空分設備預冷系統的運行操作研究

蔣 旭

(深圳市海格金谷工業科技有限公司，廣東 深圳 福田 泰然大廈 B座 518026)

隨著國民經濟的不斷發展，特別是大型冶金、大型石化、大型煤化工等行業的迅猛發展，使得市場對空分裝置的需求越來越多，推動了空分技術的發展進步。在技術更新迅速，產品創新日新月異的今天，空分設備的設計也取得了較大進步，國際化程度越來越高。預冷系統作為原料氣體進入純化系統及冷箱內的常溫處理工藝，在空分裝置系統之中的地位不言而喻。預冷系統的運行性能對整套空分裝置的性能影響重大，在設計當中不容忽視。

1 預冷系統設備的組成

預冷系統的設備有空氣冷卻塔、水冷卻塔，常溫水泵，低溫水泵，冷水機組。

空氣冷卻塔的作用為把出空壓機排出的高溫氣體冷卻到～12 ℃，以減小純化系統的負荷。其結構為立式圓筒型塔，共有兩段，上下段均為填料塔，在空冷塔的塔頂設有分配器，出口端設置有不銹鋼絲捕霧器。在空分裝置工作時出空壓機的空氣從下部進入空氣冷卻塔，水自上部進入，通過槽式水分布器均勻地分布到填料上，順著填料的空隙流下，空氣則逆流與水進行熱質交換，經過頂端的不銹鋼絲網捕霧器出塔，進入后面的分子篩吸附系統。

水冷卻塔的作用為用空分冷箱排出的污氮氣和純氮氣來冷卻循環水系統的供水，冷卻后的水由水泵送入空冷塔的上段。其結構為散堆填料塔，在水冷卻塔的頂設捕霧器和水分布器，填料一般分兩層裝入塔內，在兩段填料的中間設再分配器，保證讓水均勻分布，從而可以提高水冷塔的效率。在水冷卻塔工作時被冷卻的水自上而下流經填料，與空分出來的大約33.6℃的污氮氣和純氮氣進行換熱，降低水溫，在塔底被冷凍水泵抽走，污氮氣從水冷卻塔的塔頂排出。

冷卻水泵、冷凍水泵為給水加壓的設備，冷水機組為冷卻水的裝置。

2 預冷系統的流程選擇

空分裝置的預冷系統有氮水預冷系統和冷氣機組兩種。氮水預冷又按照循環回水流程劃分有兩種，一種冷凍水大循環，一種冷凍水小循環。小循環即是空冷塔中部回水流程，主要用于水資源缺乏的北方，但存在一個問題就是這部分水存在干蒸發結垢，所以對補充水質要求較高。

在預冷系統的流程組織型式上，氮水預冷系統可分為有外加冷源和無外加冷源兩種，其中有外加冷源的又可按冷源的不同種類分為冷水機組提供外加冷源、液氨蒸發提供外加冷源和溴化鋰溶液三種，而液氨蒸發提供的冷源適合于具備有液氨條件的化工行業廠家，溴化鋰溶液的適合有余熱利用的工廠。大型空分裝置的預冷系統是否需要外加冷源，取決于氮水塔的冷卻情況，即當氮氣產品量比氧氣產品量小時，這樣僅靠水冷塔降低水溫提供的冷量，就能將出空冷塔的空氣溫度降至12℃左右時，可采用無外加冷源的預冷系統，在無外加冷源的條件下，由于進純化系統吸附器的空氣溫度較高，此時分子篩吸附劑用量需要提高，這時再生氣量增加，導致去水冷塔的污氮量減少，出空冷塔的空氣溫度會略有上升，預冷純化系統產生相互關聯影響，尤其在夏季氣溫較高的惡劣條件下，有外加冷源要比若無外加冷源，預冷純化系統的穩定運行將更加有保障。

3 預冷系統的安裝及維護

空分裝置預冷系統的設計由工程設計考慮，并應注意以下要點[1]：

1. 要求嚴禁在塔體上動火，在安裝過程中，塔體的垂直度應符合JB 4710的規范要求；空氣冷卻塔在安裝就緒后做密封試驗。空氣冷卻塔的低溫段和水冷卻塔的冷段、空氣出空氣冷卻塔管道和污氮氣進水冷卻塔管道以及冷水管道均應有保溫措施，對于北方地區，液位測點應有防凍設施，以免液位計管路凍結，使液位控制故障。

2. 在安裝空氣冷卻塔及水冷卻塔的內部零件與填料時，填料必須盡量裝滿，防止在運行時，填料在塔內跳動。由于水冷卻塔當中含有污氮，所以在檢修預冷系統的水冷卻塔前，應先用空氣進行置換，徹底驅除塔內及管路中的污氮氣，進塔前半小時內還應對設備內的氣體進行取樣分析，含氧量大于20%時才能進人進行檢修，以確保檢修人員的人身安全。

4 預冷系統的運行操作

一般空分裝置在啟動時，先啟動空壓機，然后再啟動預冷系統，具體的操作步驟如下。

4.1 啟動前檢查

1. 各儀表顯示正常，儀表氣壓力正常。2. 循環水系統已啟動，水壓≥0.35 MPa。3. 各氣動閥動作指示準確，各手動閥靈活好用。4. 常溫水泵、冷凍水泵已盤車并確定無故障。5. 常溫水泵、冷凍水泵、預冷機電源已通，且預冷機已提前通電8 h。6. 空冷塔出口空氣壓力≥0.4 MPa。7. 水冷塔液位補充至正常液位。8. 空冷塔底部液位400 mm。9. 各氣動閥前后手動閥已全開，其余閥門關閉。10. 預冷系統全部聯鎖已投入。

