空分装置开式、闭式预冷系统的经济性比较

赖寒

摘要：介绍了空分装置预冷系统最常规的两种流程组织形式，开式和闭式系统的各自特点。从循环水耗量、空分装置运行能耗的影响和设备投资等方面进行了比较，总结出两种系统各自的优缺点和适用性。

关键词：空分装置；预冷系统；开式系统；闭式系统；比较

目前在空气分离装置中较为常用的预冷系统是采用开式系统和闭式系统两类。本文将针对这两种预冷系统型式的适用性、优缺点、经济性作一个较为详细的比较、总结，以期在新上项目中，能合理的选用预冷系统型式。

1.循环水对预冷系统的影响

1.1循环水中较为重点关注的指标是氯离子和钙硬度

氯离子含量过高，会导致不锈钢材料的点腐蚀，从而降低不锈钢材料的性能，甚至使结构出现坍塌，缩短使用寿命年限。

硬度是一个容易被忽视的问题，硬度过高，在作用温度较高时，会造成结垢，堵塞换热通道，降低换热效率，同时也使空冷塔底部的排水口易于堵塞，造成排水不畅，严重者会使空冷塔液泛，大量游离水进入分子筛，致使分子筛中毒失效，需停机处理，更换分子筛等一系列影响生产连续运行的稳定性、降低经济效益。

1.2一般空分装置的用水量相对较大，在西北等水资源匮乏的地区，宜采用闭式水系统，增加预冷系统内的循环倍数，降低水的消耗量，从而节约用水，积极响应国家号召。

2.空分装置流程参数的选定

由于仅几年为煤化工项目配套的空分装置都走向了大型化，本文将以80000氧气等级的空分为例，针对预冷系统从流程型式、能源消耗、投资成本等方面进行计算比较，以期作出合理的评价。此处仅仅考虑主管网中由于系统形式不同而需求的水流量不同的影响，不考虑水的蒸发损失、排污以及补充水的影响。

3.开式预冷系统

3.1主要设备配置

两段填料式空冷塔，一段填料式氮水塔，冷却水泵，冷冻水泵。

3.2工艺流程描述

待处理空气：从空压机末级排出的高温高压空气直接进入空冷塔的下部，上升进入填料与从上面喷淋下来的冷却水在两段填料中进行热湿交换，温度降低，同时空气中的酸性气体以及大部分杂质都溶解于循环水中，在空冷塔顶部汇集形成饱和湿空气，经管道送入分子筛纯化系统。

循環冷却水：循环水分成两路，一路经冷却水泵加压直接送入空冷塔中部进行喷淋，另一路直接送入污氮塔顶部，与污氮气进行热湿交换，温度降低，从底部经冷冻水泵送入空冷塔顶部喷淋进一步冷却空气。

4.闭式预冷系统

4.1主要设备配置

一段填料式空冷塔，一段填料式氮水塔，冷冻水泵，空压机后冷却器。

4.2工艺流程描述

待处理空气：从空压机末级排出的高温高压空气经空压机末级冷却器冷却，温度降低，然后进入空冷塔的下部，空冷塔只设置一段填料，空气上升进入填料与从空冷塔顶部喷淋下来的冷冻水在填料表面进行热湿交换，温度进一步降低，同时空气中的酸性气体以及大部分杂质都溶解于循环水中，在空冷塔顶部汇集形成饱和湿空气，经管道送入分子筛纯化系统。

循环冷却水：从外部供给的循环冷却水进入空压机末级冷却器与高温高压空气进行换热，将空气冷却至一定温度后，返回循环水回水管网。

循环冷冻水：空冷塔和污氮塔内的冷却水为闭式循环。在空冷塔内，冷冻水与空气在填料表面进行换热，温度升高，从空冷塔底部抽出送入污氮塔顶部，喷淋，在经过填料与污氮塔进行热交换，温度得到降低后，经冷冻水泵加压又送入空冷塔顶部进行喷淋，至此，一个循环即完成。

5.开始系统与闭式系统的比较

5.1循环水消耗的比较

开式系统的小时用水量约为200+900=1100m3/h。而闭式系统由于预冷系统内的水为闭式循环，除了少量的补充水之外，无须从外界额外获取水资源，消耗的水量仅仅在空压机末级的冷却器上，水量为980m3/h。两者相比较，闭式系统的小时用水量节约了120m3/h，约11%。但是注意，闭式系统第一次运行时，须加注约230m3/h的脱盐水。

5.2对于分子筛用量的影响

开式系统空气出塔的温度为13度，而闭式系统温度为15.5度。由于空冷塔出口的空气为饱和状态，所以空气温度越高，其中的含水量越多。水对于分子筛的影响较大，必须确保分子筛的设计能满足含水量的要求，则需要更多的吸附剂来满足高含水量的要求。同时，由于有更多的水分进入分子筛，在再生时，需要更长时间的加热冷吹时间或者更高的再生温度，表明分子筛再生程序的电耗增大。

5.3对于空压机和增压机能耗的影响

相比于开式系统，闭式系统对机器电耗的影响主要影响在两个方面：

第一个是对空压机的影响。由于空压机后面安装了冷却器，使得空气管线上的压降增大了，为了便于比较，使维持进入冷箱和增压机的空气压力一致，则必须提高空压机出口的排气压力，按照经验，空压机排压需提高30kpa左右，排压升高，轴功率升高。针对于目前8万等级的空分来说，能耗增加约100kw。

第二个是对增压机的影响。由于采用闭式系统，空气进入分子筛的含水量增大，吸附剂吸收水分，放出热量，使得流经其中的空气温度升高，相比于开式系统，温升增加3度，即进入增压机第一级的温度也增加3度。按照功耗计算公式可知，3度表示增压机第一级的功耗增加约1%。针对于目前8万等级的空分来说，轴功率增加50kw左右。

5.4投资增加

前面仔细讨论了运行费用的差距，从初期投资上来讲，二者也是有差别的。从图1和图2可看出，闭式系统相比于开式系统，多了一台大流量的气水换热器，而在空冷塔内少了一段填料及其相应的内件和2台冷却水泵。

6.运行成本和初期投资的比较总结

为了能进行较为详细的经济性比较，此处采用一种较常见的全生命周期内总投资最优的比较方法。

从上表的比较中可以看出，闭式系统在运行成本高出开式系统较多，特别是伴随着装置运行年数的增长，差距会越来越大。当然随着各地区的公用工程价格不一致，设备采购的价钱不一致，上述差距会缩小，也有可能会呈现相反的状态，应根据当地的资源情况和设备采购情况综合考虑。

7.总结

开式系统与闭式系统各有优缺点，应从以下各方面因素加以综合考虑，选定合适的预冷型式：

7.1水资源较为匮乏，但是电力资源相对充足，电价相对便宜，宜采用闭式水系统

7.2循环冷却水水质情况较差，可能会引起其它设备选材的变化，投资增加，宜采用闭式水系统

7.3如果开闭式系统都可以接受，仅从流程组织和工艺评价上比较，应优先采用开式系统，从长久考虑，应优先采用开式系统