加氫改質裝置反應產物空冷器管束彎曲原因分析及對策

遲占秋（中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司,內蒙古 鄂爾多斯 017000)張乾(鄂爾多斯職業學院,內蒙古 鄂爾多斯 017000）

加氫改質裝置是中國神華鄂爾多斯煤制油分公司的一套重要生產裝置，該裝置以加氫穩定處理后的煤直接液化油為原料生產清潔的柴油和石腦油。加氫改質裝置的反應生成油經過三臺高壓換熱器后溫度降至160℃左右再進入由8臺同型號空冷器并聯組成的干式空冷器，經空冷器冷卻至51℃后進入高壓分離器進行油水氣三相分離。隨著裝置運行時間的延長，加氫改質裝置反應產物空冷器上部管束產生明顯彎曲變形。管束變形不僅對管束的強度和穩定性有影響，而且會使管內介質和管外空氣流動狀態發生變化[1]，降低冷卻效果影響裝置生產能力同時嚴重影響裝置的長期安全穩定運行。因此本文對加氫改質裝置高壓空冷管束彎曲變形進行分析，提出了較為適宜的解決措施和預防手段。

1 空冷器簡介

1.1 空冷器結構

近年來世界各國的加氫技術都在迅速發展，高壓空冷器廣泛應用于石化及煉油行業尤其在缺水的北方地區。高壓空冷器的工作特點是：正常工作溫度一般不超過200℃，此種工況下大部分高壓空冷管束均選用碳鋼材料，因為在低于200℃時碳鋼基本不會發生氫腐蝕。在緊急情況下（加氫裝置緊急停工泄壓），大量高溫物料短時間快速通過空冷器會對管束造成沖擊，因此空冷管束必須具有良好的抗沖擊性能。改質裝置反應產物空冷器型號為：GP10.5*3-6-226-16.0S-23.4/DRⅢ，由8臺同規格的空冷器串聯組成，管束外形尺寸10.5 m×3.6m，6排管，設計壓力16.0 M Pa，設計溫度170℃，該空冷器是鼓風冷卻式，絲堵式管箱，管束水平放置。

1.2 空冷器操作條件

加氫改質裝置以經過加氫穩定后的煤直接液化油為原料，該原料油的干點≯327℃比較輕，流動性較好，不易結焦對空冷管束彎曲變形影響較小。加氫改質裝置高壓空冷器具體操作參數列于表一。

表一加氫改質裝置高壓空冷操作參數

2 空冷器管束變形分析

2.1 銨鹽結晶

加氫改質是在較高溫度、壓力和適宜催化劑的作用下，將原料油中所含的氧化物、硫化物和氮化物以及少量金屬等雜質除去，生成相應的H20、H2S和NH3，達到生產清潔燃料目的。在加氫改質反應過程中生成的H2S和NH3在適宜條件下會發生反應生成NH4HS，如果原料或新氫中含有氯離子還會有NH4CL生成。加氫工藝條件下NH4CL的結晶溫度是180-200℃，NH4HS起始結晶溫度是150℃[1]。因為結晶溫度不同，使得銨鹽在系統中析出的部位不同。氯化銨是在最后兩臺高壓換熱器處析出，而硫氫化銨則是在高壓空冷析出。在缺少液態水的情況下，NH4HS直接由氣相變成固態晶體，它能迅速堵塞高壓空冷器的管束，從而導致管內介質偏流，使得管內溫度分布不均，管束膨脹不均，最終引起管束彎曲變形。

加氫改質裝置原料油中硫含量：15-40PPm,氮含量：450-1000PPm，氯含量：未檢出。由于原料中幾乎不含氯，空冷器的入口溫度為140-160℃，出口溫度為51℃正好處于NH4HS的結晶溫度區間，因此生成NH4HS可能性較大。

2013年2月在裝置處理量沒有明顯變化的情況下反應產物空冷器壓降開始由0.1MPa增加到0.25MPa，同時該空冷器的冷卻效果明顯下降，2013年3月發現空冷器管束明顯向上彎曲變形。發現空冷管束變形后裝置立即降低處理量和提高注水量，兩天之后空冷壓降下降到0.15MPa，冷卻效果也有所好轉。2013年5月裝置檢修期間對該空冷進行了拆檢，發現最上層管束入口處白色粉末狀沉積物較多，堵塞嚴重，第二層情況較好，沉積物較少，出口最下層管線沉積物較多，但明顯好于入口最上層管。將空冷管束中的白色粉末狀沉積物進行分析發現其中氨氮含量高達15746mg/L，分析結果表明管束中的沉積物確實為銨鹽結晶物。

2.2 空冷器管束溫差約束應力影響

加氫改質裝置反應產物空冷器管箱出口端固定，入口端可自由伸縮。空冷管束受重力、管內流體壓力引起的軸向力、溫差引起的軸向力、管外流體作用載荷。空冷管束下面有4根橫梁支撐，所以管內介質重力影響可以忽略，而且管外氣體流動作用載荷較小也可以忽略[2]。由于空冷管箱一端固定另一端可以自由伸縮，所以管束與支架間的溫差應力基本可以消除。加氫改質裝置反應產物空冷器為三管程，設上排管束的平均溫度為T0，中間管束平均溫度為T1，最下排管束平均溫度為T2，由于空冷器的入口在最上層，所以T0＞T1＞T2。各層管束的剛性相同，上層管束受壓，產生彎曲變形，而下層管束受拉不易產生彎曲變形。

