空分装置氨冷器设备结垢原因分析及对策

2019-01-07李创业邴牛剑季为持王彬彬

氮肥与合成气 2018年12期

李创业，邴牛剑，季为持，韦磊，王彬彬

(安徽晋煤中能化工股份有限公司，安徽临泉 236400)

1 概述

安徽晋煤中能化工股份有限公司(简称中能化工)所用的KDON32000/71500型空分设备由开封空分集团有限公司设计制造，该工艺采用汽轮机拖动、全低压分子筛净化吸附、增压透平膨胀制冷、双泵内压缩流程、规整填料精馏塔等行业先进的流程技术和设备[1]。整个装置于2015年6月安装结束，具备单体试车条件，7月20日正式开车，8月1日开始向后段供氧气、氮气，同时产出液氧、液氮产品，此套空分装置自原始开车至今一直运行比较稳定[2]。KDON32000/71500型空分预冷系统流程简图见图1。

图1 空分预冷系统流程

2 空分装置结垢及原因分析

自2016年7月以来，空分空冷塔出口温度逐渐升高，冷冻水流量逐渐降低，由于空冷塔出口的气体温度升高，对应的空气中水含量增加，造成分子筛的负荷加大;同时空气温度的升高，对整个空分装置来说，所需制冷量增加，膨胀空气量加大，增压机负荷增加，造成空分整体能耗加大，给生产带来一定的影响。2016年7月和2017年5月的生产数据见表1。

表1 生产数据对比

2.1 装置拆检情况

2017年5月20日因后段气化岗位检修，空分系统停运，按计划例行检查各换热器表面清洁情况，拆开空分装置各段换热器，整体表现良好，但氨冷器换热器出现结垢，见图2。

由图2可以看出：2016年5月拆检时，氨冷器换热器表面基本干净，管束也干净；2017年5月拆检时，氨冷器换热器表面有较多白色粉末垢样，管束里面为石膏状固体垢样。

2.2 水质分析

选取2016年2月—2017年5月间产生的水，分析其水质变化趋势，见图3～图6。

由图3～图6可知：水的pH整体偏高，结垢趋势较明显；2016年2月1日—5月1日，电导率<2 400 μS/cm,随后电导率整体上升，最高到3 700 μS/cm，波动幅度较大；前期碱度基本控制在4～6，从2017年4月开始基本控制在7～9；2016年2月1日—5月1日，钙硬度控制较好，在4～5 mmol/L之间，但后期的波动较大，最高到11 mmol/L。

(a) 2016年5月拆检

图2氨冷器换热器拆检情况

2.3 原因分析

换热器所结的垢为“低温垢”，其形成的主要原因有以下三个方面：

图3 不同日期的pH

图4 不同日期的电导率

图5 不同日期的总碱度

图6 不同日期的钙硬度

(1) CaCO3晶体的特点是随着温度的降低，CaCO3的溶解度增大，因此在系统的低温区(6～8 ℃)，溶解在水中的CaCO3已非常多，以介稳态(亚稳定状态)存在，这时水质和外界条件的微小变化都会导致CaCO3结晶重新析出。

(2) 由于CaCO3在0 ℃时的溶解度为20 ℃时的两倍，CaCO3在低温时(<4 ℃)浓度增加，使得水系统极易生成带6个结晶水的CaCO3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，因此在常见空冷塔的布水器，氨冷器进口等低温区均容易形成结垢物质[3]。

(3) 正常情况下水质稳定剂是通过钙离子、镁离子的络合作用以及对CaCO3微晶核的溶限、分散、晶格畸变等作用，扩大CaCO3的介稳区，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，其与钙离子、镁离子形成的络合物，在水温降低时溶解度下降，尤其是浓缩倍数提高后，阻垢剂浓度和钙离子、镁离子增加，形成的络合物在低温区析出沉淀的可能性更大，同时水稳剂在低温下也一定程度决定了药剂在低温换热材质表面析出晶体的可能。

循环水流进氨冷器之前已经从30 ℃以上降到16～18 ℃，而后又继续降温至8.5～10 ℃，CaCO3溶解度经历了先降到最低、后又有所增加的过程，此时CaCO3处于介稳态，极易析出，溶解、析出过程反复出现，当满足上述(1)、(2)两个条件时，CaCO3就以结晶水合物的形式析出。

3 解决方案

3.1 更改系统补水方式

更改系统补水方式，将循环水池补水移至水冷塔处，降低局部离子浓度。系统补水移至水冷塔处后，通过低温水泵打入氨冷器，可起到局部稀释的作用，以降低局部离子的浓度，缓解冷结垢的趋势。如果按照循环水补水量200 m3/h、补水钙硬度1.5 mmol/L来计算，若此部分用水流量均小于200 m3/h，则可近似认为该氨冷器进水钙硬度为1.5mmol/L，如此运行将大大缓解此处的结垢趋势。