塔河重質原油電脫鹽問題探討*

2020-03-18 01:19:34李昀達1劉小輝

石油化工腐蝕與防護 2020年1期

李昀達1，劉小輝，韓磊

(1.合肥通用機械研究院有限公司，安徽合肥 230031；2.中國石化青島安全工程研究院，山東青島 266000)

近年來，塔河原油性質不斷劣化，密度超過0.954 g/cm3,鹽質量濃度為400～600 mg/L,瀝青質質量分數超過15%。某煉油廠加工塔河原油，原油性質劣化導致電脫鹽效率明顯降低，其2號電脫鹽裝置自2010年開工以來運行狀況欠佳，脫后原油鹽含量過高，排水帶油現象嚴重，使得后續加工裝置結鹽嚴重，水洗頻次增加，設備腐蝕加劇。由于污水油含量過高導致污水處理壓力大，超出污水處理場負荷的脫鹽污水只能前注，造成一系列問題。該文分析了塔河原油的特點和電脫鹽運行狀況，提出了改進建議。

1 塔河重質原油電脫鹽現狀

某煉油廠加工塔河原油，為了達到脫鹽指標的要求，2號電脫鹽裝置采用四級電脫鹽，其中前三級為鼠籠式電極電脫鹽罐，第四級為交直流電極板電脫鹽罐，前兩級可以并聯也可以串聯，第三、四級為串聯。該裝置原油處理能力為382 t/h，采取逐級回注方式注水，第一、二級排水至污水場，第三、四級排水回注一級。一般情況下，國內煉化企業的電脫鹽只需采用兩級電脫鹽便可達標，由此可以看出塔河原油脫鹽難度很大。

近年來，為了解決塔河原油的電脫鹽問題，該廠進行了多次技術改造，具體做法如下[1-2]：

(1)調整流程。將原第一級和第二級電脫鹽罐并聯，原第三級作為第二級，目的是增加前兩級電脫鹽裝置內油相的停留時間。運行一段時間后，發現效果并不明顯，所以又將前兩級改為串聯。

(2)更換前三級電脫鹽罐變壓器。變壓器輸出電壓從25 kV增加至40 kV，電場強度由700 V/cm增加至1 100 V/cm。

(3)調整工藝參數。將注水量提升至10%，將第一級電脫鹽罐入口溫度由140 ℃提升至145 ℃。為了增加原油與水的混合時間，將注水點由原來的電脫鹽罐之前提前到換熱器之前，并提高混合強度。

(4)篩選和更換破乳劑。對多個廠家的破乳劑展開篩選，先后使用了5種破乳劑，但是最后的使用效果均不理想。目前仍在尋找合適的破乳劑。

(5)增設第四級電脫鹽設備。該設備通過增大尺寸以降低原油在罐體內的上升速度。水層設計停留時間為220 min，罐內原油停留時間為352 min。

改造后的電脫鹽裝置在2014年6月至2015年12月的運行情況見表1。經核算，原油中鹽的總脫除率可達98.1%，但第二、三級單級脫除率很低。脫后原油鹽質量濃度下降至8.72 mg/L，電脫鹽排水平均含油質量濃度降低至1 355 mg/L，與行業規定的脫鹽指標仍有差距。

表1 2號電脫鹽裝置改造后運行情況

2 塔河重質原油性質分析

2.1 黏度和密度對電脫鹽的影響

圖1是塔河原油溫度與黏度的關系曲線，圖2是塔河原油溫度與密度的關系曲線。

圖1 塔河原油溫度與黏度的關系曲線

圖2 塔河原油溫度與密度的關系曲線

水滴的沉降速度遵循斯托克斯公式：

式中：u——水滴的沉降速度，m/s；

ρ1和ρ2——分別為原油和水的密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

υ——原油運動黏度，m2/s；

d——水滴直徑，m。

從圖1可以看出，塔河原油在常溫下黏度極高，在原油溫度從30 ℃升高到60 ℃時，其黏度急劇下降，溫度高于60 ℃后黏度下降緩慢，當溫度高于90 ℃時，其動力黏度低于200 mPa·s，有助于脫鹽脫水過程的進行。根據斯托克斯公式，水滴在油相中的沉降速度取決于油水兩相的密度差,從圖2可以看出，隨著溫度升高油水兩相的密度差變化極小，這是其脫鹽困難的原因之一[3]。

