空分循环水低温盐析出的原因与应对措施

郭 剑， 段志栋

(山西中煤平朔能源化工有限公司，山西 朔州 036000)

空分系统是煤化工项目的主要装置，其良好运行对锅炉、氨合成、氨加工系统有至关重要的作用。循环冷却水负责对空气洗涤、汽轮机附属设备等进行冷却。山西中煤平朔能源化工有限公司(以下简称能化公司)建设规模为30×104t/a的合成氨装置、2套18×104t/a的硝酸装置、2套20×104t/a的硝酸铵装置，2015年底开始试车，2016年11月空分系统冷冻水换热器运行效果差，出口水温偏高。2017年1月装置停车，发现低温循环冷却水［1］冷水机组换热器进出口管道盐析出。

1 装置介绍

能化公司共有4套循环水冷却水装置，其中空分循环水负责独立给空分装置提供水质、水量合格的循环冷却水。

1.1 空分循环冷却水装置

1.1.1 装置流程

空分循环水装置正常给水能力为13 060 m3/h，最大为14 592 m3/h。如图1所示，循环水泵将小于32℃的循环冷却水加压后输送至循环水给水总管，经地下供水管网供给空分装置，冷却各工艺介质后水温上升，然后汇入空分循环水回水总管，返回至冷却塔。通过冷却塔风机和淋水填料作用，水温降至≤32℃，冷却的循环水再进入塔池被循环使用。大约有5%的回水进入旁滤器，过滤后的水直接进入塔池。其中一部分水从回水总管的排污处作为污水排放，通过管道流入空分、净化、合成排污水收集池，由外排污水泵送往中水回用水池，因系统蒸发、排污、风吹和渗漏损失掉的水由补充水管线提供。硫酸和加药系统通过计量泵分别完成循环水硫酸、缓蚀阻垢剂的添加。投加二氧化氯杀菌剂、专用杀菌剥离剂、非氧化型杀菌灭藻剂，以控制微生物的繁殖，确保水质合格。补充水来自原水和中水回用管线。

图1 空分循环冷却水工作示意Fig．1 Diagram of circulating cooling water in air separation

1.1.2 主要构筑物与设备

空分循环冷却水装置采用3座SHN－5000型钢砼逆流式冷却塔，单塔冷却能力为5 000 m3/h，风机直径为Φ9 140 mm，配套电机N=185 kW。设置加药溶液箱1个:V=1．0 m3，材质PVC;GM0050计量泵2台;Y型过滤器1个:DN15，UPVC;循环水泵4 台:Q=2 650 －3 818．8 －4 780 m3/h，H=60．2 －50．2－37 m，N=1 000 kW，3用1备;监测换热器装置1套，二氧化氯发生2台。浅层砂过滤器18台:9台1组，Ф1 200，材质 Q235;气动蝶阀2台 DN250，气动两位三通阀18个(DN100)，DN200和DN250手动蝶阀各 2 台，滤料(Φ0．3～0．5 mm)共 12．6 m3。塔下水池1 座:54．0 m ×22．0 m ×2．2 m，容积为2 613．6 m3;泵吸水池 1 座:35．0 m ×6．0 m ×6．35 m，容积为 1 333．5 m3。

1.2 空分预冷系统

该系统主要由空气冷却塔、水冷塔、冷却水泵、冷冻水泵、冷水机组、冷却水过滤器、管道、阀门、监测仪表等附属设备组成。

来自压缩机的空气被送入空气冷却塔下部，自下而上穿过填料层，被从上往下的冷却水冷却，同时洗涤部分 NOx、SO2、Cl－等有害杂质，最后穿越顶部的丝网除雾器，进入分子筛纯化系统，空冷塔出口空气温度约为8℃。进入空冷塔的水分为2段:下段为来自空分循环水系统的冷却水，一部分作为水冷塔补水，一部分经冷却水泵加压进入空冷塔中部后自上而下洗涤冷却压缩空气;上段为来自水冷塔的冷冻水，由冷冻水泵加压后，送入空气冷却塔顶部，自上而下冷却压缩空气，换热后的水从底部排入空分循环水回水系统。

