蔣 旭

(深圳市海格金谷工業(yè)科技有限公司，廣東 深圳 福田 泰然大廈 B座 518026)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，特別是大型冶金、大型石化、大型煤化工等行業(yè)的迅猛發(fā)展，使得市場對空分裝置的需求越來越多，推動(dòng)了空分技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步。在技術(shù)更新迅速，產(chǎn)品創(chuàng)新日新月異的今天，空分設(shè)備的設(shè)計(jì)也取得了較大進(jìn)步，國際化程度越來越高。預(yù)冷系統(tǒng)作為原料氣體進(jìn)入純化系統(tǒng)及冷箱內(nèi)的常溫處理工藝，在空分裝置系統(tǒng)之中的地位不言而喻。預(yù)冷系統(tǒng)的運(yùn)行性能對整套空分裝置的性能影響重大，在設(shè)計(jì)當(dāng)中不容忽視。

1 預(yù)冷系統(tǒng)設(shè)備的組成

預(yù)冷系統(tǒng)的設(shè)備有空氣冷卻塔、水冷卻塔，常溫水泵，低溫水泵，冷水機(jī)組。

空氣冷卻塔的作用為把出空壓機(jī)排出的高溫氣體冷卻到～12 ℃，以減小純化系統(tǒng)的負(fù)荷。其結(jié)構(gòu)為立式圓筒型塔，共有兩段，上下段均為填料塔，在空冷塔的塔頂設(shè)有分配器，出口端設(shè)置有不銹鋼絲捕霧器。在空分裝置工作時(shí)出空壓機(jī)的空氣從下部進(jìn)入空氣冷卻塔，水自上部進(jìn)入，通過槽式水分布器均勻地分布到填料上，順著填料的空隙流下，空氣則逆流與水進(jìn)行熱質(zhì)交換，經(jīng)過頂端的不銹鋼絲網(wǎng)捕霧器出塔，進(jìn)入后面的分子篩吸附系統(tǒng)。

水冷卻塔的作用為用空分冷箱排出的污氮?dú)夂图兊獨(dú)鈦砝鋮s循環(huán)水系統(tǒng)的供水，冷卻后的水由水泵送入空冷塔的上段。其結(jié)構(gòu)為散堆填料塔，在水冷卻塔的頂設(shè)捕霧器和水分布器，填料一般分兩層裝入塔內(nèi)，在兩段填料的中間設(shè)再分配器，保證讓水均勻分布，從而可以提高水冷塔的效率。在水冷卻塔工作時(shí)被冷卻的水自上而下流經(jīng)填料，與空分出來的大約33.6℃的污氮?dú)夂图兊獨(dú)膺M(jìn)行換熱，降低水溫，在塔底被冷凍水泵抽走，污氮?dú)鈴乃鋮s塔的塔頂排出。

冷卻水泵、冷凍水泵為給水加壓的設(shè)備，冷水機(jī)組為冷卻水的裝置。

2 預(yù)冷系統(tǒng)的流程選擇

空分裝置的預(yù)冷系統(tǒng)有氮水預(yù)冷系統(tǒng)和冷氣機(jī)組兩種。氮水預(yù)冷又按照循環(huán)回水流程劃分有兩種，一種冷凍水大循環(huán)，一種冷凍水小循環(huán)。小循環(huán)即是空冷塔中部回水流程，主要用于水資源缺乏的北方，但存在一個(gè)問題就是這部分水存在干蒸發(fā)結(jié)垢，所以對補(bǔ)充水質(zhì)要求較高。

在預(yù)冷系統(tǒng)的流程組織型式上，氮水預(yù)冷系統(tǒng)可分為有外加冷源和無外加冷源兩種，其中有外加冷源的又可按冷源的不同種類分為冷水機(jī)組提供外加冷源、液氨蒸發(fā)提供外加冷源和溴化鋰溶液三種，而液氨蒸發(fā)提供的冷源適合于具備有液氨條件的化工行業(yè)廠家，溴化鋰溶液的適合有余熱利用的工廠。大型空分裝置的預(yù)冷系統(tǒng)是否需要外加冷源，取決于氮水塔的冷卻情況，即當(dāng)?shù)獨(dú)猱a(chǎn)品量比氧氣產(chǎn)品量小時(shí)，這樣僅靠水冷塔降低水溫提供的冷量，就能將出空冷塔的空氣溫度降至12℃左右時(shí)，可采用無外加冷源的預(yù)冷系統(tǒng)，在無外加冷源的條件下，由于進(jìn)純化系統(tǒng)吸附器的空氣溫度較高，此時(shí)分子篩吸附劑用量需要提高，這時(shí)再生氣量增加，導(dǎo)致去水冷塔的污氮量減少，出空冷塔的空氣溫度會略有上升，預(yù)冷純化系統(tǒng)產(chǎn)生相互關(guān)聯(lián)影響，尤其在夏季氣溫較高的惡劣條件下，有外加冷源要比若無外加冷源，預(yù)冷純化系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行將更加有保障。