3 預防空冷器管束彎曲變形措施

3.1 增加注水量及改善注水水質

硫氫化銨在空冷器管束內結晶沉積過程受到諸多因素影響，主要包括原料中硫、氮含量、管內介質流速、空冷器前注水量、操作溫度等因素。在加氫裝置反應產物冷卻系統中為了防止銨鹽結晶堵塞換熱設備進而影響換熱效果，通常在反應器出口到高壓空冷器之間設置2到3個注水點。注水點的溫度應當高于此處條件下銨鹽的結晶溫度，而且注水不能全部汽化，必須保證總注水量的20%為液態，否則會使環境變成酸性而發生腐蝕。總注水量與裝置處理量有直接關系，一般注水量要求不低于原料量的5%（重量比）。H2S和NH3都具有一定的水溶性，隨著注水量的增加，氣相和油相物流中H2S和NH3相分率不斷減少，相分率的減少導致H2S和NH3分壓降低，氣相中硫氫化銨結晶摩爾數也會隨之降低，發生結晶沉積的可能性相對減小[3]。加氫改質裝置設計注水量為7.5t/h，但是實際運行中注水量只有5t/h，比設計值偏小33.3%。注水量偏小使得銨鹽沉積物不能及時洗脫，長期運行必然會使銨鹽沉積物增加。2013年3月發現空冷器管束壓降增加彎曲變形后立即提高注水量到8t/h，裝置運行24小時后空冷壓降明顯減小，這種現象說明提高注水量可以有效防止銨鹽結晶。注水量是影響結晶沉積和垢下腐蝕的重要因素。注水量不足，不但不能防止銨鹽結晶而且會形成酸性腐蝕環境加劇管道腐蝕；注水量過多，即造成水資源的浪費，又會對管道造成沖蝕；適宜的注水量既能防止銨鹽結晶沉積又不會造成管道沖蝕。按照劉旺平的研究，注水量的多少通常可以按照原料油中每200PPm的氮含量加注原料油體積的1%的凝結水[1]。

加氫改質裝置設計注水為品質較高的除鹽水，由于本地水資源緊張且污水處理壓力比較大，在裝置實際運行過程中將除鹽水改為回用水。由于回用水中含有一定量的氨氮，使得大量氨氮隨著注水進入系統中，從而增加了高壓空冷器銨鹽結晶趨勢。目前加氫改質裝置仍然采用注入回用水的方式預防銨鹽結晶，但是加大了對回用水水質的監控力度，當發現回用水水質惡化時及時將注水切換為除鹽水。

3.2 優化空冷器操作溫度

溫度對硫氫化銨結晶沉積過程的影響主要體現在空冷器進口溫度和鼓風機冷卻效果對管束內溫度場的分布兩方面。當其他操作條件不變時，提高空冷器進口溫度將會使整個空冷器管束系統溫度升高，空冷器的出口溫度也會隨之升高。正常操作時硫氫化銨的起始結晶溫度不變，所以操作溫度的升高會使結晶位置向空冷器出口方向移動，從而使硫氫化銨結晶沉積的趨勢降低。但是空冷器系統溫度提高有可能使空冷器出口溫度不能滿足工藝要求，所以在能保證工藝要求的前提下根據空冷器入口溫度適當設置鼓風機效率。

3.3 降低管束溫差約束應力

加氫改質裝置反應產物空冷器采用絲堵式整體管箱，出口端固定，入口端可在一定范圍內自由浮動。這種方式雖然不能完全消除管束的軸向壓應力，但是可以減小管束變形，所以應按規范施工，保證浮動端無約束。

在生產過程中，當生產負荷低或環境溫度較低時，不能通過關閉部分風機以控制通過管束的風量的方式來控制空冷器出口溫度。因為這種沒有規律的控制方式會使并聯的管束中產生較大的溫差應力，導致管束彎曲變形。

4 結語

加氫改質裝置空冷器管束變形的原因主要有：

4.1 硫氫化銨結晶沉積導致管內介質偏流，使得管內溫度分布不均，管束膨脹不均，最終引起管束彎曲變形。

4.2 在管束之間、管束與支架間存在較大的溫差約束應力，致使管束失穩，產生彎曲變形。

針對以上原因預防空冷器管束彎曲變形的主要措施有：

4.1 在保證不發生沖蝕和滿足工藝要求的前提下調整鼓風機冷卻效率、提高注水量和水質可以有效的預防硫氫化銨結晶沉積。

4.2 減小溫差應力，嚴格按規范施工保證浮動端無約束、采用分解式管箱，減小管束之間的溫差應力緩解變形。

[1]劉旺平.柴油加氫空冷器管束彎曲原因分析及應力計算[D].廣州：華南理工大學，2012.

[2]樊玉光.加氫裝置空冷器管束變形分析及防止[J].石油化工設備-2000年6期.

[3]曹晶.加氫空冷系統硫氫化銨流動沉積機理及多場耦合數值分析[D].杭州：浙江理工大學，2011.