空分预冷系统技改探索

陈祖贤

(云南大为制氨有限公司，云南 曲靖 65500)

云南大为制氨有限公司空分装置，采用德国林德专利技术，装置设计制氧能力为 51800 m3/h。开车后装置运行稳定，各种产品均达到设计能力。

因装置建设初期没有考虑到循环水浓缩倍率高时在低温状态下会产生CaCO3·5H2O和CaCO3·6H2O混合晶体的现象。CaCO3·5H2O和CaCO3·6H2O混合晶体附着在空冷塔上段填料及水分布器上，导致换热量效果降低，空冷塔出口空气温度比设计温度高3～5 ℃，不能保证分子筛的正常运行从而导致装置被迫停车[1-2]。针对这一问题最先将冷冻水的供给由原来的循环水改为一次水供给，改造后仍不能彻底解决冷冻水低温结晶的现象。经过与林德公司的多次沟通，决定将冷冻水由除盐水供给，进行闭式循环，于2014年8月进行了改造，彻底解决了设备填料及水分布器低温结晶的问题。运行3年多来，在运行过程中没有出现冷冻水流量下降及填料结晶现象，分子筛入口温度均能控制在设计温度以内(比设计温度更低)，为装置的长周期运行提供了保障。

1 原工艺流程简述

压缩后的空气通过空冷塔(E2146) (两段式)直接接触洗涤并冷却，冷却水分两段注入空冷塔。在较低段空气由循环水泵(P2466A/B)加压的循环水预冷，在较高段冷却空气的冷冻水来自氮水预冷塔[3-4](E2417)，并经过氨冷器(E2422)进一步冷却，冷却水下降过程中同时也将空气中的可溶性杂质洗涤掉，见图1。

图1 原工艺流程简图

图2 改造后工艺流程

一次水或循环水(CW)经过氮水预冷塔冷却后出口温度在 14 ℃ 左右，再经过氨冷器冷却到 7 ℃ 左右由冷冻水泵(P2467A/B)加压后加入到空冷塔顶部与空气进行逆流换热换热后的冷冻水再加入到下段与循环水混合与高温空气进行换热，通过塔底回到循环水回水系统，工艺参数见表1。

表1 预冷系统的设计参数

2 装置存在问题以及原因分析

2.1 装置存在问题

装置在2007年试车时，预冷系统冷冻水采用循环水供给，但是由于循环水中含有大量杂质(循环水池为敞开式)，导致装置开车期间，进氮水预冷塔循环水过滤器频繁堵塞，清洗过滤器期间，采用旁路进行补水，又导致氮水预冷塔水分布器出现堵塞，装置被迫停车；由于循环水供给造成的问题无法得到很好解决，在2007年10月，在循环水补水的基础上，引入一次水对氮水预冷塔进行补水，空分装置预冷系统冷冻水也由循环水改为一次水供给，只有在一次水断水情况下，循环水才用于对氮水预冷塔补水；但是由于使用一次水后，装置预冷系统却出现了低温结垢的现象，在2007～2014年期间，装置运行3个月后，空冷塔上段水分布器就因结垢逐渐堵塞，造成进空冷塔上段冷冻水流量逐渐降低，当装置运行达6个月后，进空冷塔较高段冷冻水流量降至 65 m3/h，分子筛入口空气温度高达 15 ℃，超过分子筛设计温度 12.5 ℃，装置被迫停车进行清洗，同时由于结垢物质附着，造成氨冷器、氮水预冷塔填料、空冷塔冷冻水段上部填料以及管道上严重结垢。停车拆开检查发现有约 1 mm 结晶垢物附着在管道内壁上，进空冷塔较高段冷冻水分布器水分布孔大部分堵塞，造成装置的换热效率严重下降，影响了整个公司的生产。

2.2 原因分析

根据现场运行工艺条件对成垢离子以及形成机理的分析，结垢物形成主要有以下几个方面的原因：

2.1.1 循环水水质影响

2.1.2 工艺过程影响

1)污氮的蒸发

经加压后的循环冷却水由氮冷却塔进入，均匀地布洒在填料层上，同时大量的低温污氮由填料层下部进入，与之进行逆向对流热交换，不但使循环水的温度降低(CW温度从 31 ℃ 降低至 13 ℃)，而且使得该循环水得到进一步的二次蒸发浓缩(该处CW浓缩倍数更高)，加剧了成垢物的沉积效应。