3 預(yù)冷系統(tǒng)的安裝及維護(hù)

空分裝置預(yù)冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由工程設(shè)計(jì)考慮，并應(yīng)注意以下要點(diǎn)[1]：

1. 要求嚴(yán)禁在塔體上動(dòng)火，在安裝過程中，塔體的垂直度應(yīng)符合JB 4710的規(guī)范要求；空氣冷卻塔在安裝就緒后做密封試驗(yàn)?？諝饫鋮s塔的低溫段和水冷卻塔的冷段、空氣出空氣冷卻塔管道和污氮?dú)膺M(jìn)水冷卻塔管道以及冷水管道均應(yīng)有保溫措施，對于北方地區(qū)，液位測點(diǎn)應(yīng)有防凍設(shè)施，以免液位計(jì)管路凍結(jié)，使液位控制故障。

2. 在安裝空氣冷卻塔及水冷卻塔的內(nèi)部零件與填料時(shí)，填料必須盡量裝滿，防止在運(yùn)行時(shí)，填料在塔內(nèi)跳動(dòng)。由于水冷卻塔當(dāng)中含有污氮，所以在檢修預(yù)冷系統(tǒng)的水冷卻塔前，應(yīng)先用空氣進(jìn)行置換，徹底驅(qū)除塔內(nèi)及管路中的污氮?dú)猓M(jìn)塔前半小時(shí)內(nèi)還應(yīng)對設(shè)備內(nèi)的氣體進(jìn)行取樣分析，含氧量大于20%時(shí)才能進(jìn)人進(jìn)行檢修，以確保檢修人員的人身安全。

4 預(yù)冷系統(tǒng)的運(yùn)行操作

一般空分裝置在啟動(dòng)時(shí)，先啟動(dòng)空壓機(jī)，然后再啟動(dòng)預(yù)冷系統(tǒng)，具體的操作步驟如下。

4.1 啟動(dòng)前檢查

1. 各儀表顯示正常，儀表氣壓力正常。2. 循環(huán)水系統(tǒng)已啟動(dòng)，水壓≥0.35 MPa。3. 各氣動(dòng)閥動(dòng)作指示準(zhǔn)確，各手動(dòng)閥靈活好用。4. 常溫水泵、冷凍水泵已盤車并確定無故障。5. 常溫水泵、冷凍水泵、預(yù)冷機(jī)電源已通，且預(yù)冷機(jī)已提前通電8 h。6. 空冷塔出口空氣壓力≥0.4 MPa。7. 水冷塔液位補(bǔ)充至正常液位。8. 空冷塔底部液位400 mm。9. 各氣動(dòng)閥前后手動(dòng)閥已全開，其余閥門關(guān)閉。10. 預(yù)冷系統(tǒng)全部聯(lián)鎖已投入。

4.2 預(yù)冷系統(tǒng)的啟動(dòng)

1. 啟動(dòng)常溫水泵WP1或WP2，打開水泵進(jìn)口閥，稍開排氣閥排掉泵內(nèi)空氣后關(guān)閉；注意啟動(dòng)水泵，如果壓力上不來說明還有氣，需要再次排氣，直到水泵正常工作。待壓力升起后，緩慢打開水泵出口閥；出口流量控制在參數(shù)要求范圍內(nèi)。

2. 啟動(dòng)低溫水泵WP3或WP4，打開水泵進(jìn)口閥，稍開排氣閥排掉泵內(nèi)空氣后關(guān)閉；注意啟動(dòng)水泵，如果壓力上不來說明還有氣，需要再次排氣，直到水泵正常工作。待壓力升起后，緩慢打開水泵出口閥，調(diào)整進(jìn)空冷塔流量至參數(shù)要求范圍。

3. 啟動(dòng)冷凍機(jī)，調(diào)整出口水溫，確保冷凍水進(jìn)空冷塔溫度在7～10℃。

4. 根據(jù)空冷塔出口溫度調(diào)整進(jìn)空冷塔循環(huán)水流量，確?？绽渌隹跍囟仍?～12℃。

5. 調(diào)整水冷塔進(jìn)水閥門，空冷塔回水閥門，保持空水冷塔液位在合格范圍內(nèi)，閥門投入自動(dòng)。

4.3 預(yù)冷系統(tǒng)的停車

1. 提前5～10 min，停冷凍機(jī)。2. 停常溫水泵，關(guān)閉水泵出口—停電—關(guān)水泵進(jìn)口。3. 停冷凍水泵，關(guān)閉水泵出口—停電—關(guān)水泵進(jìn)口。4. 空冷塔液位打開自動(dòng)排水閥，排凈空冷塔內(nèi)液體。5. 如長期停車，排掉空水冷塔內(nèi)存水。

