空分預冷系統循環水的改造探討

王文冠 席崔扣

（陜煤集團榆林化學有限責任公司 陜西榆林 719303）

空分預冷系統中，使用常溫水時，用水量相對較大，在短期運行條件下，管道及裝置結垢堵、塞問題并不明顯，經過長期運行后，會出現結垢、堵塞，嚴重時需要停機處理。與之相比，冷凍水雖然用水量不大，可是結垢、堵塞問題的發生頻率比較高，而且，在冷卻不到位的情況下，會對純化系統造成一定的影響。因此，在實際使用空分設備時，需要對循環水系統進行相應的改造升級。下面，先對空分預冷系統做出說明。

1 空分預冷系統概述

空分設備包括若干系統，以“自潔過濾器—壓縮系統—預冷系統—純化系統—膨脹系統—換熱系統—精餾系統—壓縮輸出系統”為主。其中，空分預冷系統處于壓縮系統與分子篩純化系統（或分子篩吸附系統）之間，從構成要素看，該系統包括儀表電控系統、閥門管線、冷凍水泵、冷卻水泵、水冷塔、空冷塔等；從功能看，主用于洗滌容易造成分子篩中毒的易溶于水的化合物，并實現對壓縮空氣的降溫、洗滌處理；從工作流程看，空氣通過自潔式過濾器的初步凈化，經過空氣壓縮機壓縮后，送入預冷系統中的空冷塔裝置，完成降溫后，去立式分子篩系統進一步凈化［1］。

2 空分預冷系統循環水問題分析

空分預冷系統中的空冷塔冷源主要來自循環冷卻水、冷凍水。其中，補水系統的常溫水通過空冷塔冷卻可以變成循環冷卻水（也就是常說的回水，可以循環使用）。冷凍水是由水冷塔對空冷塔回水進行再冷卻而來，在冷卻過程中，主要需要來自冷箱板式換熱復熱后的污氮氣、氮氣參與，通過“汽化潛熱”，對循環水進行冷卻［2］。在冷凍水使用前，需要在水冷塔底部完成對冷凍水的集中收集，然后，借助冷凍水泵將其打到空冷塔上段，進而實現對壓縮空氣的降溫及洗滌處理。從實踐經驗看，多數空分預冷系統中均用循環水經水冷塔冷卻后進入空冷塔上層，達到節水降耗的目標。

2.1 常溫水結垢問題

在應用空分預冷系統時，循環水中主要是對常溫水進行“一水多用”，因此，從補水與用水的角度看，常溫水的用量實際上比較大。但是，在應用過程中，常溫水主要通過管道進行補給與使用，常溫水主要以河水、井水、市政自來水為主，此時，水質中會含鈣、鎂離子，也會受到酸堿度、硬度、渾濁度，以及含油量、含鐵量、有機物等影響。所以，在水質符合標準要求的情況下，短期內不會造成管道與各類設備的結垢、堵塞等現象。可是，隨著循環水系統應用周期的延長，則不可避免地會產生結垢、堵塞問題。

以常溫水被冷卻后的低溫結垢現象為例，當pH達到8.8的情況時，10.0%以上的冷卻水中的碳酸氫離子會變成碳酸根離子，而且，當其含量大于5.0mg／L 的水質硬度控制標準時，水中會出現化合反應并生成沉淀物碳酸鈣［3］。另外，循環水在空冷塔中和壓縮空氣換熱，循環水溫度會相對較高（碳酸鈣一般會隨溫度的升高，溶解度變小），而且需要加藥（如常用的水質穩定劑中就包括了鈣、鎂離子及碳酸鈣等，會造成腐蝕與沉淀），在這個過程中也容易產生加藥帶沫現象。因此，在高溫、重復使用、帶沫的綜合條件下，細菌滋生繁衍、藻類生長附著管道與設備的現象也會發生，進而造成結垢、堵塞、腐蝕管路與設備的問題。

2.2 冷凍水堵塞問題

陜西某180萬t/a乙二醇工程項目建于陜西榆林某煤化工工業園區內，空分裝置采用林德成套空分技術，包括3 套100 000Nm3/h（O2）空分裝置，以及1 套液氧、液氮后備系統和空壓站。

空分試車（裸冷查漏）期間，操作人員發現低溫水量短時間由203t/h 降低至163t/h（最低降至97t/h），對低溫水泵入口過濾器濾網進行檢查，發現濾網附著白色結晶物質，隨后將低溫水泵入口濾網結晶物收集并聯系分析化驗室進行分析，得出結晶物中碳酸鈣含量為82.2%。據調研（西北地區），冷凍水大都會產生結垢、結晶現象。有用一次水補水或除鹽水的、有的直接向冷凍水管道內連續加藥（阻垢、檸檬酸等）。經過一段時間的對過濾器內加檸檬酸，順著管道到分布器，循環水流量達到了正常值。

與常溫水的使用量相比，冷凍水主要來自空冷塔上部的返回水，在生成量、收集量、使用量方面相對較少。然而，冷凍水卻容易引發管道與設備的結垢、堵塞、腐蝕等問題，而且發生頻率相對較高。具體而言，冷凍水由水冷塔冷卻得來，當水冷塔制冷效果不佳時，冷卻水量、污氮量的數據會發生偏差。通常，造成這種情況的原因主要是對水冷塔旁路閥的開度控制不當，開度設置過大，進而導致了部分未通過水冷塔冷卻處理的水進入到了冷凍水泵所致［4］。需要注意的是，冷凍水冷卻不到位時，會對分子篩純化系統造成一定影響。造成這種影響的主要原因是循環水中的氨含量增大，通常在打開循環水導淋后可以聞到刺鼻氣味。例如，冷凍水在未冷卻之前屬于空冷塔返回水，當空冷塔中的循環水本身含有氨、油及其他酸性物質時，進入到分子篩純化系統后，即會對分子篩造成嚴重破壞，尤其是分子篩多為硅鋁酸鹽結晶體，當酸堿度發生變化時，時間一長，就會出現其失效并產生不可逆破壞。

