空氣預冷系統的認識與思考

吳艷東（神華榆林能源化工有限公司，陜西 榆林 719302）

進入21 世紀后，空分設備市場競爭加劇，大型空分設備發展迅速。但是，若空氣預冷系統配置不合理，將消耗大量水、電資源[1]。因此，需在滿足用戶需求的基礎上，對系統優化設計，以此降低用戶運轉費用，減少制造成本及運輸成本。

1 關于空氣預冷系統

空分設備中，空氣預冷系統是保證設備穩定運行的基礎，其位于空氣壓縮系統及分子篩純化系統之間，空氣預冷系統由空氣冷卻塔、水冷卻塔、水泵及水過濾器等組成，空氣預冷系統可降低空氣溫度、含水量，并除去大部分水溶性有害物質如NH3、HCl、SO2、NO2等，避免分子篩遭到有害物質影響，以此確保分子篩的吸附性[2]。

2 空氣預冷系統部分認識錯誤及優化設計

空氣預冷系統往往容易忽視某些因素，導致運行不暢。若可明確具體誤區，則可對空氣預冷系統優化設計，降低成本。以下對可能出現的誤區分析：

2.1 水冷卻塔設計及氮氣量關系

水冷塔中水與污氮氣逆流接觸，氣液組成沿塔高不斷變化。兩相接觸中，污氮氣與水存在溫差，水中熱量傳遞給污氮氣；污氮氣本身較為干燥，和水有明顯濕度差異，水分子向污氮氣汽化，導致污氮氣濕度不斷增加，由于水的汽化需要吸收大量的汽化潛熱達到水溫下降目的。

影響水冷卻塔降溫效果的因素很多，如：水量、液體分布器結構以及填料的種類等等，但是其中關鍵的因素為噴淋水量與氣體流量比值。因為污氮氣中飽和含水量是有一定限度的。所以水冷塔中水溫能夠降低多少，首先取決于水與氣比值。如果忽略這個基本原理，對水冷塔的噴淋水量不加節制，其結果將大大降低水冷塔冷卻效果。

要針對用戶的污氮氣產量及實際使用情況，決定是否設置冷水機組。若用戶產品氧、氮為1:1，可配置冷水機組。若用戶產品氧、氮為1:2，應配置冷水機組。

2.2 用戶水質對預冷系統的實際影響

空氣、污氮氣及循環水都是空氣預冷系統重要物料，而水質質量也就直接關系到空分設備系統能否穩定運行。不同區域水質不同，部分地區水質較差，其水硬度高，易產生水垢。水垢出現后將影響空氣預冷系統實際換熱效果，空氣預冷系統換熱效果不好，就會導致裝置出現故障。因此，空氣預冷系統需加入水處理裝置，有效避免水垢產生。若設備結垢后再安裝水處理裝置，將徒增成本、清洗成本、人工成本。

當下空冷塔及水冷塔多為填料結構，部分用戶空冷塔初期效果突出，但是1-2年后塔阻力逐漸增加，可能出現噴水現象。檢查后發現不是工況指標波動影響，很可能為塔內填料堵塞導致。究其原因，可能是空氣中殘存固體顆粒遭洗滌、沉積和用戶水質導致阻塞，若用戶循環水水質硬度較高，在30℃冷卻水與100℃高溫空氣熱交換，導致填料及冷卻水快速升溫，水中的Ca(HCO3)及Mg(HCO3)遇熱分解為CaCO3和MgCO3，而CaCO3和MgCO3水溫度升高溶解度減小從而形成水垢，造成阻塞。而水冷塔中部分水向污氮氣擴散蒸發，污氮氣放空排出后，循環水相當于濃縮處理，一些鹽分將以結晶析出，形成水垢。填料結垢，影響傳熱效果，也易產生腐蝕。嚴重者甚至導致塔內阻力上升，產生液泛，影響系統運行。

以某公司空分設備為例，某天工作人員在日常管理中發現，設備某分子篩系統出口壓力下降，空冷塔液位降低，初步判斷發現為系統閥門泄漏故障。對各項參數檢查，發現空冷塔阻力，達到滿程且超過報警值，空分塔阻力也大量上升。之后現場對空冷塔出水管道及進口管道疏水器手動旁通閥檢查，發現排出大量的泡沫水分。由此可見，水質會嚴重影響空氣預冷系統對空氣的處理。

3 空氣預冷系統設計建議

3.1 預冷方式選擇

空氣預冷系統各個設備要科學布局，選擇合適的預冷方式。預冷方式要考慮到投資平衡性，分析具體設計條件、水質控制、安全操作及管理等，開展有針對性的研究，找到量體裁衣最佳解決方案。

