空分设备预冷系统的运行操作研究

蒋 旭

(深圳市海格金谷工业科技有限公司，广东 深圳 福田 泰然大厦 B座 518026)

随着国民经济的不断发展，特别是大型冶金、大型石化、大型煤化工等行业的迅猛发展，使得市场对空分装置的需求越来越多，推动了空分技术的发展进步。在技术更新迅速，产品创新日新月异的今天，空分设备的设计也取得了较大进步，国际化程度越来越高。预冷系统作为原料气体进入纯化系统及冷箱内的常温处理工艺，在空分装置系统之中的地位不言而喻。预冷系统的运行性能对整套空分装置的性能影响重大，在设计当中不容忽视。

1 预冷系统设备的组成

预冷系统的设备有空气冷却塔、水冷却塔，常温水泵，低温水泵，冷水机组。

空气冷却塔的作用为把出空压机排出的高温气体冷却到～12 ℃，以减小纯化系统的负荷。其结构为立式圆筒型塔，共有两段，上下段均为填料塔，在空冷塔的塔顶设有分配器，出口端设置有不锈钢丝捕雾器。在空分装置工作时出空压机的空气从下部进入空气冷却塔，水自上部进入，通过槽式水分布器均匀地分布到填料上，顺着填料的空隙流下，空气则逆流与水进行热质交换，经过顶端的不锈钢丝网捕雾器出塔，进入后面的分子筛吸附系统。

水冷却塔的作用为用空分冷箱排出的污氮气和纯氮气来冷却循环水系统的供水，冷却后的水由水泵送入空冷塔的上段。其结构为散堆填料塔，在水冷却塔的顶设捕雾器和水分布器，填料一般分两层装入塔内，在两段填料的中间设再分配器，保证让水均匀分布，从而可以提高水冷塔的效率。在水冷却塔工作时被冷却的水自上而下流经填料，与空分出来的大约33.6℃的污氮气和纯氮气进行换热，降低水温，在塔底被冷冻水泵抽走，污氮气从水冷却塔的塔顶排出。

冷却水泵、冷冻水泵为给水加压的设备，冷水机组为冷却水的装置。

2 预冷系统的流程选择

空分装置的预冷系统有氮水预冷系统和冷气机组两种。氮水预冷又按照循环回水流程划分有两种，一种冷冻水大循环，一种冷冻水小循环。小循环即是空冷塔中部回水流程，主要用于水资源缺乏的北方，但存在一个问题就是这部分水存在干蒸发结垢，所以对补充水质要求较高。

在预冷系统的流程组织型式上，氮水预冷系统可分为有外加冷源和无外加冷源两种，其中有外加冷源的又可按冷源的不同种类分为冷水机组提供外加冷源、液氨蒸发提供外加冷源和溴化锂溶液三种，而液氨蒸发提供的冷源适合于具备有液氨条件的化工行业厂家，溴化锂溶液的适合有余热利用的工厂。大型空分装置的预冷系统是否需要外加冷源，取决于氮水塔的冷却情况，即当氮气产品量比氧气产品量小时，这样仅靠水冷塔降低水温提供的冷量，就能将出空冷塔的空气温度降至12℃左右时，可采用无外加冷源的预冷系统，在无外加冷源的条件下，由于进纯化系统吸附器的空气温度较高，此时分子筛吸附剂用量需要提高，这时再生气量增加，导致去水冷塔的污氮量减少，出空冷塔的空气温度会略有上升，预冷纯化系统产生相互关联影响，尤其在夏季气温较高的恶劣条件下，有外加冷源要比若无外加冷源，预冷纯化系统的稳定运行将更加有保障。

3 预冷系统的安装及维护

空分装置预冷系统的设计由工程设计考虑，并应注意以下要点[1]：

1. 要求严禁在塔体上动火，在安装过程中，塔体的垂直度应符合JB 4710的规范要求；空气冷却塔在安装就绪后做密封试验。空气冷却塔的低温段和水冷却塔的冷段、空气出空气冷却塔管道和污氮气进水冷却塔管道以及冷水管道均应有保温措施，对于北方地区，液位测点应有防冻设施，以免液位计管路冻结，使液位控制故障。

2. 在安装空气冷却塔及水冷却塔的内部零件与填料时，填料必须尽量装满，防止在运行时，填料在塔内跳动。由于水冷却塔当中含有污氮，所以在检修预冷系统的水冷却塔前，应先用空气进行置换，彻底驱除塔内及管路中的污氮气，进塔前半小时内还应对设备内的气体进行取样分析，含氧量大于20%时才能进人进行检修，以确保检修人员的人身安全。

4 预冷系统的运行操作

一般空分装置在启动时，先启动空压机，然后再启动预冷系统，具体的操作步骤如下。

4.1 启动前检查

1. 各仪表显示正常，仪表气压力正常。2. 循环水系统已启动，水压≥0.35 MPa。3. 各气动阀动作指示准确，各手动阀灵活好用。4. 常温水泵、冷冻水泵已盘车并确定无故障。5. 常温水泵、冷冻水泵、预冷机电源已通，且预冷机已提前通电8 h。6. 空冷塔出口空气压力≥0.4 MPa。7. 水冷塔液位补充至正常液位。8. 空冷塔底部液位400 mm。9. 各气动阀前后手动阀已全开，其余阀门关闭。10. 预冷系统全部联锁已投入。