2.2 瀝青質和膠質對電脫鹽的影響

圖3是塔河原油瀝青質、膠質含量隨時間的變化情況。

圖3 塔河原油瀝青質和膠質含量變化

Waller P R等人研究發現，自然界中原油乳狀液的形成主要是由于瀝青質的存在[4]。Eley D D等人研究發現，界面膜的強度和乳狀液穩定性隨瀝青質含量的增加而增大[5]。原油中存在具有較強表面活性和極性的膠質和瀝青質，吸附在油水界面可以形成強度較高的界面膜，增加原油乳狀液的穩定性。瀝青質是由膠質的進一步氧化而得的，兩者之間存在很強的關聯性，膠質對瀝青質有溶解作用。當兩者同時存在于原油中時，如果瀝青質含量不變，膠質的含量增加可以有效降低瀝青質對原油的穩定作用，提高電脫鹽的效果。由圖3可以看出，近年來，塔河原油瀝青質含量普遍高于膠質含量，對原油電脫鹽有不利影響。

2.3 機械雜質對電脫鹽的影響

機械雜質對原油乳狀液的穩定性有較大影響，特別是含鐵的無機物顆粒，與瀝青質包裹在一起，可改變顆粒的潤濕性，更容易在界面吸附，增加界面膜的強度，導致乳化層增厚，使排水油含量明顯增加[6]。自2008年以來，經常在塔河原油中檢測出機械雜質，電脫鹽乳化層和排水中也發現較多的黑色固體顆粒(見圖4),油相內部的水滴中仍存在明顯的界面膜和混亂分布的黑色顆粒。這些小水滴鹽含量極高，在電場中很難聚結成大水滴。含鹽的小水滴隨油相進入后續工藝，影響電脫鹽裝置的脫鹽效率。

圖4 塔河原油乳化液顯微照片

3 電脫鹽裝置設備問題分析

3.1 鼠籠式電脫鹽罐的結構問題

前三級電脫鹽裝置采用了鼠籠式電極技術，該技術是在電脫鹽罐內設置多層偏心鼠籠式組合電極，電極組合件由三層橫斷面呈圓環形的電極組成。電極組合件相鄰兩層電極之間形成環形空間，兩層電極之間的間距從頂部到底部逐漸減小，在脫鹽罐內部原油水含量較小的上部區域電場強度大，水含量較大的底部區域電場強度較小。

從以上結構特點分析可以看出：

(1)由于脫前原油鹽含量很高，經第一級電脫鹽可以脫除大量的鹽分，但是未被脫除的小水滴中仍含有極高的鹽分。一級電脫鹽之后油相中水滴的粒徑很小，在后兩級的電脫鹽操作中也難以聚結沉降，因此導致第二、三級電脫鹽效率極低。

(2)以水平方式往電脫鹽罐進油易在罐內形成偏流，導致部分原油未經過強電場區域而直接從出口流出。

根據以上結構特點對鼠籠式電脫鹽罐進行Fluent模擬，見圖5。從圖5可以看出，部分原油沒有經過鼠籠電極區域，而直接從罐體下部遠電場區流向出口。圖6是鼠籠式電脫鹽罐油相分布圖(圖中深紅色代表油相占比較大，藍色代表水相占比較大)。從圖6可以看出，油相集中分布在罐體上部，水相分布在罐體下部，罐內存在油水分層現象，罐出口處原油水含量較高，說明該裝置的脫鹽、脫水效果并不理想。