3.2 出空冷塔溫度選擇

出空冷塔溫度若是過高，將會導致分子篩純化系統負擔過重，需投入更多吸附劑以確保分子篩純化穩定運行。這就會耗費大量再生能耗，對應空氣進換熱器的實際溫度不斷增加，系統整體成本消耗過大。而若是降低出空冷塔的溫度，則需要預冷系統充分做功，提供冷卻。但是進水冷塔氮氣量無法更改，額外的制冷則需冷凍機支持，降低溫度增加設備能耗。為保證系統穩定性，要選擇合適的空冷塔出口溫度，在達到最佳效果的同時，也能減少能耗，平衡投資。此外，還要考慮到一些設備及能耗市場價格不同，對應出空冷塔溫度平衡點不同，因此需針對實際情況科學計算，找到能耗平衡點，將出空冷塔溫度控制在10-14℃。

3.3 循環水系統水垢預防處理

空氣預冷系統運行中，空冷塔高溫區鈣、鎂析出形成高溫垢，水冷塔低溫區水蒸發大量，導致循環水濃縮形成低溫垢，容易導致空氣預冷系統異常。預防處理水垢以下方式：可以對循環水定期取樣分析，向循環水系統投加阻垢劑、緩蝕劑、殺菌劑，對循環水系統定期進行剝離清洗，空冷塔、水冷塔用水采用部分脫鹽水，確保水質達標。若發現已經出現水垢，可采用以下方式：1）停車將空冷塔、水冷塔填料扒出，使用酸性溶液浸泡除垢；2）在線以酸液連續循環清除水垢，要注意水溫及分子篩切換的時間合理，避免純化器之后二氧化碳含量超標，引發事故；3）停車更換結垢與破碎填料環保證空氣預冷系統完整換熱。

4 提高空氣預冷系統冷卻效果可以帶來的經濟效益

4.1 延長純化器活性氧化鋁和分子篩13X-APG使用壽命

降低空氣冷卻塔出口溫度，使空氣飽和含水量減少，對純化器吸附劑吸附負荷降低，延長吸附劑使用壽命，吸附劑每延長1年使用周期，可節省126萬元。

以35000Nm3/h 高純氮氣空分裝置為例，計算如下：分子篩13X-APGⅡA 初次填裝46t，活性氧化鋁28.8t，目前，活性氧化鋁市場價6000 元/t，分子篩13X-APGⅡA 市場價25000 元/t，按使用壽命5年計算，（46×25000+28.8×6000）/5=26.46萬元。

4.2 減少純化器特殊再生頻次

降低低壓蒸汽和減溫水消耗量，若空冷塔出口空氣溫度高導致含水量大，純化器吸附負荷大，導致純化器解析不徹底，吸附末期二氧化碳超標，每年必須高溫活化1 次（原設計2年一次高溫活化，目前運行出口二氧化碳超標，必須每年進行1次高溫活化）。

減少特殊再生時加熱、恒溫、降溫階段消耗低壓蒸汽和減溫水費用。

4.3 減少故障停車時間

若空冷塔出口溫度過高，必然會導致出口含水量增加，進而導致純化器吸附末期二氧化碳嚴重超標。多次超標會導致凍堵高低壓板式換熱器、膨脹機，換熱器溫差增加和膨脹機損壞，無法保證裝置的正常運行，需要進行停車加溫吹除，以此增加非計劃性停車頻繁出現。

以100000Nm3/h 氧氣空分裝置為例，裝置停車升溫約用時24h，冷卻、積液、調純約用時36h，共計60h，若停一套空分甲醇產量減少2500t/d計算，一套空分停車60h，甲醇盈利200元/t 計算，累計損失2500×2.5×0.02=125萬元。

5 結語

綜上所述，空氣預冷系統由于自身可起到良好的降溫、除濕、洗滌空氣效果，故在各行各業都有較廣泛的應用，但是實際工作中空氣預冷系統認識誤區較多，需具體問題具體分析。新時期分子篩吸附凈化技術進一步發展，空氣預冷系統的能量損失得到有效控制，可保證分子篩吸附凈化技術穩定運行。但是，若系統出現故障，會影響空分設備的繼續運行，需采取科學有效的預防措施，提前處理，發現設備可能存在的安全隱患，及時處理，保證系統穩定運行。空氣預冷系統是空分設備流程重要內容，實際操作中需按照實際要求、設計條件等，考慮到性能及能耗，找到兩者平衡點，選擇科學的空氣預冷流程，保證空分設備的穩定性。