運(yùn)用重芳烴清洗技術(shù)解決高壓換熱器結(jié)垢問(wèn)題

韓杰彪

（中國(guó)石油天然氣股份有限公司廣西石化分公司，廣西欽州 535008）

0 引言

加氫裂化裝置按照反應(yīng)器的作用分為一段法和兩段法兩種，一段法是指通過(guò)一次反應(yīng)對(duì)原油進(jìn)行高溫氫氣混合提煉的方法；兩段法與一段法相比多了一次反應(yīng)，使原油的環(huán)保性能更好，第一次反應(yīng)是通過(guò)添加氫氣去除原油中的氮和硫化物，第二次反應(yīng)則是加氫形成裂化，對(duì)原油進(jìn)一步提煉。氫氣與原油發(fā)生反應(yīng)的容器被稱(chēng)為反應(yīng)器，其內(nèi)部裝有顆粒狀的催化劑，通過(guò)高壓低壓將液體與氣體分離。一段法加氫裂化的提煉程度不高，主要生產(chǎn)中間餾分油，兩段法加氫裂化因多了一次反應(yīng)，相比于一段法提煉程度更高，主要用于生產(chǎn)汽油。

1 加氫裂化裝置

1.1 發(fā)展

早在20 世紀(jì)20 年代，德國(guó)就已經(jīng)有了加氫技術(shù)的雛形。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，德國(guó)應(yīng)發(fā)展需要必須加大輕質(zhì)油開(kāi)發(fā)，通過(guò)加氫技術(shù)對(duì)重質(zhì)油進(jìn)行餾分的方式在短時(shí)間內(nèi)獲得極大輕質(zhì)油數(shù)量，同時(shí)質(zhì)量也得到了極大的提升。直到20 世紀(jì)50年代末，美國(guó)謝夫隆公司、環(huán)球油品公司、聯(lián)合油公司先后開(kāi)發(fā)出不同的加氫裂化技術(shù)，加氫裂化技術(shù)在全世界開(kāi)始高速發(fā)展。我國(guó)20 世紀(jì)50 年代初開(kāi)始加氫技術(shù)的研發(fā)，但因當(dāng)時(shí)受到技術(shù)封鎖，一直難以取得有效成果，直到60 年代大慶油田、勝利油田的相繼開(kāi)發(fā)，加氫裂化技術(shù)才正式開(kāi)始發(fā)展，并于60 年代后期成功建造了第一套年產(chǎn)400 萬(wàn)噸的加氫裂化裝置，時(shí)至今日，我國(guó)加氫裂化技術(shù)已經(jīng)領(lǐng)先于世界，對(duì)加氫裂化技術(shù)進(jìn)行了更深層次的研究并廣泛投入使用。

1.2 類(lèi)型

加氫裝置根據(jù)加工目的的不同，主要分為加氫精制、加氫裂化、渣油加氫處理等多個(gè)類(lèi)型，其中加氫裂化裝置根據(jù)壓力的不同可分為高壓加氫裂化裝置及中壓加氫裂化裝置，高壓加氫裂化裝置的實(shí)際操作壓力一般在16 MPa 左右，中壓加氫裂化裝置一般在9 MPa 左右。根據(jù)工藝流程的不同可分為一段法、兩段法、串聯(lián)法三種，上文介紹了一段法與兩段法，這里主要介紹串聯(lián)法（圖1）。所謂串聯(lián)法就是串聯(lián)加氫裂化，與兩段法類(lèi)似，也是由加氫精制及加氫裂化兩個(gè)反應(yīng)器組成，只是將兩個(gè)反應(yīng)器串聯(lián)起來(lái)，組成一套加氫系統(tǒng)，與兩段法有著本質(zhì)區(qū)別。串聯(lián)法結(jié)合了一段法與兩段法共同的特點(diǎn)，方便靈活的同時(shí)操作又較為簡(jiǎn)單，相比于一段法與兩段法具有明顯優(yōu)勢(shì)，是目前使用最為廣泛的加氫裂化方法。