4.2 預冷系統的啟動

1. 啟動常溫水泵WP1或WP2，打開水泵進口閥，稍開排氣閥排掉泵內空氣后關閉；注意啟動水泵，如果壓力上不來說明還有氣，需要再次排氣，直到水泵正常工作。待壓力升起后，緩慢打開水泵出口閥；出口流量控制在參數要求范圍內。

2. 啟動低溫水泵WP3或WP4，打開水泵進口閥，稍開排氣閥排掉泵內空氣后關閉；注意啟動水泵，如果壓力上不來說明還有氣，需要再次排氣，直到水泵正常工作。待壓力升起后，緩慢打開水泵出口閥，調整進空冷塔流量至參數要求范圍。

3. 啟動冷凍機，調整出口水溫，確保冷凍水進空冷塔溫度在7～10℃。

4. 根據空冷塔出口溫度調整進空冷塔循環水流量，確保空冷塔出口溫度在8～12℃。

5. 調整水冷塔進水閥門，空冷塔回水閥門，保持空水冷塔液位在合格范圍內，閥門投入自動。

4.3 預冷系統的停車

1. 提前5～10 min，停冷凍機。2. 停常溫水泵，關閉水泵出口—停電—關水泵進口。3. 停冷凍水泵，關閉水泵出口—停電—關水泵進口。4. 空冷塔液位打開自動排水閥，排凈空冷塔內液體。5. 如長期停車，排掉空水冷塔內存水。

5 新型預冷系統

新型預冷系統的工作原理為來自原料空氣壓縮機的空氣進入預冷系統的空氣冷卻塔中冷卻，空氣在直接接觸式空氣冷卻塔中與水進行熱質交換，降溫至12℃，然后進入交替使用的分子篩吸附器。用于冷卻空氣的水為冷凍水的則是來自循環水網，先進入水冷卻塔中，利用分餾塔來的廢氣(包括污氮和富余氮氣)的含水不飽和性降低水溫，經過冷凍水泵加壓后進入空冷塔的頂部。

該預冷系統適合于裝置規模為2000～4000 Nm3/h小型空分裝置的設計合理且投資較省的新型預冷系統，當空分設備的產品氮氣量小時(氮氣產品量：氧氣產品量小于1∶1)，這樣出冷箱的氮氣及污氮氣量較大，帶來的系統冷量較大，這種情況下不需要設置冷水機組，即可滿足空氣冷卻塔的出口空氣溫度要求，由于所需冷凍水量較小，且冷卻水自空氣冷卻塔中部進入，換熱效率較差，因此采用只設置一路冷凍水，而不設置冷卻水管線，這樣既滿足了空分設備預冷系統的要求，有效節省了2臺冷卻水泵、2臺水過濾器、1臺氣動調節閥門、1臺流量計、冷卻水管路及相關手動閥門等投資，同時冷卻水和冷凍水一起自空氣冷卻塔頂部進，與塔內的散堆填料全段換熱，空氣冷卻塔的換熱效率可提高30%。

圖1 新型預冷系統流程圖

新型預冷系統包含空氣冷卻塔、水冷卻塔、冷凍水泵、水過濾器、氣動調節閥門、水流量計(電磁流量計)等，在空分裝置當中的作用是冷卻來自原料空氣壓縮機的空氣，使其能夠滿足后續純化系統的凈化溫度要求。新型預冷系統與現有技術相比，具有如下優點：

1. 對于預冷系統當中的空氣冷卻塔只設置冷凍水一路進水，少了冷卻水進水管路，少了冷凍水進水的水分布器、冷卻水進水的氣動調節閥門、冷卻水流量計、兩臺冷卻水泵、一套冷卻水閥門，這樣投資會節省不少。

2. 由于將預冷系統當中的冷卻水和冷凍水合并為一股，對于空氣冷卻塔而言，冷凍水自空氣冷卻塔的頂部和空氣換熱，較原來的冷卻水和冷凍水兩股進空氣冷卻塔，換熱效率要高30%，這樣冷凍水的流量有所減小，水泵的電耗也會節省一些。

3. 針對裝置規模為2000～4000 Nm3/h的小型空分裝置的預冷系統，精簡管路使得裝置操作更為簡單方便，在預冷溫度能滿足后續純化系統工作的情況下，可適當提高空氣出口溫度，使得預冷系統在性能保證的前提下，操作控制簡單，可實現自動化。

6 結束語

空分裝置預冷系統是空氣分離成套裝置的重要系統，它的主要作用是將來自空分壓縮系統的原料空氣進行洗滌并冷卻至一定溫度，載體為散堆填料，冷流體一般是來自涼水塔的冷卻水和來自水冷塔經過污氮冷卻的冷凍水。對于空分設備預冷系統的設計，同預冷系統的運行操作直接相關，空冷塔一般采用直接接觸式塔降低空氣溫度，改善純化系統的工作環境，同時洗滌空氣中的機械雜質和酸性氣體，目前普遍采用高效低阻散堆填料塔，既保證了塔的換熱性能，又減少了阻力，降低了空壓機出口壓力，從而降低了空分裝置的能耗。