中会含钙、镁离子，也会受到酸碱度、硬度、浑浊度，以及含油量、含铁量、有机物等影响。所以，在水质符合标准要求的情况下，短期内不会造成管道与各类设备的结垢、堵塞等现象。可是，随着循环水系统应用周期的延长，则不可避免地会产生结垢、堵塞问题。

以常温水被冷却后的低温结垢现象为例，当pH达到8.8的情况时，10.0%以上的冷却水中的碳酸氢离子会变成碳酸根离子，而且，当其含量大于5.0mg／L 的水质硬度控制标准时，水中会出现化合反应并生成沉淀物碳酸钙［3］。另外，循环水在空冷塔中和压缩空气换热，循环水温度会相对较高（碳酸钙一般会随温度的升高，溶解度变小），而且需要加药（如常用的水质稳定剂中就包括了钙、镁离子及碳酸钙等，会造成腐蚀与沉淀），在这个过程中也容易产生加药带沫现象。因此，在高温、重复使用、带沫的综合条件下，细菌滋生繁衍、藻类生长附着管道与设备的现象也会发生，进而造成结垢、堵塞、腐蚀管路与设备的问题。

2.2 冷冻水堵塞问题

陕西某180万t/a乙二醇工程项目建于陕西榆林某煤化工工业园区内，空分装置采用林德成套空分技术，包括3 套100 000Nm3/h（O2）空分装置，以及1 套液氧、液氮后备系统和空压站。

空分试车（裸冷查漏）期间，操作人员发现低温水量短时间由203t/h 降低至163t/h（最低降至97t/h），对低温水泵入口过滤器滤网进行检查，发现滤网附着白色结晶物质，随后将低温水泵入口滤网结晶物收集并联系分析化验室进行分析，得出结晶物中碳酸钙含量为82.2%。据调研（西北地区），冷冻水大都会产生结垢、结晶现象。有用一次水补水或除盐水的、有的直接向冷冻水管道内连续加药（阻垢、柠檬酸等）。经过一段时间的对过滤器内加柠檬酸，顺着管道到分布器，循环水流量达到了正常值。

与常温水的使用量相比，冷冻水主要来自空冷塔上部的返回水，在生成量、收集量、使用量方面相对较少。然而，冷冻水却容易引发管道与设备的结垢、堵塞、腐蚀等问题，而且发生频率相对较高。具体而言，冷冻水由水冷塔冷却得来，当水冷塔制冷效果不佳时，冷却水量、污氮量的数据会发生偏差。通常，造成这种情况的原因主要是对水冷塔旁路阀的开度控制不当，开度设置过大，进而导致了部分未通过水冷塔冷却处理的水进入到了冷冻水泵所致［4］。需要注意的是，冷冻水冷却不到位时，会对分子筛纯化系统造成一定影响。造成这种影响的主要原因是循环水中的氨含量增大，通常在打开循环水导淋后可以闻到刺鼻气味。例如，冷冻水在未冷却之前属于空冷塔返回水，当空冷塔中的循环水本身含有氨、油及其他酸性物质时，进入到分子筛纯化系统后，即会对分子筛造成严重破坏，尤其是分子筛多为硅铝酸盐结晶体，当酸碱度发生变化时，时间一长，就会出现其失效并产生不可逆破坏。

3 空分预冷系统循环水改造措施

3.1 控制常温水水质

首先，在常温水结垢、堵塞、腐蚀等问题方面，相对直接、有效的办法是设置备用系统，利用减少常温水在同一系统中的使用时间达到防治目标。其次，应该从根本上对常温水的水质进行控制。例如，在设计参数方面进行一些有效调整，提高常温水的使用标准，一般可以在冷却塔（处理水量、进塔温度、出塔温度指标）、冷却塔水池（长、宽、高指标）、冷却塔风机（直径、电压、电机功率指标）、循环水泵（流量、扬程、电机功率指标）方面进行设置，并配套实施常温水水质监测，如在补水口与循环利用口等加装一些水质监测装置，从水环境管理的视角切入，增强常温水水质控制。另外，需要选择适用性强、功能兼容较好的节能装置、过滤装置，如水轮机、重力式无阀滤池等。