圖1 串聯(lián)加氫裂化裝置工作流程

1.3 主要設(shè)備

1.3.1 加氫反應(yīng)器

加氫反應(yīng)器是加氫裂化裝置中最重要的組成部分之一。一般情況下，加氫反應(yīng)器都會(huì)進(jìn)行固定作業(yè)，因加氫反應(yīng)會(huì)使氫元素先后經(jīng)歷氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)三個(gè)狀態(tài)，故而加氫反應(yīng)器分為熱壁和冷壁兩種，冷壁反應(yīng)器內(nèi)部做了隔熱處理，主要是進(jìn)行液態(tài)及固態(tài)的反應(yīng)，熱壁反應(yīng)器內(nèi)部沒(méi)有隔熱處理，采用雙層堆焊，主要進(jìn)行氣態(tài)及液態(tài)的反應(yīng)。加氫反應(yīng)器內(nèi)部的催化劑必須分層填裝，用急冷氫進(jìn)行隔離，因此，加氫反應(yīng)器工作人員工作時(shí)必須細(xì)致，明確加氫反應(yīng)器復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。加氫反應(yīng)器的工作條件十分苛刻，因此工作時(shí)必須十分注意。

1.3.2 高壓換熱器

高壓換熱器一般用于反應(yīng)器出口，因反應(yīng)器完成工作后出來(lái)的材料具有較高的溫度，應(yīng)盡可能將這部分熱量回收使用，故加氫裂化裝置都會(huì)設(shè)有高壓換熱器，用于搜集熱量，同時(shí)對(duì)材料進(jìn)行降溫。因反應(yīng)器產(chǎn)出材料多與混氫原料進(jìn)行換熱，工作環(huán)境必須滿足高溫、高壓兩個(gè)條件。目前常用的高壓換熱器為U 形管式雙殼程換熱器，是由管程、殼程兩部分組成的筒體及內(nèi)部焊有U 形管束組成，在管束與管板、筒體之間墊有墊片，可以很好地完成熱量回收工作，極大提高了換熱效率，因其特殊結(jié)構(gòu)，極大減少了高壓換熱器的體積，增大換熱面積，是加氫裂化裝置的重要組成部分。

1.3.3 高壓空冷

高壓空冷是加氫裂化裝置重要的散熱降溫組件，是在高壓、臨氫的環(huán)境下將冷空氣導(dǎo)入設(shè)備，從而完成散熱降溫，其具體應(yīng)用涉及空氣動(dòng)力學(xué)、渦輪增壓技術(shù)等多項(xiàng)學(xué)科。我國(guó)華北地區(qū)某煉油廠層發(fā)生高壓空冷泄樓事故，造成部分操作人員輕傷，煉油廠被迫停工處理，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)幾億元。

1.3.4 高壓分離器

高壓分離器的主要作用是將氣、油、水三者進(jìn)行分離，工作條件必須滿足高壓、臨氫，實(shí)際操作中的溫度并不高，但是在具體的工作中，由于水和硫化氫的存在，對(duì)各種材料具有極強(qiáng)的腐蝕性，因此在實(shí)際工作中要嚴(yán)格遵循操作流程，做好安全監(jiān)管及防護(hù)，避免造成不必要的人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失。另外，高壓分離器的液位高度是必須關(guān)注的重要標(biāo)準(zhǔn)，否則將會(huì)發(fā)生極其嚴(yán)重的隱患及事故。液位過(guò)高會(huì)導(dǎo)致液體進(jìn)入循環(huán)氫壓縮機(jī)，液位過(guò)低則會(huì)導(dǎo)致高壓環(huán)境驟然轉(zhuǎn)向低壓，導(dǎo)致大量循環(huán)氫進(jìn)入低壓分離器。因此，從安全角度出發(fā)，高壓分離器是關(guān)系到加氫裂化裝置能否正常工作、保障工作人員生命安全的重要設(shè)備。

1.3.5 反應(yīng)加熱爐

反應(yīng)加熱爐是加氫裂化裝置所中唯一有明火的組件，工作條件必須滿足高溫、高壓、臨氫，且?guī)в幸欢ǔ潭鹊姆派湫裕虼瞬僮饕髽O為苛刻。加之反應(yīng)加熱爐對(duì)熱量回收的效率非常高，為避免出現(xiàn)不必要的安全隱患，一般會(huì)為其加裝余熱鍋爐系統(tǒng)。

1.3.6 新氫壓縮機(jī)

新氫壓縮機(jī)是將原料氫氣加入加強(qiáng)裂化裝置中的設(shè)備，進(jìn)出口有非常大的壓力差，因此在生產(chǎn)中一般采用往復(fù)式壓縮機(jī)盡可能的減少壓力差。往復(fù)式壓縮機(jī)的工作模式較為單一，造成在其不能在一定的時(shí)間內(nèi)持續(xù)工作，因此往往會(huì)裝設(shè)備用機(jī)，通過(guò)這種方式提高加氫裂化裝置的工作效率，從歷史數(shù)據(jù)分析，往復(fù)式壓縮機(jī)每級(jí)壓縮比在2～3，針對(duì)原料氫氣可以做到三級(jí)壓縮，就原油環(huán)保提煉而言，可極大提高其環(huán)保等級(jí)。