1.2.1 空分空冷塔

主要作用是对压缩空气进行洗涤和冷却，设空气冷却塔1座，规格Ф3 800×16 mm，H=26．412 m，设计温度为150℃，压力为0．6 MPa，质量为70 438 kg，材质为Q345R，Ⅰ类压力容器。冷却水泵2台:IS单级单吸离心式，H=55 m，Q=400 m3/h，轴/叶轮材质不锈钢。冷却水过滤器2台:Ф480×1 035 mm，设计温度为60℃，压力为1．0 MPa。

1.2.2 水冷塔

利用污氮的气化潜热降低冷冻水温度，使低温水更利于在空冷塔中对空气的冷却。设水冷塔1座，规格 Ф2 800 ×10 mm，H=12．515 m，设计温度为100 ℃，压力为0．03 MPa，质量为18 000 kg，材质为Q345R，常压容器。冷冻水泵2台:IS单级单吸离心式，H=105 m，Q=100 m3/h，轴/叶轮材质不锈钢。冷冻水过滤器3台:Ф330×560 mm，设计温度为50℃，压力为1．0 MPa。冷水机组1套，制冷量为180 ×104cal。

2 装置调试与运行情况

2.1 空分循环冷却水装置

空分循环水装置于2015年10月14日进入试车阶段，随后3台循环水泵、3台冷却塔、旁滤系统陆续投入运行，2016年3月9日冷却塔、加药装置、杀菌装置、硫酸装置已全部投入运行，管道预膜未完成。

2015年6月旁滤器滤料安装完成，10月依次完成循环水管道检查、管道清理、检修人孔封闭以及空分循环水泵05－P101C单试。2016年2月2日，循环水站空分循环水泵04－P101C启动，在管道冲洗时发现给水检查人孔漏水后进行人孔盖板紧固，冲洗合格后由于极度低温天气继续运转。3月3日停止运转，空分工段进行拆除管道冲洗跨接。3月9日空分循环水投运，3月30日开始投加阻垢剂、缓蚀剂各8桶，日常投加1桶。4月空分循环水系统投运3台循环水泵，循环水量为14 600 m3/h达到设计值。7月13日开始预膜，8月完成循环水预膜，预膜经除油剥离、化学清洗、预膜3个阶段。8月中旬，空分循环水开车正常。

2.2 空分预冷系统

2016年2月2日，空分预冷系统循环水管线开始冲洗，3月23日管道冲洗结束。4月26日，预冷系统开车，调试空气冷却塔、水冷塔及附属设备的控制仪表正常，缓慢增加空压机出口空气压力，并导入空气冷却塔中，待空气压力 ＜0．53 MPa(G)并稳定时，启动冷却水泵、冷冻水泵、投运冷冻机组，水冷塔及空冷塔投运正常，系统介质及设定参数见表1。

表1 空气预冷系统介质Tab．1 Medium of air precooling system

3 存在的问题

2016年12月，空分预冷系统水冷机组出水量持续下降，由90 m3/h降至70 m3/h，出空气冷却塔空气温度上升至13℃(设计温度为8℃)，冷冻水泵出口压力增大。由于空气温度升高，出低压板换的污氮温度升高至15℃，污氮与水冷塔循环水换热能力下降，出水冷塔循环水温度升高，严重影响空分后续系统运行。2017年1月6日(阶段A)，打开空分冷冻水换热器出水口发现结晶物，化学清洗冷冻水换热器系统;2月空分系统开车，冷冻水流量及出空气冷却塔空气温度趋于正常。2017年3—8月，情况再次出现，8月空分停车。8月16日(阶段B)，空分冷冻水换热器出水口再次出现结晶物，化学清洗冷冻水换热器系统，在水冷塔入口循环水管线接入脱盐水(软化水)，降低入水冷塔循环水中盐含量。