3.2 进行冷冻水改造

从空分预冷系统整体上看，冷冻水实际上包括了冷却前的热水循环、冷却后的冷冻水循环，在这种情况下，可以设置闭式冷冻水系统。然而，在整个改造过程中，不仅要重新规划管路，设置调节阀门、分水器、集水器、膨胀水箱等配套装置，还需要增加水量，成本投入大，使用水量增加，不能达到经济改造的要求。建议用低压生产消防水（生消水）的办法代替进入空冷塔上部的冷冻水。

在化工企业中，消防水的设置十分普遍，此时，应用消防水不仅能够通过空冷塔直接形成循环冷却水达到冷源供给目标，也可以将其返回至循环水池作为循环补水。从整体上看，一方面能够控制消防水用量，另一方面可以不对原来的循环水系统正常运行造成干扰与影响［5］。例如，在常用的空分预冷系统中，通常可以在水冷塔上增加2条供给用水管路：（1）在循环水进水口与SI—上水过滤器（原有过滤器）之间增加1条生消水管路；（2）将另一条生产水管路接入到水冷塔LV01101—液位调节阀与S2—过滤器（新装过滤器）之间。此时，当S1—过滤器发生常结垢、堵塞时，可以启动S2—过滤器，即使发生了生消水无法供应的情况，也能够通过冷水机组（如溴化锂冷水机组）与原循环水系统保障整个预冷系统的正常运行（见图1）。

图1 冷冻水改造流程示意

4 开式与闭式循环水系统比较

4.1 系统设计方案

以某化工企业为例，在其每天600t的产品生产中，循环水系统中应用附近的河水作为常温水，其水质要求如下。（1）有机物：每升不大于25.0mg。（2）铁含量：每升不大于0.3mg。（3）浑浊度：每升不大于5.0mg。（4）油含量：每升不大于5.0mg。（5）酸碱度：必须控制在6.5～8.5范围以内。（6）硬度（以碳酸钙计）要求不大于30.0×10-6。为了选择适用型系统，设计了开式与闭式循环水两套方案。

首先，开式循环水系统方案中，备用水塔容量500.0m³，每小时循环水量为1200.0t。系统由两部分组成：（1）将河水、井水、自来水作为原水用于补水循环水，要求定期对水质进行软化处理；（2）通过水泵加压的方式将循环水供给用户，经冷却塔冷却的加水返回水池循环利用。

其次，闭水循环系统方案中，备用水塔容量、每小时循环水量与开式相同。系统采用全封闭循环，由3部分组成：（1）原水与开式相同；（2）循环系统为闭路，主要为用户—水泵—换热器—用户；（3）循环冷却水系统为开路，一条路线为冷却水—水池—水泵—换热器—冷却闭路循环水，另一条路线为回水—冷却塔—水池—循环［6］。

4.2 比较分析

从优势上看，开式循环水系统简单，投资运营成本低；闭式循环水系统水质干净，不易出现结垢堵塞及腐蚀现象。从劣势上看，前者存在盐类浓缩结晶，易发生结垢、堵塞及腐蚀；后者系统复杂程度高，投资运营成本高。从适用范围看，前者易推广应用，后者对水质有较高要求。从年运营管理费用看，前者电耗约315.8万元（总功率308W），员工工资约12.5 万元，运维费用约15.0 万元；后者对应数据分别为约322.4 万元（总功率460W）、12.5 万元、18.0 万元。由性价比看，开式循环水系统具有比较大的优势。两种系统设备投资情况见表1。

表1 开式与闭式循环水系统投资成本比较

5 结语

总之，空分预冷系统运行中，需要预防常温水、冷冻水造成的结垢、堵塞问题。通过以上初步分析，可以看出，对常温水结垢、堵塞问题的解决可以通过设置备用系统、严格控制水质，以及配套节能、过滤装置实现。对冷冻水结垢、堵塞问题，可以选择闭式系统改造与取代生消水取代冷冻水的办法。通过比较开式与闭式循环水系统可以看出，常用的开式系统优势相对较大，因此，建议在改造空分预冷系统时，宜结合实际需求选择性价比较高的开式系统。