叶鸿飞

(中国中煤能源集团有限公司，北京 100120)

0 前言

中煤鄂尔多斯能源化工有限公司设计建设规模为年产2 000 kt合成氨、3 500 kt尿素项目，一期工程年产1 000 kt合成氨、1 750 kt尿素，一期项目配置2套40 000 m3/h(标态)空分装置。空分装置在试运行1年多时间中，由于循环水的水质问题，2套空分装置在运行中均发生空冷塔上部低温水分布器堵塞及氨冷器换热管束堵塞的问题，对空分装置的安全稳定运行造成很大影响。

1 空分装置预冷系统工艺流程

该预冷系统主要由空冷塔、水冷塔、氨冷器及4台水泵组成。预冷系统工艺流程示意见图1。

空冷塔为装有2层塔料的填料塔，空气由空气压缩机送入空冷塔底部，由下往上穿过填料层，被从上往下的水冷却，并同时洗涤部分NOx，SO2，Cl-等有害杂质，最后穿越顶部的丝网分离器，空冷塔出口气体(温度约10 ℃)进入纯化系统的纯化器。

进入空冷塔的水分为2段：下段为循环水的冷却水，经常温水泵加压，流量约为480 m3/h、温度约为28 ℃，进入空冷塔中部自上而下冷却压缩空气，最终汇聚在空冷塔底部，通过调节阀送入循环水回水系统；上段为来自水冷系统的低温水，经水冷塔与由分馏塔来的多余污氮气进行热质交换冷却后，由低温水泵加压, 流量约为100 m3/h、温度约为25 ℃，进入氨冷器与液氨换热， 换热后水温度约为8.3 ℃，最后送入空气冷却塔上部，自上而下冷却压缩空气，最终汇聚在空冷塔底部，通过调节阀送入循环水回水系统。

图1 预冷系统工艺流程示意

2 存在的问题

低温水经过低温水泵加压，通过氨冷器冷却后进入空冷塔上部的低温水流量逐渐降低，由100 m3/h降至60 m3/h；空冷塔出口空气温度由约10 ℃逐渐升至约17 ℃；氨冷器的换热能力也逐渐下降，要通过不断提高液氨液位和降低气氨压力才能将氨冷器出口水温度控制在约8.3 ℃。由于空冷塔的出口空气温度偏高，导致空冷塔的出口空气中带水量偏大(例如8 ℃饱和空气中的含水量为8.28 g/m3，10 ℃饱和空气中的含水量为9.35 g/m3，饱和空气温度每提高1 ℃，则含水量增加约0.54 g/m3)，长期运行会对分子筛及分馏塔造成安全隐患，为此，决定在不停车的情况下解决此问题。

3 清洗方法

3.1 高压水射流清洗

由于1套系列空分装置负荷较低，采用隔离氨冷器的办法，低温水通过氨冷器旁路阀V1163进入空冷塔上部,加大进入水冷塔的氮气和污氮气流量，最大程度降低水冷塔出口水温度。将氨冷器隔离出来，打开氨冷器水侧封头，发现氨冷器水侧管束结垢比较严重，甚至部分管束已经结垢堵死。经取结垢样分析化验，结垢主要成分为CaCO3和MgCO3。为此，采取高压水射流方法，对氨冷器水侧管束逐根进行清洗，氨冷器清洗完毕并投入使用后，其氨冷器出口低温水流量由原先的60 m3/h升至85 m3/h，空冷塔出口空气温度也由约17 ℃降至约15 ℃。

3.2 浓硫酸在线清洗

空冷塔出口空气温度虽然降至约15 ℃，但还是达不到设计值(<12 ℃)，为此，决定用浓硫酸进行在线清洗。用50 L/h的计量泵进口接至硫酸槽，出口接至低温水泵的进口管道处，浓硫酸通过该计量泵加压送入低温水泵进口，与低温水混合后经过氨冷器、分布器，最终进入到空冷塔内。在酸洗过程中，一定要缓慢添加少量浓硫酸，控制浓硫酸与低温水混合后的水中pH在5～6，并且控制一次连续加酸时间在2～3 h。浓硫酸稀释后有强烈的腐蚀性，如果加入量过大，持续时间长，则会对碳钢管道造成强腐蚀。当浓硫酸与低温水混合流过氨冷器换热管束、分布器蓬头时，与附着在管束和蓬头上的CaCO3和MgCO3反应生成CaSO4、MgSO4，虽然CaSO4、MgSO4不溶于水，但是在反应时生成的物质颗粒被低温水冲走，使换热管束及蓬头上的部分水垢剥落，对疏通换热管束及蓬头起到一定的作用。

采用浓硫酸在线清洗后，进入空冷塔上部的低温水流量由85 m3/h升至100 m3/h，空冷塔的出口空气温度也由约15 ℃降至约13 ℃，大大降低了空冷塔出口空气中含水量，减轻了分子筛的运行负荷。

