空分预冷系统氨冷器结垢原因分析与改进措施

韦 磊，季为驰，郭兴建，秦中良

（新疆中能万源化工有限公司，新疆玛纳斯 832200）

新疆中能万源化工有限公司KDON-20000／51500型空分装置的作用是为航天炉粉煤加压气化装置提供合格的产品氧气、氮气，并副产液氧、液氮。该空分装置采用先进的空气预冷、全低压分子筛吸附，增压透平膨胀机、液氧内压缩流程，以及规整填料式精馏塔、全精馏制氩等行业内先进的流程和设备，其中，空压机、增压机由汽轮机拖动，采用一拖二的形式。

1 空分预冷系统工艺流程及氨冷器运行情况

空分预冷系统主要包括水冷塔、空冷塔、氨冷器、冷却水泵、冷冻水泵、阀门、管线及仪电控制系统等。原料空气经自洁式过滤器除去灰尘和机械杂质后，在离心式空压机中被压缩至0.52MPa（温度100℃），之后进入空冷塔进行冷却。空冷塔冷却水有两路：一路是循环水，直接从空冷塔中部进入分布器，与空气进行初步的质热交换；另一路是冷冻水，循环水经过水冷塔与污氮气进行质热交换，吸收饱和污氮气的汽化潜热降温到16～18℃后，再通过冷冻水泵增压后进入氨冷器，经过液氨的蒸发制冷作用使循环水降温至10～11℃，然后进入空冷塔顶部，对空气进行进一步的冷却。

但自2016年以来，我公司空分装置氨冷器运行期间出现了诸多问题：在控制阀位一定的状态下冷冻水流量从95t／h逐渐降至80t／h，进出氨冷器循环水温差下降，氨冷器及冷冻水泵负荷加重，最终不能正常运行，造成系统停车，停车后拆检氨冷器发现有乳灰白色、类似结晶体的硬垢堵塞换热管。

2 氨冷器结垢的原因分析

从氨冷器结晶物的状貌来判断，我们称之为“低温垢”，其形成的原因主要有以下3个方面。

2.1 CaCO3结晶

随着温度的降低，CaCO3的溶解度增大，因此在系统的低温区 （6～8℃）水中CaCO3含量非常高，以介稳态 （亚稳态）存在，此时水质和外界条件的微小变化都会导致CaCO3结晶析出。

2.2 CaCO3结垢

CaCO3在0℃时的溶解度为20℃时的2倍，CaCO3水溶液在低温时 （＜4℃）浓度增大，使得水系统极易生成带6个结晶水的碳酸钙晶体，即CaCO3·6H2O，这种晶体的形成速度很快，是无水碳酸钙形成速度的10～20倍。因此，在空冷塔的布水器、氨冷器进口等低温区，均容易形成CaCO3结垢。

2.3 水质稳定剂方面的因素

正常情况下，水质稳定剂是通过 Ca2＋、Mg2＋的螯合作用以及对碳酸钙微晶核的溶限、分散、晶格畸变等作用扩大碳酸钙的介稳区，从而起到稳定水质的作用。由于阻垢剂多为水溶性阴离子高分子聚合物和化合物，它们与Ca2＋、Mg2＋形成的螯合物在水温降低时溶解度下降，尤其是循环水浓缩倍数提高后，由于阻垢剂浓度和Ca2＋、Mg2＋浓度均增大，这类螯合物在低温区析出沉淀的可能性就更大；同时，水质稳定剂自身在低温下的稳定性也一定程度上影响其在低温换热材料表面析出晶体的可能。

循环水流进氨冷器之前已从超过30℃降到16～18℃，后又继续降温至10～11℃，CaCO3溶解度经历了先降到最低后又有所增大的过程，此时CaCO3处于介稳态，极易反复出现析出—溶解—析出，当满足CaCO3结晶或CaCO3结垢条件时，CaCO3易以结晶水合物的形式析出。

2.4 循环水水质

选取2016年2月1日至2017年5月28日期间循环水水质分析数据，其pH、电导率、总碱度、钙硬度变化趋势分别如图1～图4所示。

图1 pH变化趋势图

由图1可知，循环水的pH一直偏高，后来虽然上了自动加酸装置，但由于投加量不合理，pH控制不稳定，仍然处于高位。据历次拆检换热器的情况来看，其结垢趋势一直没有得到缓解，这也是导致后期换热器产生低温垢的原因之一。

图2 电导率变化趋势图

电导率表征着循环水中总盐分的含量，由图2可以看出，循环水电导率波动较大，由于系统没有及时有效地控制循环水的浓缩倍数，造成系统中有结垢倾向的离子均有所富集，从而导致系统局部结垢。

图3 总碱度变化趋势图

总碱度包括了、的含量，能间接反映系统形成碳酸盐垢的倾向，由图3可以看出，大部分时候总碱度均偏高，大于4mmol／L，尤其是2017年4月份以来，循环水总碱度高达10mmol／L，这也是形成低温垢的必要条件之一。

图4 钙硬度变化趋势图

钙硬度指标直接反映系统中Ca2＋的含量，因我公司循环水系统实际运行中无有效调控手段，循环水系统的Ca2＋含量只能通过循环水排污来控制，由图4可以看出，循环水钙硬度波动较大，与电导率变化趋势相同，而循环水系统Ca2＋含量偏高也是形成低温垢的必要条件之一。

