空分循環水低溫鹽析出的原因與應對措施

郭 劍， 段志棟

(山西中煤平朔能源化工有限公司，山西 朔州 036000)

空分系統是煤化工項目的主要裝置，其良好運行對鍋爐、氨合成、氨加工系統有至關重要的作用。循環冷卻水負責對空氣洗滌、汽輪機附屬設備等進行冷卻。山西中煤平朔能源化工有限公司(以下簡稱能化公司)建設規模為30×104t/a的合成氨裝置、2套18×104t/a的硝酸裝置、2套20×104t/a的硝酸銨裝置，2015年底開始試車，2016年11月空分系統冷凍水換熱器運行效果差，出口水溫偏高。2017年1月裝置停車，發現低溫循環冷卻水［1］冷水機組換熱器進出口管道鹽析出。

1 裝置介紹

能化公司共有4套循環水冷卻水裝置，其中空分循環水負責獨立給空分裝置提供水質、水量合格的循環冷卻水。

1.1 空分循環冷卻水裝置

1.1.1 裝置流程

空分循環水裝置正常給水能力為13 060 m3/h，最大為14 592 m3/h。如圖1所示，循環水泵將小于32℃的循環冷卻水加壓后輸送至循環水給水總管，經地下供水管網供給空分裝置，冷卻各工藝介質后水溫上升，然后匯入空分循環水回水總管，返回至冷卻塔。通過冷卻塔風機和淋水填料作用，水溫降至≤32℃，冷卻的循環水再進入塔池被循環使用。大約有5%的回水進入旁濾器，過濾后的水直接進入塔池。其中一部分水從回水總管的排污處作為污水排放，通過管道流入空分、凈化、合成排污水收集池，由外排污水泵送往中水回用水池，因系統蒸發、排污、風吹和滲漏損失掉的水由補充水管線提供。硫酸和加藥系統通過計量泵分別完成循環水硫酸、緩蝕阻垢劑的添加。投加二氧化氯殺菌劑、專用殺菌剝離劑、非氧化型殺菌滅藻劑，以控制微生物的繁殖，確保水質合格。補充水來自原水和中水回用管線。

圖1 空分循環冷卻水工作示意Fig．1 Diagram of circulating cooling water in air separation

1.1.2 主要構筑物與設備

空分循環冷卻水裝置采用3座SHN－5000型鋼砼逆流式冷卻塔，單塔冷卻能力為5 000 m3/h，風機直徑為Φ9 140 mm，配套電機N=185 kW。設置加藥溶液箱1個:V=1．0 m3，材質PVC;GM0050計量泵2臺;Y型過濾器1個:DN15，UPVC;循環水泵4 臺:Q=2 650 －3 818．8 －4 780 m3/h，H=60．2 －50．2－37 m，N=1 000 kW，3用1備;監測換熱器裝置1套，二氧化氯發生2臺。淺層砂過濾器18臺:9臺1組，Ф1 200，材質 Q235;氣動蝶閥2臺 DN250，氣動兩位三通閥18個(DN100)，DN200和DN250手動蝶閥各 2 臺，濾料(Φ0．3～0．5 mm)共 12．6 m3。塔下水池1 座:54．0 m ×22．0 m ×2．2 m，容積為2 613．6 m3;泵吸水池 1 座:35．0 m ×6．0 m ×6．35 m，容積為 1 333．5 m3。

1.2 空分預冷系統

該系統主要由空氣冷卻塔、水冷塔、冷卻水泵、冷凍水泵、冷水機組、冷卻水過濾器、管道、閥門、監測儀表等附屬設備組成。

來自壓縮機的空氣被送入空氣冷卻塔下部，自下而上穿過填料層，被從上往下的冷卻水冷卻，同時洗滌部分 NOx、SO2、Cl－等有害雜質，最后穿越頂部的絲網除霧器，進入分子篩純化系統，空冷塔出口空氣溫度約為8℃。進入空冷塔的水分為2段:下段為來自空分循環水系統的冷卻水，一部分作為水冷塔補水，一部分經冷卻水泵加壓進入空冷塔中部后自上而下洗滌冷卻壓縮空氣;上段為來自水冷塔的冷凍水，由冷凍水泵加壓后，送入空氣冷卻塔頂部，自上而下冷卻壓縮空氣，換熱后的水從底部排入空分循環水回水系統。