2)低温对结垢物的影响

该循环冷却水首先经氮/水冷却塔后，水温由 31 ℃ 降低至 13 ℃ 左右，然后经过泵加压进入氨冷器进一步冷却，使水温由 13 ℃ 降低至 6 ℃ 左右，最后进入空气/水冷却塔卡上部布水管。由工艺过程可知，氨冷器靠近出口端列管水侧壁温在0℃以下，这种条件很有可能使含有过饱和CaCO3晶核和微晶体的循环冷却水快速析出CaCO3·5H2O和CaCO3·6H2O混合晶体[5]并附着在设备壁表面。同时，由于循环冷却水还含有正常剂量的阻垢分散剂，能促使部分表层附着物脱落随水流沉积于后面管道、上部补水孔，进一步加剧了低温过饱和循环水沉积CaCO3·5H2O和CaCO3·6H2O的趋势。

3 改造方案

3.1 改造思路

3.1.1 改回装置原始设计时循环水供给做冷冻水

由于循环水水池在原始设计时，采用的不是全浇筑结构，而是使用水泥沙子粉刷后外加防水层设计，因使用过程中防水层逐渐脱落，造成粉刷的水泥沙子墙皮脱落到循环水水池中，而对循环水水池防水层重新制作，时间以及条件上不具备，循环水水质问题无法解决，因此将冷冻水改回为原循环水供给此方法无法实现。

3.1.2 一次水加入预防结垢药品进行处理后，继续使用一次水

若在一次水中加入预防结垢药品进行处理，是否是可行？经多方询问，没有厂家做过此类项目，而且即使加药进行处理，也无法保证效果，同时考虑到加药后若影响到进分子筛空气，若出现带水或分子筛中毒，那将严重影响装置的安全，因此否定了该方法。

3.1.3 采用除盐水进行循环，运行中少量补充

大为制氨有限公司除盐水装置所制除盐水，外送指标为：pH值9.0～9.5，SiO2质量浓度≤20 μg/L，电导率≤0.3 μs/cm；按照此指标外送的除盐水，不存在结垢的可能性，因此改用除盐水作为冷冻水是可行的。但是因为除盐水制造成本约在3.8元/m3，而空分装置设计冷冻水量为 120 m3/h，从原工艺流程简图可知，顶部冷冻水经较高段填料换热后，与中下部循环水汇聚后在下段填料继续换热后，回到循环水回水管网，若采用除盐水，使用的除盐水直接排入循环水回水管网，那由此带来的成本将非常巨大。经过考虑，决定将使用的除盐水进行循环利用，在上段填料底部与中下部循环水分布器之间加装集液槽；因氮水预冷塔塔内压力非常小(精馏塔顶部 45 kPa 气体减压后进入)，而空冷塔塔内正常压力为500～530 kPa，且空冷塔中下部循环水分布器高度高于氮水预冷塔，可以直接利用空冷塔的压力以及高度差将水送至氮水预冷塔水分布器进行循环，并在集液槽至氮水预冷塔管道上增加排污阀用于保证水质的稳定性(因在空冷塔下段换热后空气进入下段换热，换热后空气温度降低，空气中的部分水析出，需排放以保持水质，同时除盐水及时补充)；因下段段冷冻水被循环利用，较上段水量减少约 120 m3/h，因此在下段循环水泵调节阀后，增加一次水用于补充下段冷冻水循环利用后的冷量损失[5-7]。

3.2 改造方案

压缩后的空气通过空冷塔直接接触洗涤并冷却，冷却水分两段注入冷却塔。在较低段空气由循环水与一次水混合后进行预冷；在空冷塔较高段，冷却空气的冷冻水来自氮水预冷塔，并经过氨冷器进一步冷却后，进入空冷塔再次冷却，冷却下来的冷冻水一部分经排污阀排放保持水质，另一部分进行循环利用回至氮水预冷塔；在空冷塔下段，循环水与一次水混合液进行预冷却，冷却水下降过程中同时也将空气中的可溶性杂质洗涤掉。上段循环利用的除盐水经过氮水预冷塔冷却后出口温度在16～18 ℃，再经过氨冷器后进入空冷却塔水温度在6～7 ℃。

