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空气预冷系统工艺优化设计分析

发表时间：2020/8/5 来源：《基层建设》2020年第10期作者：杨妍

[导读] 摘要：目前空分设备发展迅速，在满足用户需求的基础上，对系统优化设计，以此降低用户运转费用，减少制造成本及运输成本。

        新疆庆华能源集团有限公司新疆伊犁 835000
        摘要：目前空分设备发展迅速，在满足用户需求的基础上，对系统优化设计，以此降低用户运转费用，减少制造成本及运输成本。空气预冷系统设计中易产生认识误区，文章对优化设计重要性分析，提出在满足用户要求基础上，最大限度的实现对空气预冷系统高效、经济设计。
        关键词：空分设备；空气预冷系统；优化设计；经济性
        1、关于空气预冷系统
        空分设备中，空气预冷系统是保证设备稳定运行的基础，其位于空气压缩系统及分子筛纯化系统之间，空气预冷系统由空气冷却塔、水冷却塔、水泵及水过滤器等组成，空气预冷系统可降低空气温度、含水量，并除去大部分水溶性有害物质如NH3、HCl、SO2、NO2等，避免分子筛遭到有害物质影响，以此确保分子筛的吸附性。
        2、空气预冷系统部分认识错误及优化设计
        空气预冷系统往往容易忽视某些因素，导致运行不畅。若可明确具体误区，则可对空气预冷系统优化设计，降低成本。以下对可能出现的误区分析：
        2.1水冷却塔设计及氮气量关系
        水冷塔中水与污氮气逆流接触，气液组成沿塔高不断变化。两相接触中，污氮气与水存在温差，水中热量传递给污氮气；污氮气本身较为干燥，和水有明显湿度差异，水分子向污氮气汽化，导致污氮气湿度不断增加，由于水的汽化需要吸收大量的汽化潜热达到水温下降目的。影响水冷却塔降温效果的因素很多，如：水量、液体分布器结构以及填料的种类等等，但是其中关键的因素为喷淋水量与气体流量比值。因为污氮气中饱和含水量是有一定限度的。所以水冷塔中水温能够降低多少，首先取决于水与气比值。如果忽略这个基本原理，对水冷塔的喷淋水量不加节制，其结果将大大降低水冷塔冷却效果。要针对用户的污氮气产量及实际使用情况，决定是否设置冷水机组。若用户产品氧、氮为1：1，可配置冷水机组。若用户产品氧、氮为1：2，应配置冷水机组。
        2.2用户水质对预冷系统的实际影响
        空气、污氮气及循环水都是空气预冷系统重要物料，而水质质量也就直接关系到空分设备系统能否稳定运行。不同区域水质不同，部分地区水质较差，其水硬度高，易产生水垢。水垢出现后将影响空气预冷系统实际换热效果，空气预冷系统换热效果不好，就会导致装置出现故障。因此，空气预冷系统需加入水处理装置，有效避免水垢产生。若设备结垢后再安装水处理装置，将徒增成本、清洗成本、人工成本。当下空冷塔及水冷塔多为填料结构，部分用户空冷塔初期效果突出，但是1-2年后塔阻力逐渐增加，可能出现喷水现象。检查后发现不是工况指标波动影响，很可能为塔内填料堵塞导致。究其原因，可能是空气中残存固体颗粒遭洗涤、沉积和用户水质导致阻塞，若用户循环水水质硬度较高，在30℃冷却水与100℃高温空气热交换，导致填料及冷却水快速升温，水中的Ca（HCO3）及Mg（HCO3）遇热分解为CaCO3和MgCO3，而CaCO3和MgCO3水温度升高溶解度减小从而形成水垢，造成阻塞。而水冷塔中部分水向污氮气扩散蒸发，污氮气放空排出后，循环水相当于浓缩处理，一些盐分将以结晶析出，形成水垢。填料结垢，影响传热效果，也易产生腐蚀。严重者甚至导致塔内阻力上升，产生液泛，影响系统运行。以某公司空分设备为例，某天工作人员在日常管理中发现，设备某分子筛系统出口压力下降，空冷塔液位降低，初步判断发现为系统阀门泄漏故障。对各项参数检查，发现空冷塔阻力，达到满程且超过报警值，空分塔阻力也大量上升。之后现场对空冷塔出水管道及进口管道疏水器手动旁通阀检查，发现排出大量的泡沫水分。由此可见，水质会严重影响空气预冷系统对空气的处理。
        3、空气预冷系统工艺设计建议
        3.1预冷方式选择
        空气预冷系统各个设备要科学布局，选择合适的预冷方式。预冷方式要考虑到投资平衡性，分析具体设计条件、水质控制、安全操作及管理等，开展有针对性的研究，找到量体裁衣最佳解决方案。