1.2.1 空分空冷塔

主要作用是對壓縮空氣進行洗滌和冷卻，設空氣冷卻塔1座，規格Ф3 800×16 mm，H=26．412 m，設計溫度為150℃，壓力為0．6 MPa，質量為70 438 kg，材質為Q345R，Ⅰ類壓力容器。冷卻水泵2臺:IS單級單吸離心式，H=55 m，Q=400 m3/h，軸/葉輪材質不銹鋼。冷卻水過濾器2臺:Ф480×1 035 mm，設計溫度為60℃，壓力為1．0 MPa。

1.2.2 水冷塔

利用污氮的氣化潛熱降低冷凍水溫度，使低溫水更利于在空冷塔中對空氣的冷卻。設水冷塔1座，規格 Ф2 800 ×10 mm，H=12．515 m，設計溫度為100 ℃，壓力為0．03 MPa，質量為18 000 kg，材質為Q345R，常壓容器。冷凍水泵2臺:IS單級單吸離心式，H=105 m，Q=100 m3/h，軸/葉輪材質不銹鋼。冷凍水過濾器3臺:Ф330×560 mm，設計溫度為50℃，壓力為1．0 MPa。冷水機組1套，制冷量為180 ×104cal。

2 裝置調試與運行情況

2.1 空分循環冷卻水裝置

空分循環水裝置于2015年10月14日進入試車階段，隨后3臺循環水泵、3臺冷卻塔、旁濾系統陸續投入運行，2016年3月9日冷卻塔、加藥裝置、殺菌裝置、硫酸裝置已全部投入運行，管道預膜未完成。

2015年6月旁濾器濾料安裝完成，10月依次完成循環水管道檢查、管道清理、檢修人孔封閉以及空分循環水泵05－P101C單試。2016年2月2日，循環水站空分循環水泵04－P101C啟動，在管道沖洗時發現給水檢查人孔漏水后進行人孔蓋板緊固，沖洗合格后由于極度低溫天氣繼續運轉。3月3日停止運轉，空分工段進行拆除管道沖洗跨接。3月9日空分循環水投運，3月30日開始投加阻垢劑、緩蝕劑各8桶，日常投加1桶。4月空分循環水系統投運3臺循環水泵，循環水量為14 600 m3/h達到設計值。7月13日開始預膜，8月完成循環水預膜，預膜經除油剝離、化學清洗、預膜3個階段。8月中旬，空分循環水開車正常。

2.2 空分預冷系統

2016年2月2日，空分預冷系統循環水管線開始沖洗，3月23日管道沖洗結束。4月26日，預冷系統開車，調試空氣冷卻塔、水冷塔及附屬設備的控制儀表正常，緩慢增加空壓機出口空氣壓力，并導入空氣冷卻塔中，待空氣壓力 ＜0．53 MPa(G)并穩定時，啟動冷卻水泵、冷凍水泵、投運冷凍機組，水冷塔及空冷塔投運正常，系統介質及設定參數見表1。

表1 空氣預冷系統介質Tab．1 Medium of air precooling system

3 存在的問題

2016年12月，空分預冷系統水冷機組出水量持續下降，由90 m3/h降至70 m3/h，出空氣冷卻塔空氣溫度上升至13℃(設計溫度為8℃)，冷凍水泵出口壓力增大。由于空氣溫度升高，出低壓板換的污氮溫度升高至15℃，污氮與水冷塔循環水換熱能力下降，出水冷塔循環水溫度升高，嚴重影響空分后續系統運行。2017年1月6日(階段A)，打開空分冷凍水換熱器出水口發現結晶物，化學清洗冷凍水換熱器系統;2月空分系統開車，冷凍水流量及出空氣冷卻塔空氣溫度趨于正常。2017年3—8月，情況再次出現，8月空分停車。8月16日(階段B)，空分冷凍水換熱器出水口再次出現結晶物，化學清洗冷凍水換熱器系統，在水冷塔入口循環水管線接入脫鹽水(軟化水)，降低入水冷塔循環水中鹽含量。