4 改造的实施

在原来空冷塔的基础上对空冷塔进行局部改造，同时对进出空冷塔上部的工艺管道进行相应的改造，从而达到空冷塔上段冷却水循环使用。

在空冷塔下段填料与上段填料之间增加一段1.5～2 m 的高度；在所增加的高度范围内新增上段积液槽；在积液槽中部计算后新增4个气体分布器；将上段冷冻水收集至积液槽后重新配管引到氮水预冷塔；新增一次水补充至空冷塔下段以保证换热水量，同时在新增一次水管上加装一台管道泵，保证进入下段一次水流量稳定；从界区内除盐水管引一路除盐水补充至氮水预冷塔以保证冷冻水水质稳定。

5 改造后运行效果

5.1 水质得以保证，有效防止了低温结晶

经过改造后的预冷系统，用于循环利用的除盐水水质经分析为：总硬度 75 mg/L，钙离子(Ca2+)质量浓度 45 mg/L，pH值8.5；每小时补充除盐水 5 m3，较使用一次水，钙离子(Ca2+)浓度下降为原来的30% 。在2015年4月装置检修期间，对预冷系统相关设备管道拆开检查，与2014年8月改造后情况进行了对比(在2014年改造过程中，已对结垢管道进行了彻底清洗)，冷冻水管道、氨冷器、冷冻水段分布器、氮水预冷塔、空冷塔均无结垢现象，且停车前冷冻水流量为 120 m3/h，冷冻水流量以及冷冻水流量控制阀阀门开度与2014年8月改造结束后装置开车运行正常后冷冻水流量以及冷冻水流量控制阀阀门开度保持不变；与装置未改造前对比，未改造前装置运行3个月后冷冻水流量逐渐下降，6个月后冷冻水流量由 120 m3/h 下降为 65 m3/h 造成装置被迫停车，且管道内壁上出现 1 mm 结垢现象；而改造后装置运行时间达8个月，运行参数与8个月前装置改造后正常运行时参数对比未发生变化，有效的防止了低温结垢问题。

5.2 分子筛入口空气温度控制在设计指标范围内，有效保护了分子筛的安全运行

空分分子筛的作用是将空气中的各种杂质进行吸附，如水蒸汽、二氧化碳、一氧化二氮和潜在有害的碳氢化合物，吸附完全后再进行解析重复使用，在压力一定时，空气中的水含量随着空气温度的升高而逐渐增多，而水含量的增多将会严重影响分子筛的吸附能力，造成分子筛的吸附能力下降，给装置的安全生产带来严重威胁。

经过改造后的预冷系统，进分子筛入口空气温度有效的控制在了9～12 ℃，低于设计温度 12.5 ℃，保证了分子筛的正常运行。

改造后空分装置的运行时间得到了延长，经过统计2015～2018年平均空分装置的运行时间为8150小时，未出现因预冷系统低温结晶情况导致的停车，为氨合成装置长周期运行提供了保障。

6 经济效益

1)经过改造后的预冷系统，每小时补除盐水 5 m3，按装置全年运行330天计算，需补充除盐水量为：330×24×5=39600 m3，其中除盐水生产成本为3.8元/m3，则全年装置补充除盐水耗费总成本为：39600×3.8=15.048万元；而装置未改造前，每年需停车两次，按最快速度计算，每次停车后空分装置开车8小时，空分开车后气化装置开车直至装置产液氨需16小时，共计1天，空分运行成本需40万元/天(全公司电耗以及锅炉消耗燃料煤合计)，气化开车期间需消耗燃料煤450吨，每吨燃料煤成本价按600元计算，则需成本为450×600=27万元，则停车一次需：27+40=67万元，每年停车两次，则需耗费67×2=134万元，扣除每年除盐水耗费成本，全年可产生直接经济效益：134-15.048=118.952万元。

2)改造前，每年空分装置停车两次，每次停车空分装置检修需0.5天，空分装置开车至最终产出液氨产品需1天，两次停车共计需3天，而装置停车期间每天会产生大量的设备折旧费用以及财务费用，造成公司大量的间接经济损失；同时未改造前，当冷冻水流量下降后，分子筛入口空气温度高于设计进气温度，将会造成分子筛老化，吸附能力下降，降低分子筛的使用寿命，且因进气温度高于设计温度，给装置运行带来巨大安全隐患，装置被迫降低负荷运行，致使装置无法高负荷生产，减少液氨产量，间接降低了公司的经济效益。