空分裝置開式、閉式預冷系統的經濟性比較

賴寒

摘要：介紹了空分裝置預冷系統最常規的兩種流程組織形式，開式和閉式系統的各自特點。從循環水耗量、空分裝置運行能耗的影響和設備投資等方面進行了比較，總結出兩種系統各自的優缺點和適用性。

關鍵詞：空分裝置；預冷系統；開式系統；閉式系統；比較

目前在空氣分離裝置中較為常用的預冷系統是采用開式系統和閉式系統兩類。本文將針對這兩種預冷系統型式的適用性、優缺點、經濟性作一個較為詳細的比較、總結，以期在新上項目中，能合理的選用預冷系統型式。

1.循環水對預冷系統的影響

1.1循環水中較為重點關注的指標是氯離子和鈣硬度

氯離子含量過高，會導致不銹鋼材料的點腐蝕，從而降低不銹鋼材料的性能，甚至使結構出現坍塌，縮短使用壽命年限。

硬度是一個容易被忽視的問題，硬度過高，在作用溫度較高時，會造成結垢，堵塞換熱通道，降低換熱效率，同時也使空冷塔底部的排水口易于堵塞，造成排水不暢，嚴重者會使空冷塔液泛，大量游離水進入分子篩，致使分子篩中毒失效，需停機處理，更換分子篩等一系列影響生產連續運行的穩定性、降低經濟效益。

1.2一般空分裝置的用水量相對較大，在西北等水資源匱乏的地區，宜采用閉式水系統，增加預冷系統內的循環倍數，降低水的消耗量，從而節約用水，積極響應國家號召。

2.空分裝置流程參數的選定

由于僅幾年為煤化工項目配套的空分裝置都走向了大型化，本文將以80000氧氣等級的空分為例，針對預冷系統從流程型式、能源消耗、投資成本等方面進行計算比較，以期作出合理的評價。此處僅僅考慮主管網中由于系統形式不同而需求的水流量不同的影響，不考慮水的蒸發損失、排污以及補充水的影響。

3.開式預冷系統

3.1主要設備配置

兩段填料式空冷塔，一段填料式氮水塔，冷卻水泵，冷凍水泵。

3.2工藝流程描述

待處理空氣：從空壓機末級排出的高溫高壓空氣直接進入空冷塔的下部，上升進入填料與從上面噴淋下來的冷卻水在兩段填料中進行熱濕交換，溫度降低，同時空氣中的酸性氣體以及大部分雜質都溶解于循環水中，在空冷塔頂部匯集形成飽和濕空氣，經管道送入分子篩純化系統。

循環冷卻水：循環水分成兩路，一路經冷卻水泵加壓直接送入空冷塔中部進行噴淋，另一路直接送入污氮塔頂部，與污氮氣進行熱濕交換，溫度降低，從底部經冷凍水泵送入空冷塔頂部噴淋進一步冷卻空氣。

4.閉式預冷系統

4.1主要設備配置

一段填料式空冷塔，一段填料式氮水塔，冷凍水泵，空壓機后冷卻器。

4.2工藝流程描述

待處理空氣：從空壓機末級排出的高溫高壓空氣經空壓機末級冷卻器冷卻，溫度降低，然后進入空冷塔的下部，空冷塔只設置一段填料，空氣上升進入填料與從空冷塔頂部噴淋下來的冷凍水在填料表面進行熱濕交換，溫度進一步降低，同時空氣中的酸性氣體以及大部分雜質都溶解于循環水中，在空冷塔頂部匯集形成飽和濕空氣，經管道送入分子篩純化系統。

循環冷卻水：從外部供給的循環冷卻水進入空壓機末級冷卻器與高溫高壓空氣進行換熱，將空氣冷卻至一定溫度后，返回循環水回水管網。

循環冷凍水：空冷塔和污氮塔內的冷卻水為閉式循環。在空冷塔內，冷凍水與空氣在填料表面進行換熱，溫度升高，從空冷塔底部抽出送入污氮塔頂部，噴淋，在經過填料與污氮塔進行熱交換，溫度得到降低后，經冷凍水泵加壓又送入空冷塔頂部進行噴淋，至此，一個循環即完成。

5.開始系統與閉式系統的比較

5.1循環水消耗的比較

開式系統的小時用水量約為200+900=1100m3/h。而閉式系統由于預冷系統內的水為閉式循環，除了少量的補充水之外，無須從外界額外獲取水資源，消耗的水量僅僅在空壓機末級的冷卻器上，水量為980m3/h。兩者相比較，閉式系統的小時用水量節約了120m3/h，約11%。但是注意，閉式系統第一次運行時，須加注約230m3/h的脫鹽水。

5.2對于分子篩用量的影響

開式系統空氣出塔的溫度為13度，而閉式系統溫度為15.5度。由于空冷塔出口的空氣為飽和狀態，所以空氣溫度越高，其中的含水量越多。水對于分子篩的影響較大，必須確保分子篩的設計能滿足含水量的要求，則需要更多的吸附劑來滿足高含水量的要求。同時，由于有更多的水分進入分子篩，在再生時，需要更長時間的加熱冷吹時間或者更高的再生溫度，表明分子篩再生程序的電耗增大。

5.3對于空壓機和增壓機能耗的影響

相比于開式系統，閉式系統對機器電耗的影響主要影響在兩個方面：

第一個是對空壓機的影響。由于空壓機后面安裝了冷卻器，使得空氣管線上的壓降增大了，為了便于比較，使維持進入冷箱和增壓機的空氣壓力一致，則必須提高空壓機出口的排氣壓力，按照經驗，空壓機排壓需提高30kpa左右，排壓升高，軸功率升高。針對于目前8萬等級的空分來說，能耗增加約100kw。

第二個是對增壓機的影響。由于采用閉式系統，空氣進入分子篩的含水量增大，吸附劑吸收水分，放出熱量，使得流經其中的空氣溫度升高，相比于開式系統，溫升增加3度，即進入增壓機第一級的溫度也增加3度。按照功耗計算公式可知，3度表示增壓機第一級的功耗增加約1%。針對于目前8萬等級的空分來說，軸功率增加50kw左右。

5.4投資增加

前面仔細討論了運行費用的差距，從初期投資上來講，二者也是有差別的。從圖1和圖2可看出，閉式系統相比于開式系統，多了一臺大流量的氣水換熱器，而在空冷塔內少了一段填料及其相應的內件和2臺冷卻水泵。

6.運行成本和初期投資的比較總結

為了能進行較為詳細的經濟性比較，此處采用一種較常見的全生命周期內總投資最優的比較方法。

從上表的比較中可以看出，閉式系統在運行成本高出開式系統較多，特別是伴隨著裝置運行年數的增長，差距會越來越大。當然隨著各地區的公用工程價格不一致，設備采購的價錢不一致，上述差距會縮小，也有可能會呈現相反的狀態，應根據當地的資源情況和設備采購情況綜合考慮。

7.總結

開式系統與閉式系統各有優缺點，應從以下各方面因素加以綜合考慮，選定合適的預冷型式：

7.1水資源較為匱乏，但是電力資源相對充足，電價相對便宜，宜采用閉式水系統

7.2循環冷卻水水質情況較差，可能會引起其它設備選材的變化，投資增加，宜采用閉式水系統

7.3如果開閉式系統都可以接受，僅從流程組織和工藝評價上比較，應優先采用開式系統，從長久考慮，應優先采用開式系統