4 原因與措施

4.1 階段A

2017年1月6日，空分冷凍水換熱器出水口出現析出物，對結晶物取樣分析，結果表明組分及含量為鈣36%、磷酸鹽35%、其它雜質20%、水分9%。確定為循環冷卻水中碳酸鹽［2］及部分藥劑在低溫條件下的析出。請專業的清洗公司對冷凍水換熱器系統進行了化學清洗。

冷凍水換熱器出口析出物的主要組分為氧化鈣和磷酸鹽，分別占36%和35%，其他雜質占20%，水分占9%。從表觀看出析出物較松軟，灰白顏色。

分析低溫成垢原因，溫度20℃左右的水冷塔出水經泵加壓后，進入冷水機組與冷凍劑進行熱交換，出冷水機組的冷凍水溫度下降7℃。低溫條件下水中鹽類的溶解度降低，鹽在冷水機組換熱器入口和內部及出口管道析出，堵塞管道及換熱器，使進入空冷塔上部的冷凍水量下降。

2017年1月10日，現場制作化學清洗管路，對冷凍水換熱器及出口管道進行酸洗，循環清洗6 h，空分循環水濃縮倍率由3．5降至2．5。2017年2月，空分系統開車，空分預冷系統冷水機組未出現低溫水垢。空分循環水循環量為14 500 m3/h，濃縮倍數降至2．5，循環水給回水溫差為5．5℃，補水量較濃縮倍數為3．5時增加81 m3/h，調整循環水加藥量見表2。

表2 空分循環水補充水量(階段A)Tab．2 Replenishment of circulating cooling water in air separation(Stage A)

4.2 階段B

2017年3月以后，空分空氣預冷系統冷凍水換熱器出現低溫析出物現象，5—6月出空冷塔空氣溫度上升趨勢，由9℃上升至13℃。8月16日空分系統停車，對結晶物的取樣分析結果表明各組分含量為鈣45%、磷酸鹽20%、其它雜質23%、水分12%。結晶物質地較硬，淺灰白色，是循環冷卻水中碳酸鹽及少量藥劑在低溫條件下的析出。請專業清洗公司對冷凍水換熱器系統進行了化學清洗。在水冷塔循環水進水管接DN50脫鹽水作為冷凍水補水一部分，2017年9月空分系統開車至今，未出現低溫析出物影響系統運行情況。隨后空分循環水系統逐步提高濃縮倍數，減少原水補充水量。2017年8月調整循環水藥劑加藥配方。

5 結語

① 通過調整循環水藥劑，采取補入少量脫鹽水，降低低溫水鹽含量，空分循環水用戶空氣預冷系統，2017年9月以來，冷凍水裝置未出現大量的低溫析出物，空冷塔阻力正常，出塔空氣溫度為9℃，冷凍水進空冷塔流量為90 m3/h，冷凍水進空冷塔溫度為7℃，保證了空氣預冷系統的正常運行。

② 空分冷凍水換熱器及管道出現低溫析出物，階段A(2017年2月至8月16日)空分循環水濃縮倍數為2．5，補水量為186 m3/h;階段B(2017年8月16日后)空分循環水濃縮倍數為3．5，補水量為105 m3/h。經過調整，2017年9月以后循環水補充水量減少81 m3/h，補入脫鹽水5 m3/h，每小時節約原水消耗322．38元，增加脫鹽水消耗83．05元。

③ 在空分水冷塔補入脫鹽水，較降低空分循環水濃縮倍數抑制低溫垢的形成，措施合理經濟，效果好，每小時可節約補水費用239．33元，避免了由于冷凍水低溫鹽析出造成空分裝置停運，全廠系統停車的事故。可為其它空分預冷系統減緩冷凍水低溫垢的形成提供參考。

④ 對于空分循環冷卻水系統，應以環保節能為主導，需不斷完善工藝及水質藥劑配方等調整措施，研究總結循環冷卻水水質控制方法，確保冷卻水水質達到《工業循環冷卻水設計規范》(GB/T 50050—2017)要求，保證空分裝置各換熱器安全穩定運行。