4.2 预冷系统的启动

1. 启动常温水泵WP1或WP2，打开水泵进口阀，稍开排气阀排掉泵内空气后关闭；注意启动水泵，如果压力上不来说明还有气，需要再次排气，直到水泵正常工作。待压力升起后，缓慢打开水泵出口阀；出口流量控制在参数要求范围内。

2. 启动低温水泵WP3或WP4，打开水泵进口阀，稍开排气阀排掉泵内空气后关闭；注意启动水泵，如果压力上不来说明还有气，需要再次排气，直到水泵正常工作。待压力升起后，缓慢打开水泵出口阀，调整进空冷塔流量至参数要求范围。

3. 启动冷冻机，调整出口水温，确保冷冻水进空冷塔温度在7～10℃。

4. 根据空冷塔出口温度调整进空冷塔循环水流量，确保空冷塔出口温度在8～12℃。

5. 调整水冷塔进水阀门，空冷塔回水阀门，保持空水冷塔液位在合格范围内，阀门投入自动。

4.3 预冷系统的停车

1. 提前5～10 min，停冷冻机。2. 停常温水泵，关闭水泵出口—停电—关水泵进口。3. 停冷冻水泵，关闭水泵出口—停电—关水泵进口。4. 空冷塔液位打开自动排水阀，排净空冷塔内液体。5. 如长期停车，排掉空水冷塔内存水。

5 新型预冷系统

新型预冷系统的工作原理为来自原料空气压缩机的空气进入预冷系统的空气冷却塔中冷却，空气在直接接触式空气冷却塔中与水进行热质交换，降温至12℃，然后进入交替使用的分子筛吸附器。用于冷却空气的水为冷冻水的则是来自循环水网，先进入水冷却塔中，利用分馏塔来的废气(包括污氮和富余氮气)的含水不饱和性降低水温，经过冷冻水泵加压后进入空冷塔的顶部。

该预冷系统适合于装置规模为2000～4000 Nm3/h小型空分装置的设计合理且投资较省的新型预冷系统，当空分设备的产品氮气量小时(氮气产品量：氧气产品量小于1∶1)，这样出冷箱的氮气及污氮气量较大，带来的系统冷量较大，这种情况下不需要设置冷水机组，即可满足空气冷却塔的出口空气温度要求，由于所需冷冻水量较小，且冷却水自空气冷却塔中部进入，换热效率较差，因此采用只设置一路冷冻水，而不设置冷却水管线，这样既满足了空分设备预冷系统的要求，有效节省了2台冷却水泵、2台水过滤器、1台气动调节阀门、1台流量计、冷却水管路及相关手动阀门等投资，同时冷却水和冷冻水一起自空气冷却塔顶部进，与塔内的散堆填料全段换热，空气冷却塔的换热效率可提高30%。

图1 新型预冷系统流程图

新型预冷系统包含空气冷却塔、水冷却塔、冷冻水泵、水过滤器、气动调节阀门、水流量计(电磁流量计)等，在空分装置当中的作用是冷却来自原料空气压缩机的空气，使其能够满足后续纯化系统的净化温度要求。新型预冷系统与现有技术相比，具有如下优点：

1. 对于预冷系统当中的空气冷却塔只设置冷冻水一路进水，少了冷却水进水管路，少了冷冻水进水的水分布器、冷却水进水的气动调节阀门、冷却水流量计、两台冷却水泵、一套冷却水阀门，这样投资会节省不少。

2. 由于将预冷系统当中的冷却水和冷冻水合并为一股，对于空气冷却塔而言，冷冻水自空气冷却塔的顶部和空气换热，较原来的冷却水和冷冻水两股进空气冷却塔，换热效率要高30%，这样冷冻水的流量有所减小，水泵的电耗也会节省一些。

3. 针对装置规模为2000～4000 Nm3/h的小型空分装置的预冷系统，精简管路使得装置操作更为简单方便，在预冷温度能满足后续纯化系统工作的情况下，可适当提高空气出口温度，使得预冷系统在性能保证的前提下，操作控制简单，可实现自动化。

6 结束语

空分装置预冷系统是空气分离成套装置的重要系统，它的主要作用是将来自空分压缩系统的原料空气进行洗涤并冷却至一定温度，载体为散堆填料，冷流体一般是来自凉水塔的冷却水和来自水冷塔经过污氮冷却的冷冻水。对于空分设备预冷系统的设计，同预冷系统的运行操作直接相关，空冷塔一般采用直接接触式塔降低空气温度，改善纯化系统的工作环境，同时洗涤空气中的机械杂质和酸性气体，目前普遍采用高效低阻散堆填料塔，既保证了塔的换热性能，又减少了阻力，降低了空压机出口压力，从而降低了空分装置的能耗。