空分裝置氨冷器設備結垢原因分析及對策

李創業，邴牛劍，季為持，韋 磊，王彬彬

(安徽晉煤中能化工股份有限公司， 安徽臨泉 236400)

1 概述

安徽晉煤中能化工股份有限公司(簡稱中能化工)所用的KDON32000/71500型空分設備由開封空分集團有限公司設計制造，該工藝采用汽輪機拖動、全低壓分子篩凈化吸附、增壓透平膨脹制冷、雙泵內壓縮流程、規整填料精餾塔等行業先進的流程技術和設備[1]。整個裝置于2015年6月安裝結束，具備單體試車條件，7月20日正式開車，8月1日開始向后段供氧氣、氮氣，同時產出液氧、液氮產品，此套空分裝置自原始開車至今一直運行比較穩定[2]。KDON32000/71500型空分預冷系統流程簡圖見圖1。

圖1 空分預冷系統流程

2 空分裝置結垢及原因分析

自2016年7月以來，空分空冷塔出口溫度逐漸升高，冷凍水流量逐漸降低，由于空冷塔出口的氣體溫度升高，對應的空氣中水含量增加，造成分子篩的負荷加大;同時空氣溫度的升高，對整個空分裝置來說，所需制冷量增加，膨脹空氣量加大，增壓機負荷增加，造成空分整體能耗加大，給生產帶來一定的影響。2016年7月和2017年5月的生產數據見表1。

表1 生產數據對比

2.1 裝置拆檢情況

2017年5月20日因后段氣化崗位檢修，空分系統停運，按計劃例行檢查各換熱器表面清潔情況，拆開空分裝置各段換熱器，整體表現良好，但氨冷器換熱器出現結垢，見圖2。

由圖2可以看出：2016年5月拆檢時，氨冷器換熱器表面基本干凈，管束也干凈；2017年5月拆檢時，氨冷器換熱器表面有較多白色粉末垢樣，管束里面為石膏狀固體垢樣。

2.2 水質分析

選取2016年2月—2017年5月間產生的水，分析其水質變化趨勢，見圖3～圖6。

由圖3～圖6可知：水的pH整體偏高，結垢趨勢較明顯；2016年2月1日—5月1日，電導率<2 400 μS/cm,隨后電導率整體上升，最高到3 700 μS/cm，波動幅度較大；前期堿度基本控制在4～6，從2017年4月開始基本控制在7～9；2016年2月1日—5月1日，鈣硬度控制較好，在4～5 mmol/L之間，但后期的波動較大，最高到11 mmol/L。

(a) 2016年5月拆檢

圖2氨冷器換熱器拆檢情況

2.3 原因分析

換熱器所結的垢為“低溫垢”，其形成的主要原因有以下三個方面：

圖3 不同日期的pH

圖4 不同日期的電導率

圖5 不同日期的總堿度

圖6 不同日期的鈣硬度

(1) CaCO3晶體的特點是隨著溫度的降低，CaCO3的溶解度增大，因此在系統的低溫區(6～8 ℃)，溶解在水中的CaCO3已非常多，以介穩態(亞穩定狀態)存在，這時水質和外界條件的微小變化都會導致CaCO3結晶重新析出。

(2) 由于CaCO3在0 ℃時的溶解度為20 ℃時的兩倍，CaCO3在低溫時(<4 ℃)濃度增加，使得水系統極易生成帶6個結晶水的CaCO3晶體，即CaCO3·6H2O。這種晶體的形成速度很快，是無水碳酸鈣形成速度的10～20倍，因此在常見空冷塔的布水器，氨冷器進口等低溫區均容易形成結垢物質[3]。

(3) 正常情況下水質穩定劑是通過鈣離子、鎂離子的絡合作用以及對CaCO3微晶核的溶限、分散、晶格畸變等作用，擴大CaCO3的介穩區，起到穩定水質的作用。由于阻垢劑多為水溶性陰離子高分子聚合物和化合物，其與鈣離子、鎂離子形成的絡合物，在水溫降低時溶解度下降，尤其是濃縮倍數提高后，阻垢劑濃度和鈣離子、鎂離子增加，形成的絡合物在低溫區析出沉淀的可能性更大，同時水穩劑在低溫下也一定程度決定了藥劑在低溫換熱材質表面析出晶體的可能。

循環水流進氨冷器之前已經從30 ℃以上降到16～18 ℃，而后又繼續降溫至8.5～10 ℃，CaCO3溶解度經歷了先降到最低、后又有所增加的過程，此時CaCO3處于介穩態，極易析出，溶解、析出過程反復出現，當滿足上述(1)、(2)兩個條件時，CaCO3就以結晶水合物的形式析出。

3 解決方案

3.1 更改系統補水方式

更改系統補水方式，將循環水池補水移至水冷塔處，降低局部離子濃度。系統補水移至水冷塔處后，通過低溫水泵打入氨冷器，可起到局部稀釋的作用，以降低局部離子的濃度，緩解冷結垢的趨勢。如果按照循環水補水量200 m3/h、補水鈣硬度1.5 mmol/L來計算，若此部分用水流量均小于200 m3/h，則可近似認為該氨冷器進水鈣硬度為1.5mmol/L，如此運行將大大緩解此處的結垢趨勢。

3.2 增加pH傳感器

3.3 運行中嚴格控制濃縮倍數，鈣硬度值

運行中可以根據電導率控制排污，從上述趨勢圖可以看到，原先控制波動過大，操作中控制隨意，這些都會導致冷結垢問題的發生，現要求循環水水質初期控制電導率不超過2 500 μS/cm，鈣硬度控制在4～5 mmol/L，鈣硬度與堿度之和小于8 mmol/L，即堿度控制在3～4 mmol/L。

4 結語

運行中做好循環水水質指標的監控，保證充分的置換用水，并合理控制操作溫度，預冷系統雜質濃縮現象完全可以避免;適時監控空冷塔水質, 在保證空分設備經濟運行的基礎上，做好循環水藥劑的配比，可以消除預冷系統水雜質濃縮現象的發生，從而避免對系統的影響[4]。