空分裝置預冷系統在線清洗應用實例

葉鴻飛

(中國中煤能源集團有限公司，北京 100120)

0 前言

中煤鄂爾多斯能源化工有限公司設計建設規模為年產2 000 kt合成氨、3 500 kt尿素項目，一期工程年產1 000 kt合成氨、1 750 kt尿素，一期項目配置2套40 000 m3/h(標態)空分裝置。空分裝置在試運行1年多時間中，由于循環水的水質問題，2套空分裝置在運行中均發生空冷塔上部低溫水分布器堵塞及氨冷器換熱管束堵塞的問題，對空分裝置的安全穩定運行造成很大影響。

1 空分裝置預冷系統工藝流程

該預冷系統主要由空冷塔、水冷塔、氨冷器及4臺水泵組成。預冷系統工藝流程示意見圖1。

空冷塔為裝有2層塔料的填料塔，空氣由空氣壓縮機送入空冷塔底部，由下往上穿過填料層，被從上往下的水冷卻，并同時洗滌部分NOx，SO2，Cl-等有害雜質，最后穿越頂部的絲網分離器，空冷塔出口氣體(溫度約10 ℃)進入純化系統的純化器。

進入空冷塔的水分為2段：下段為循環水的冷卻水，經常溫水泵加壓，流量約為480 m3/h、溫度約為28 ℃，進入空冷塔中部自上而下冷卻壓縮空氣，最終匯聚在空冷塔底部，通過調節閥送入循環水回水系統；上段為來自水冷系統的低溫水，經水冷塔與由分餾塔來的多余污氮氣進行熱質交換冷卻后，由低溫水泵加壓, 流量約為100 m3/h、溫度約為25 ℃，進入氨冷器與液氨換熱， 換熱后水溫度約為8.3 ℃，最后送入空氣冷卻塔上部，自上而下冷卻壓縮空氣，最終匯聚在空冷塔底部，通過調節閥送入循環水回水系統。

圖1 預冷系統工藝流程示意

2 存在的問題

低溫水經過低溫水泵加壓，通過氨冷器冷卻后進入空冷塔上部的低溫水流量逐漸降低，由100 m3/h降至60 m3/h；空冷塔出口空氣溫度由約10 ℃逐漸升至約17 ℃；氨冷器的換熱能力也逐漸下降，要通過不斷提高液氨液位和降低氣氨壓力才能將氨冷器出口水溫度控制在約8.3 ℃。由于空冷塔的出口空氣溫度偏高，導致空冷塔的出口空氣中帶水量偏大(例如8 ℃飽和空氣中的含水量為8.28 g/m3，10 ℃飽和空氣中的含水量為9.35 g/m3，飽和空氣溫度每提高1 ℃，則含水量增加約0.54 g/m3)，長期運行會對分子篩及分餾塔造成安全隱患，為此，決定在不停車的情況下解決此問題。

3 清洗方法

3.1 高壓水射流清洗

由于1套系列空分裝置負荷較低，采用隔離氨冷器的辦法，低溫水通過氨冷器旁路閥V1163進入空冷塔上部,加大進入水冷塔的氮氣和污氮氣流量，最大程度降低水冷塔出口水溫度。將氨冷器隔離出來，打開氨冷器水側封頭，發現氨冷器水側管束結垢比較嚴重，甚至部分管束已經結垢堵死。經取結垢樣分析化驗，結垢主要成分為CaCO3和MgCO3。為此，采取高壓水射流方法，對氨冷器水側管束逐根進行清洗，氨冷器清洗完畢并投入使用后，其氨冷器出口低溫水流量由原先的60 m3/h升至85 m3/h，空冷塔出口空氣溫度也由約17 ℃降至約15 ℃。

3.2 濃硫酸在線清洗

空冷塔出口空氣溫度雖然降至約15 ℃，但還是達不到設計值(<12 ℃)，為此，決定用濃硫酸進行在線清洗。用50 L/h的計量泵進口接至硫酸槽，出口接至低溫水泵的進口管道處，濃硫酸通過該計量泵加壓送入低溫水泵進口，與低溫水混合后經過氨冷器、分布器，最終進入到空冷塔內。在酸洗過程中，一定要緩慢添加少量濃硫酸，控制濃硫酸與低溫水混合后的水中pH在5～6，并且控制一次連續加酸時間在2～3 h。濃硫酸稀釋后有強烈的腐蝕性，如果加入量過大，持續時間長，則會對碳鋼管道造成強腐蝕。當濃硫酸與低溫水混合流過氨冷器換熱管束、分布器蓬頭時，與附著在管束和蓬頭上的CaCO3和MgCO3反應生成CaSO4、MgSO4，雖然CaSO4、MgSO4不溶于水，但是在反應時生成的物質顆粒被低溫水沖走，使換熱管束及蓬頭上的部分水垢剝落，對疏通換熱管束及蓬頭起到一定的作用。

采用濃硫酸在線清洗后，進入空冷塔上部的低溫水流量由85 m3/h升至100 m3/h，空冷塔的出口空氣溫度也由約15 ℃降至約13 ℃，大大降低了空冷塔出口空氣中含水量，減輕了分子篩的運行負荷。