循环水系统中pH、碱度与碳酸盐存在形式的对应关系如表1所示。再结合上述总碱度变化趋势图 （图3），循环水pH大多在8.3～9.4之间，尤其是当 pH＞8.8，循环水中将有大于10%的转化为，此情况下，循环水中的含量将占优势地位，远大于的含量，这时处于介稳态的CaCO3，由于溶解平衡，外界的微小变化如温度、钙硬度、流速等均极易造成CaCO3析出而沉积在换热器表面。

表1 pH、碱度与碳酸盐存在形式的对应关系

3 空分预冷系统氨冷器结垢的危害

空分装置运行过程中，由于氨冷器冷端Ca-CO3结晶析出，造成冷冻水流量减少，导致空冷塔出口温度高达18℃，超出工艺指标 （设计值12～14℃），严重影响空分装置的稳定运行，主要危害如下。

（1）氨冷器堵塞，冷冻水流量逐渐降低，影响系统稳定运行及换热效率，分子筛出口温度升高6℃，同时影响板翅式换热器的换热温度。

（2）空冷塔出口温度升高，空气含水量增大，造成分子筛吸附负荷增大，使分子筛吸附效率降低，粉化加快，而且出分子筛空气中水分和CO2含量的变化还会影响分馏塔的工况。

（3）空冷塔出口温度升高，导致增压机效率降低，直接影响换热效率，易造成分馏塔冷量不足、主冷液位下降等。

4 改进措施

我公司于2017年9月按计划检修空分装置，换热器整体表现良好，但氨冷器结垢较为严重，以下主要针对氨冷器结垢问题进行分析并提出可行的改进措施，以解决氨冷器冷端CaCO3结晶的问题，保证装置的长周期、稳定运行。

4.1 系统补水移至水冷塔，降低局部离子浓度

将循环水系统补水移至水冷塔处，后通过冷冻水泵打入氨冷器，可起到局部稀释循环水的作用，降低局部离子浓度，缓解低温结垢趋势。此方法在出现类似问题的工厂均有过应用，效果还不错。按照循环水补水量200m3／h、补水钙硬度1.5mmol／L来计算，此部分水流量均小于200m3／h，则可近似认为氨冷器进水钙硬度为1.5mmol／L，如此运行将大大缓解其结垢问题。

4.2 加酸控制循环水合适的pH范围

建议通过自动加酸将循环水的pH控制在8.3～8.5之间，前期尽可能控制得低一点 （可控制在8.0～8.3），待系统运行平稳后可逐步上调pH至8.5左右。加酸的目的是提高循环水浓缩倍数，减少用水，同时控制循环水的碱度，减少CO2－3的相对含量，减缓结垢趋势。

4.3 控制循环水浓缩倍数和钙硬度

由图2可以看出，我公司循环水系统控制随意，电导率波动过大，易导致低温结垢问题。同时，根据溶解平衡，减少钙硬度能防止溶解的CaCO3趋于饱和，可减少其析出。因此，为减缓CaCO3的结垢趋势，还需要控制循环水的钙硬度。运行过程中可依据电导率来控制循环水排污，运行初期控制循环水的电导率不超过2500 μS／cm、钙硬度在 4～5mmol／L、碱度在 3～4 mmol／L、（钙硬度 ＋碱度） ＜11mmol／L。

4.4 在氨冷器两端增设物理防垢设备

目前工业上有一种智能超声波物理防垢阻垢设备，专门针对特殊换热器，采用智能超声波防垢除垢技术，通过强磁伸缩式电／机能量转换模式，将超声波直接作用于设备金属表面，超声波在金属及其他接触的介质中传播会产生超声凝聚、高速微涡、微冲性剪切等一系列效应，可强化传热，可将CaCO3微晶核不停振动和剪切，再结合水流，减缓设备结垢的趋势，达到防垢除垢的效果。智能超声波物理防垢阻垢设备 （我公司采购设备）及其工作原理如图5所示。

图5 智能超声波物理防垢阻垢设备及工作原理

5 改进前后氨冷器运行情况对比

改进前后氨冷器运行情况 （实际操作值）对比见表2。改进前，氨冷器结垢严重 （水流量由设计值95t／h降至78t／h），管板表面有较多白色粉末状垢样，管束内为石膏状固体垢样，氨冷器负荷加重，空分装置不得不大幅度减量，给公司的安全生产带来严重危害；改进后，氨冷器管板表面基本干净，管束内干净，基本无结垢，运行状况明显改善，减少了系统的不必要停车。

表2 改进前后氨冷器运行情况 （实际操作值）对比

6 结束语

空分预冷系统运行状况的良好与否关系到空分装置能否实现安全、稳定、长周期运行。针对氨冷器结垢严重的问题，我们进行了原因分析，采取一系列改进措施后，经过一段时间的运行，氨冷器低温结垢现象明显减缓，冷却效果好转。氨冷器的结垢问题要从多角度去分析与探究，据不同的工况采取多种应对措施，才能彻底解决氨冷器的结垢问题。