3 空分預冷系統循環水改造措施

3.1 控制常溫水水質

首先，在常溫水結垢、堵塞、腐蝕等問題方面，相對直接、有效的辦法是設置備用系統，利用減少常溫水在同一系統中的使用時間達到防治目標。其次，應該從根本上對常溫水的水質進行控制。例如，在設計參數方面進行一些有效調整，提高常溫水的使用標準，一般可以在冷卻塔（處理水量、進塔溫度、出塔溫度指標）、冷卻塔水池（長、寬、高指標）、冷卻塔風機（直徑、電壓、電機功率指標）、循環水泵（流量、揚程、電機功率指標）方面進行設置，并配套實施常溫水水質監測，如在補水口與循環利用口等加裝一些水質監測裝置，從水環境管理的視角切入，增強常溫水水質控制。另外，需要選擇適用性強、功能兼容較好的節能裝置、過濾裝置，如水輪機、重力式無閥濾池等。

3.2 進行冷凍水改造

從空分預冷系統整體上看，冷凍水實際上包括了冷卻前的熱水循環、冷卻后的冷凍水循環，在這種情況下，可以設置閉式冷凍水系統。然而，在整個改造過程中，不僅要重新規劃管路，設置調節閥門、分水器、集水器、膨脹水箱等配套裝置，還需要增加水量，成本投入大，使用水量增加，不能達到經濟改造的要求。建議用低壓生產消防水（生消水）的辦法代替進入空冷塔上部的冷凍水。

在化工企業中，消防水的設置十分普遍，此時，應用消防水不僅能夠通過空冷塔直接形成循環冷卻水達到冷源供給目標，也可以將其返回至循環水池作為循環補水。從整體上看，一方面能夠控制消防水用量，另一方面可以不對原來的循環水系統正常運行造成干擾與影響［5］。例如，在常用的空分預冷系統中，通常可以在水冷塔上增加2條供給用水管路：（1）在循環水進水口與SI—上水過濾器（原有過濾器）之間增加1條生消水管路；（2）將另一條生產水管路接入到水冷塔LV01101—液位調節閥與S2—過濾器（新裝過濾器）之間。此時，當S1—過濾器發生常結垢、堵塞時，可以啟動S2—過濾器，即使發生了生消水無法供應的情況，也能夠通過冷水機組（如溴化鋰冷水機組）與原循環水系統保障整個預冷系統的正常運行（見圖1）。

圖1 冷凍水改造流程示意

4 開式與閉式循環水系統比較

4.1 系統設計方案

以某化工企業為例，在其每天600t的產品生產中，循環水系統中應用附近的河水作為常溫水，其水質要求如下。（1）有機物：每升不大于25.0mg。（2）鐵含量：每升不大于0.3mg。（3）渾濁度：每升不大于5.0mg。（4）油含量：每升不大于5.0mg。（5）酸堿度：必須控制在6.5～8.5范圍以內。（6）硬度（以碳酸鈣計）要求不大于30.0×10-6。為了選擇適用型系統，設計了開式與閉式循環水兩套方案。

首先，開式循環水系統方案中，備用水塔容量500.0m3，每小時循環水量為1200.0t。系統由兩部分組成：（1）將河水、井水、自來水作為原水用于補水循環水，要求定期對水質進行軟化處理；（2）通過水泵加壓的方式將循環水供給用戶，經冷卻塔冷卻的加水返回水池循環利用。

其次，閉水循環系統方案中，備用水塔容量、每小時循環水量與開式相同。系統采用全封閉循環，由3部分組成：（1）原水與開式相同；（2）循環系統為閉路，主要為用戶—水泵—換熱器—用戶；（3）循環冷卻水系統為開路，一條路線為冷卻水—水池—水泵—換熱器—冷卻閉路循環水，另一條路線為回水—冷卻塔—水池—循環［6］。

4.2 比較分析

從優勢上看，開式循環水系統簡單，投資運營成本低；閉式循環水系統水質干凈，不易出現結垢堵塞及腐蝕現象。從劣勢上看，前者存在鹽類濃縮結晶，易發生結垢、堵塞及腐蝕；后者系統復雜程度高，投資運營成本高。從適用范圍看，前者易推廣應用，后者對水質有較高要求。從年運營管理費用看，前者電耗約315.8萬元（總功率308W），員工工資約12.5 萬元，運維費用約15.0 萬元；后者對應數據分別為約322.4 萬元（總功率460W）、12.5 萬元、18.0 萬元。由性價比看，開式循環水系統具有比較大的優勢。兩種系統設備投資情況見表1。

表1 開式與閉式循環水系統投資成本比較

5 結語

總之，空分預冷系統運行中，需要預防常溫水、冷凍水造成的結垢、堵塞問題。通過以上初步分析，可以看出，對常溫水結垢、堵塞問題的解決可以通過設置備用系統、嚴格控制水質，以及配套節能、過濾裝置實現。對冷凍水結垢、堵塞問題，可以選擇閉式系統改造與取代生消水取代冷凍水的辦法。通過比較開式與閉式循環水系統可以看出，常用的開式系統優勢相對較大，因此，建議在改造空分預冷系統時，宜結合實際需求選擇性價比較高的開式系統。