濃硫酸在線清洗具有很大的局限性，只能起到一定的緩解作用，在緊急情況下可以使用，但是并不能徹底解決換熱管束及蓬頭結垢堵塞的問題。濃硫酸稀釋后具有強烈的腐蝕性，長期使用會對管道及設備造成損壞，并對操作人員也存在不安全因素。

3.3 氨基磺酸在線清洗

考慮到濃硫酸在線清洗的缺點，改用氨基磺酸進行在線清洗。清洗原理：氨基磺酸水溶液具有與鹽酸、硫酸等同等的強酸性，采用氨基磺酸與水垢反應生成可溶性的鈣鹽、鎂鹽，最終達到清除系統中存在的水垢目的。加入消泡劑防止產生泡沫(如果產生泡沫也會導致出空冷塔空氣大量帶水，對分子篩及分餾系統運行造成威脅)；加入緩蝕劑防止清洗過程對管道及設備造成損傷。

3.3.1 氨基磺酸與水垢反應的機理

CaCO3+2NH2SO3H=Ca(NH2SO3)2+H2O+O2↑

MgCO3+2NH2SO3H=Mg(NH2SO3)2+H2SO4

CaSO4+2NH2SO3H=Ca(NH2SO3)2+H3SO4

3.3.2 氨基磺酸在線清洗步驟

(1) 安裝清洗泵，并將其進口接至清洗藥劑槽底部、出口接至氨冷器出口低溫水泵出口管道，在其出口安裝流量控制閥。

(2) 按比例加入水、氨基磺酸、緩蝕劑、消泡劑、滲透劑等藥劑；定時取樣分析清洗藥劑槽中酸洗液的pH，酸洗過程中酸洗液中pH控制在1～2。

(3) 在清洗藥劑槽中應掛入與清洗系統中所有材質相同的腐蝕監測試片(碳鋼測試掛片和銅測試掛片)。

(4) 關閉清洗泵出口流量控制閥，打開清洗泵進口閥門和回流閥，啟動清洗泵進行自循環，使得清洗藥劑槽中的藥劑混合均勻，同時及時檢測清洗藥劑槽中酸洗液中的pH。

(5) 當清洗藥劑槽中酸洗液混合均勻后，緩慢打開清洗泵出口閥門，緩慢關閉清洗泵回流閥，控制清洗泵出口壓力與低溫水泵出口壓力接近。酸洗液進入到低溫水泵出口管道內與低溫水混合后，與管道內污垢進行化學反應，污垢被剝離、溶解，通過低溫水分布器噴出，溶解于系統循環水當中，以達到清洗除垢目的。

3.3.3 注意事項

(1) 適當開大分子篩進口空氣管道排污閥，由專人監控；如果發現排污閥排出空氣中夾渣少量水汽，立即減少或者停止進入管道內的酸洗液，在酸洗液中加大消泡劑的投入量，防止發生出空冷塔空氣帶水，導致分子篩進水的事故。

(2) 按時取樣化驗空冷塔出口循環水回水中總鐵含量和pH，同時監測清洗藥劑槽中測試掛片的腐蝕速率和腐蝕量。檢測要求：總鐵質量濃度<1.0 mg/L，pH在6.5～9.5；碳鋼和銅掛片的腐蝕速率、腐蝕量均符合《工業設備化學清洗質量標準HG/T 2387—2007》規定。

(3) 加強監控低溫水流量、空冷塔出口空氣溫度、空冷塔阻力及空冷塔底部液位。

(4) 防止清洗溶液中Cl-對設備和管線中不銹鋼材質的腐蝕，應控制清洗溶液中Cl-質量濃度≤25 mg/L。

(5) 清洗液中氨基磺酸質量分數與pH的關系: 氨基磺酸質量分數為10.00%，5.00%，3.00%，1.00%，0.25%分別對應的pH為0.40,0.63,0.85,1.19,1.72。在清洗過程中，若清洗液中pH上升至3.5時，說明藥品不足，需要補加藥品氨基磺酸。

(6) 當氨冷器出口低溫水流量達到設計流量(100 m3/h)，且低溫水流量控制閥有調節余量時，則應停止清洗。

4 驗收標準

按照《工業設備化學清洗質量標準HG/T 2387—2007》，化學清洗完畢后要進行設備結構材料的腐蝕率、腐蝕量、除垢率及洗凈率驗收。由于此次化學清洗是在設備運行中進行的，不具備設備結構材料的腐蝕率、腐蝕量、除垢率及洗凈率驗收的條件，只能通過清洗藥劑槽中測試掛片的腐蝕速率、腐蝕量及工藝控制流量、溫度來進行最終的驗收。

檢測清洗結果：碳鋼測試掛片的腐蝕速率<6 g/(m2·h)，腐蝕量<72 g/m2；銅測試掛片的腐蝕速率<2 g/(m2·h)，腐蝕量<24 g/m2；氨冷器出口低溫水流量為100 m3/h，空冷塔出口空氣溫度<12 ℃。

依據以上檢測清洗結果可以看出，清洗藥劑槽中測試掛片的腐蝕速率、腐蝕量均符合《工業設備化學清洗質量標準HG/T 2387—2007》規定，同時出氨冷器低溫水流量和出空冷塔空氣溫度均達到工藝設計值，說明此次化學在線清洗合格。