浓硫酸在线清洗具有很大的局限性，只能起到一定的缓解作用，在紧急情况下可以使用，但是并不能彻底解决换热管束及蓬头结垢堵塞的问题。浓硫酸稀释后具有强烈的腐蚀性，长期使用会对管道及设备造成损坏，并对操作人员也存在不安全因素。

3.3 氨基磺酸在线清洗

考虑到浓硫酸在线清洗的缺点，改用氨基磺酸进行在线清洗。清洗原理：氨基磺酸水溶液具有与盐酸、硫酸等同等的强酸性，采用氨基磺酸与水垢反应生成可溶性的钙盐、镁盐，最终达到清除系统中存在的水垢目的。加入消泡剂防止产生泡沫(如果产生泡沫也会导致出空冷塔空气大量带水，对分子筛及分馏系统运行造成威胁)；加入缓蚀剂防止清洗过程对管道及设备造成损伤。

3.3.1 氨基磺酸与水垢反应的机理

CaCO3+2NH2SO3H=Ca(NH2SO3)2+H2O+O2↑

MgCO3+2NH2SO3H=Mg(NH2SO3)2+H2SO4

CaSO4+2NH2SO3H=Ca(NH2SO3)2+H3SO4

3.3.2 氨基磺酸在线清洗步骤

(1) 安装清洗泵，并将其进口接至清洗药剂槽底部、出口接至氨冷器出口低温水泵出口管道，在其出口安装流量控制阀。

(2) 按比例加入水、氨基磺酸、缓蚀剂、消泡剂、渗透剂等药剂；定时取样分析清洗药剂槽中酸洗液的pH，酸洗过程中酸洗液中pH控制在1～2。

(3) 在清洗药剂槽中应挂入与清洗系统中所有材质相同的腐蚀监测试片(碳钢测试挂片和铜测试挂片)。

(4) 关闭清洗泵出口流量控制阀，打开清洗泵进口阀门和回流阀，启动清洗泵进行自循环，使得清洗药剂槽中的药剂混合均匀，同时及时检测清洗药剂槽中酸洗液中的pH。

(5) 当清洗药剂槽中酸洗液混合均匀后，缓慢打开清洗泵出口阀门，缓慢关闭清洗泵回流阀，控制清洗泵出口压力与低温水泵出口压力接近。酸洗液进入到低温水泵出口管道内与低温水混合后，与管道内污垢进行化学反应，污垢被剥离、溶解，通过低温水分布器喷出，溶解于系统循环水当中，以达到清洗除垢目的。

3.3.3 注意事项

(1) 适当开大分子筛进口空气管道排污阀，由专人监控；如果发现排污阀排出空气中夹渣少量水汽，立即减少或者停止进入管道内的酸洗液，在酸洗液中加大消泡剂的投入量，防止发生出空冷塔空气带水，导致分子筛进水的事故。

(2) 按时取样化验空冷塔出口循环水回水中总铁含量和pH，同时监测清洗药剂槽中测试挂片的腐蚀速率和腐蚀量。检测要求：总铁质量浓度<1.0 mg/L，pH在6.5～9.5；碳钢和铜挂片的腐蚀速率、腐蚀量均符合《工业设备化学清洗质量标准HG/T 2387—2007》规定。

(3) 加强监控低温水流量、空冷塔出口空气温度、空冷塔阻力及空冷塔底部液位。

(4) 防止清洗溶液中Cl-对设备和管线中不锈钢材质的腐蚀，应控制清洗溶液中Cl-质量浓度≤25 mg/L。

(5) 清洗液中氨基磺酸质量分数与pH的关系: 氨基磺酸质量分数为10.00%，5.00%，3.00%，1.00%，0.25%分别对应的pH为0.40,0.63,0.85,1.19,1.72。在清洗过程中，若清洗液中pH上升至3.5时，说明药品不足，需要补加药品氨基磺酸。

(6) 当氨冷器出口低温水流量达到设计流量(100 m3/h)，且低温水流量控制阀有调节余量时，则应停止清洗。

4 验收标准

按照《工业设备化学清洗质量标准HG/T 2387—2007》，化学清洗完毕后要进行设备结构材料的腐蚀率、腐蚀量、除垢率及洗净率验收。由于此次化学清洗是在设备运行中进行的，不具备设备结构材料的腐蚀率、腐蚀量、除垢率及洗净率验收的条件，只能通过清洗药剂槽中测试挂片的腐蚀速率、腐蚀量及工艺控制流量、温度来进行最终的验收。

检测清洗结果：碳钢测试挂片的腐蚀速率<6 g/(m2·h)，腐蚀量<72 g/m2；铜测试挂片的腐蚀速率<2 g/(m2·h)，腐蚀量<24 g/m2；氨冷器出口低温水流量为100 m3/h，空冷塔出口空气温度<12 ℃。

依据以上检测清洗结果可以看出，清洗药剂槽中测试挂片的腐蚀速率、腐蚀量均符合《工业设备化学清洗质量标准HG/T 2387—2007》规定，同时出氨冷器低温水流量和出空冷塔空气温度均达到工艺设计值，说明此次化学在线清洗合格。