5 新型預(yù)冷系統(tǒng)

新型預(yù)冷系統(tǒng)的工作原理為來自原料空氣壓縮機(jī)的空氣進(jìn)入預(yù)冷系統(tǒng)的空氣冷卻塔中冷卻，空氣在直接接觸式空氣冷卻塔中與水進(jìn)行熱質(zhì)交換，降溫至12℃，然后進(jìn)入交替使用的分子篩吸附器。用于冷卻空氣的水為冷凍水的則是來自循環(huán)水網(wǎng)，先進(jìn)入水冷卻塔中，利用分餾塔來的廢氣(包括污氮和富余氮?dú)?的含水不飽和性降低水溫，經(jīng)過冷凍水泵加壓后進(jìn)入空冷塔的頂部。

該預(yù)冷系統(tǒng)適合于裝置規(guī)模為2000～4000 Nm3/h小型空分裝置的設(shè)計(jì)合理且投資較省的新型預(yù)冷系統(tǒng)，當(dāng)空分設(shè)備的產(chǎn)品氮?dú)饬啃r(shí)(氮?dú)猱a(chǎn)品量：氧氣產(chǎn)品量小于1∶1)，這樣出冷箱的氮?dú)饧拔鄣獨(dú)饬枯^大，帶來的系統(tǒng)冷量較大，這種情況下不需要設(shè)置冷水機(jī)組，即可滿足空氣冷卻塔的出口空氣溫度要求，由于所需冷凍水量較小，且冷卻水自空氣冷卻塔中部進(jìn)入，換熱效率較差，因此采用只設(shè)置一路冷凍水，而不設(shè)置冷卻水管線，這樣既滿足了空分設(shè)備預(yù)冷系統(tǒng)的要求，有效節(jié)省了2臺冷卻水泵、2臺水過濾器、1臺氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥門、1臺流量計(jì)、冷卻水管路及相關(guān)手動(dòng)閥門等投資，同時(shí)冷卻水和冷凍水一起自空氣冷卻塔頂部進(jìn)，與塔內(nèi)的散堆填料全段換熱，空氣冷卻塔的換熱效率可提高30%。

圖1 新型預(yù)冷系統(tǒng)流程圖

新型預(yù)冷系統(tǒng)包含空氣冷卻塔、水冷卻塔、冷凍水泵、水過濾器、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥門、水流量計(jì)(電磁流量計(jì))等，在空分裝置當(dāng)中的作用是冷卻來自原料空氣壓縮機(jī)的空氣，使其能夠滿足后續(xù)純化系統(tǒng)的凈化溫度要求。新型預(yù)冷系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1. 對于預(yù)冷系統(tǒng)當(dāng)中的空氣冷卻塔只設(shè)置冷凍水一路進(jìn)水，少了冷卻水進(jìn)水管路，少了冷凍水進(jìn)水的水分布器、冷卻水進(jìn)水的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥門、冷卻水流量計(jì)、兩臺冷卻水泵、一套冷卻水閥門，這樣投資會節(jié)省不少。

2. 由于將預(yù)冷系統(tǒng)當(dāng)中的冷卻水和冷凍水合并為一股，對于空氣冷卻塔而言，冷凍水自空氣冷卻塔的頂部和空氣換熱，較原來的冷卻水和冷凍水兩股進(jìn)空氣冷卻塔，換熱效率要高30%，這樣冷凍水的流量有所減小，水泵的電耗也會節(jié)省一些。

3. 針對裝置規(guī)模為2000～4000 Nm3/h的小型空分裝置的預(yù)冷系統(tǒng)，精簡管路使得裝置操作更為簡單方便，在預(yù)冷溫度能滿足后續(xù)純化系統(tǒng)工作的情況下，可適當(dāng)提高空氣出口溫度，使得預(yù)冷系統(tǒng)在性能保證的前提下，操作控制簡單，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

6 結(jié)束語

空分裝置預(yù)冷系統(tǒng)是空氣分離成套裝置的重要系統(tǒng)，它的主要作用是將來自空分壓縮系統(tǒng)的原料空氣進(jìn)行洗滌并冷卻至一定溫度，載體為散堆填料，冷流體一般是來自涼水塔的冷卻水和來自水冷塔經(jīng)過污氮冷卻的冷凍水。對于空分設(shè)備預(yù)冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，同預(yù)冷系統(tǒng)的運(yùn)行操作直接相關(guān)，空冷塔一般采用直接接觸式塔降低空氣溫度，改善純化系統(tǒng)的工作環(huán)境，同時(shí)洗滌空氣中的機(jī)械雜質(zhì)和酸性氣體，目前普遍采用高效低阻散堆填料塔，既保證了塔的換熱性能，又減少了阻力，降低了空壓機(jī)出口壓力，從而降低了空分裝置的能耗。