4 原因与措施

4.1 阶段A

2017年1月6日，空分冷冻水换热器出水口出现析出物，对结晶物取样分析，结果表明组分及含量为钙36%、磷酸盐35%、其它杂质20%、水分9%。确定为循环冷却水中碳酸盐［2］及部分药剂在低温条件下的析出。请专业的清洗公司对冷冻水换热器系统进行了化学清洗。

冷冻水换热器出口析出物的主要组分为氧化钙和磷酸盐，分别占36%和35%，其他杂质占20%，水分占9%。从表观看出析出物较松软，灰白颜色。

分析低温成垢原因，温度20℃左右的水冷塔出水经泵加压后，进入冷水机组与冷冻剂进行热交换，出冷水机组的冷冻水温度下降7℃。低温条件下水中盐类的溶解度降低，盐在冷水机组换热器入口和内部及出口管道析出，堵塞管道及换热器，使进入空冷塔上部的冷冻水量下降。

2017年1月10日，现场制作化学清洗管路，对冷冻水换热器及出口管道进行酸洗，循环清洗6 h，空分循环水浓缩倍率由3．5降至2．5。2017年2月，空分系统开车，空分预冷系统冷水机组未出现低温水垢。空分循环水循环量为14 500 m3/h，浓缩倍数降至2．5，循环水给回水温差为5．5℃，补水量较浓缩倍数为3．5时增加81 m3/h，调整循环水加药量见表2。

表2 空分循环水补充水量(阶段A)Tab．2 Replenishment of circulating cooling water in air separation(Stage A)

4.2 阶段B

2017年3月以后，空分空气预冷系统冷冻水换热器出现低温析出物现象，5—6月出空冷塔空气温度上升趋势，由9℃上升至13℃。8月16日空分系统停车，对结晶物的取样分析结果表明各组分含量为钙45%、磷酸盐20%、其它杂质23%、水分12%。结晶物质地较硬，浅灰白色，是循环冷却水中碳酸盐及少量药剂在低温条件下的析出。请专业清洗公司对冷冻水换热器系统进行了化学清洗。在水冷塔循环水进水管接DN50脱盐水作为冷冻水补水一部分，2017年9月空分系统开车至今，未出现低温析出物影响系统运行情况。随后空分循环水系统逐步提高浓缩倍数，减少原水补充水量。2017年8月调整循环水药剂加药配方。

5 结语

① 通过调整循环水药剂，采取补入少量脱盐水，降低低温水盐含量，空分循环水用户空气预冷系统，2017年9月以来，冷冻水装置未出现大量的低温析出物，空冷塔阻力正常，出塔空气温度为9℃，冷冻水进空冷塔流量为90 m3/h，冷冻水进空冷塔温度为7℃，保证了空气预冷系统的正常运行。

② 空分冷冻水换热器及管道出现低温析出物，阶段A(2017年2月至8月16日)空分循环水浓缩倍数为2．5，补水量为186 m3/h;阶段B(2017年8月16日后)空分循环水浓缩倍数为3．5，补水量为105 m3/h。经过调整，2017年9月以后循环水补充水量减少81 m3/h，补入脱盐水5 m3/h，每小时节约原水消耗322．38元，增加脱盐水消耗83．05元。

③ 在空分水冷塔补入脱盐水，较降低空分循环水浓缩倍数抑制低温垢的形成，措施合理经济，效果好，每小时可节约补水费用239．33元，避免了由于冷冻水低温盐析出造成空分装置停运，全厂系统停车的事故。可为其它空分预冷系统减缓冷冻水低温垢的形成提供参考。

④ 对于空分循环冷却水系统，应以环保节能为主导，需不断完善工艺及水质药剂配方等调整措施，研究总结循环冷却水水质控制方法，确保冷却水水质达到《工业循环冷却水设计规范》(GB/T 50050—2017)要求，保证空分装置各换热器安全稳定运行。