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        3.2出空冷塔温度选择
        出空冷塔温度若是过高，将会导致分子筛纯化系统负担过重，需投入更多吸附剂以确保分子筛纯化稳定运行。这就会耗费大量再生能耗，对应空气进换热器的实际温度不断增加，系统整体成本消耗过大。而若是降低出空冷塔的温度，则需要预冷系统充分做功，提供冷却。但是进水冷塔氮气量无法更改，额外的制冷则需冷冻机支持，降低温度增加设备能耗。为保证系统稳定性，要选择合适的空冷塔出口温度，在达到最佳效果的同时，也能减少能耗，平衡投资。此外，还要考虑到一些设备及能耗市场价格不同，对应出空冷塔温度平衡点不同，因此需针对实际情况科学计算，找到能耗平衡点，将出空冷塔温度控制在10-14℃。
        3.3循环水系统水垢预防处理
        空气预冷系统运行中，空冷塔高温区钙、镁析出形成高温垢，水冷塔低温区水蒸发大量，导致循环水浓缩形成低温垢，容易导致空气预冷系统异常。预防处理水垢以下方式：可以对循环水定期取样分析，向循环水系统投加阻垢剂、缓蚀剂、杀菌剂，对循环水系统定期进行剥离清洗，空冷塔、水冷塔用水采用部分脱盐水，确保水质达标。若发现已经出现水垢，可采用以下方式：1）停车将空冷塔、水冷塔填料扒出，使用酸性溶液浸泡除垢；2）在线以酸液连续循环清除水垢，要注意水温及分子筛切换的时间合理，避免纯化器之后二氧化碳含量超标，引发事故；3）停车更换结垢与破碎填料环保证空气预冷系统完整换热。
        4、提高空气预冷系统冷却效果可以带来的经济效益
        4.1延长纯化器活性氧化铝和分子筛13X-APG使用寿命
        降低空气冷却塔出口温度，使空气饱和含水量减少，对纯化器吸附剂吸附负荷降低，延长吸附剂使用寿命，吸附剂每延长1年使用周期，可节省126万元。
        4.2减少纯化器特殊再生频次
        降低低压蒸汽和减温水消耗量，若空冷塔出口空气温度高导致含水量大，纯化器吸附负荷大，导致纯化器解析不彻底，吸附末期二氧化碳超标，每年必须高温活化1次（原设计2年一次高温活化，目前运行出口二氧化碳超标，必须每年进行1次高温活化）。
        减少特殊再生时加热、恒温、降温阶段消耗低压蒸汽和减温水费用。
        4.3减少故障停车时间
        若空冷塔出口温度过高，必然会导致出口含水量增加，进而导致纯化器吸附末期二氧化碳严重超标。多次超标会导致冻堵高低压板式换热器、膨胀机，换热器温差增加和膨胀机损坏，无法保证装置的正常运行，需要进行停车加温吹除，以此增加非计划性停车频繁出现。
        以100000Nm3/h氧气空分装置为例，装置停车升温约用时，冷却、积液、调纯约用时36h，共计60h，若停一套空分甲醇产量减少2500t/d计算，一套空分停车60h，甲醇盈利200元/t计算，累计损失2500×2.5×0.02=125万元。
        5、结语
        综上所述，空气预冷系统由于自身可起到良好的降温、除湿、洗涤空气效果，故在各行各业都有较广泛的应用，但是实际工作中空气预冷系统认识误区较多，需具体问题具体分析。新时期分子筛吸附净化技术进一步发展，空气预冷系统的能量损失得到有效控制，可保证分子筛吸附净化技术稳定运行。但是，若系统出现故障，会影响空分设备的继续运行，需采取科学有效的预防措施，提前处理，发现设备可能存在的安全隐患，及时处理，保证系统稳定运行。空气预冷系统是空分设备流程重要内容，实际操作中需按照实际要求、设计条件等，考虑到性能及能耗，找到两者平衡点，选择科学的空气预冷流程，保证空分设备的稳定性。
        参考文献：
        [1]崔鑫，张思聪，闫伟超，etal.蒸发冷却预冷式复合空调系统在热带潮湿环境下的性能[J].西安工程大学学报，2019（4）：375-379.
        [2]孙健，陈璐启.节能技术在空分设备空气预冷系统中的应用[J].深冷技术，2014（4）：36-39.
        [3]孙钢.空分设备空气预冷系统技术改造[J].深冷技术，2013（4）：18-20