1.3.7 循環(huán)氫壓縮機(jī)

循環(huán)氫壓縮機(jī)在加氫裂化裝置工作時(shí)為其提供已經(jīng)發(fā)生過(guò)反應(yīng)的循環(huán)氫氣，主要對(duì)原油進(jìn)行第一次環(huán)保提煉，是節(jié)能減排理念的一項(xiàng)重要成果。從加氫裂化裝置的結(jié)構(gòu)來(lái)看，循環(huán)氫壓縮機(jī)的作用十分重要，直接影響加氫裂化裝置能否正常工作，一旦循環(huán)氫壓縮機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題，加氫裂化裝置就必須泄壓停工，以避免造成經(jīng)濟(jì)損失乃至人員傷亡。

1.3.8 自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器

原料氫氣中含有的機(jī)械雜質(zhì)如果不及時(shí)清除，會(huì)對(duì)加氫裂化裝置內(nèi)部造成極大的損傷，最直接的影響是加大反應(yīng)爐內(nèi)壓強(qiáng)，導(dǎo)致壓力差過(guò)大從而發(fā)生危險(xiǎn)。自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器正是為了解決這一問(wèn)題而設(shè)置的，通過(guò)內(nèi)置過(guò)濾網(wǎng)將雜質(zhì)顆粒阻擋在外，每次工作對(duì)過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)行反沖洗，大大改善工況。

2 加氫裂化裝置高壓換熱器結(jié)垢原因分析

2.1 結(jié)垢原因

高壓換熱器結(jié)垢原因較多，成分較為復(fù)雜，如果只考慮原油對(duì)高壓換熱器結(jié)垢的影響，可分為有機(jī)化合物結(jié)垢與無(wú)機(jī)化合物結(jié)垢兩種情況。無(wú)機(jī)化合物結(jié)垢主要是因?yàn)樵蛢?nèi)含有大量鹽類(lèi)物質(zhì)，一旦進(jìn)入高壓換熱器內(nèi)部，受到高溫高壓環(huán)境的影響就會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)腐蝕設(shè)備內(nèi)壁造成沉淀形成結(jié)垢，從而影響設(shè)備的正常工作。事實(shí)上在原油進(jìn)入高壓換熱器之前，會(huì)對(duì)原油進(jìn)行過(guò)濾，但由于無(wú)法做到完全將鹽類(lèi)物質(zhì)濾除，會(huì)有少量鹽類(lèi)物質(zhì)進(jìn)入高壓換熱器。有機(jī)化合物結(jié)垢主要是高壓換熱器內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)與物理過(guò)程相結(jié)合造成的，必須要明確高壓換熱器內(nèi)部不同區(qū)域擁有不同程度的溫度變化，因此原油進(jìn)入高壓換熱器內(nèi)與氫氣發(fā)生反應(yīng)的時(shí)間、強(qiáng)度各有不同，很多反應(yīng)不完全的物質(zhì)具有較強(qiáng)腐蝕性，對(duì)高壓換熱器內(nèi)壁造成腐蝕后與之結(jié)合，從而形成不同程度、不同物質(zhì)的結(jié)垢層，清理起來(lái)十分困難。

2.2 結(jié)垢后果

高壓換熱器內(nèi)部結(jié)垢會(huì)對(duì)整個(gè)加氫裂化裝置造成兩個(gè)方面的后果，一是導(dǎo)致裝置反應(yīng)爐加熱溫度不高，無(wú)法為加氫裂化裝置提供充足的反應(yīng)，增加后續(xù)設(shè)備的工作負(fù)荷，持續(xù)下去會(huì)造成設(shè)備之間的連接管溫度過(guò)高，影響連接管的使用壽命，形成安全隱患；二是削弱高壓換熱器換熱效果，無(wú)法對(duì)反應(yīng)油做到及時(shí)降溫，為后續(xù)的高壓空冷增加負(fù)擔(dān)，特別是在炎熱的夏季，非常容易導(dǎo)致溫度難以下降、設(shè)備無(wú)法正常工作的情況。另外，對(duì)高壓空冷輸入口也會(huì)造成極大負(fù)擔(dān)，過(guò)熱的溫度會(huì)增加高壓空冷輸入口的抗腐蝕壓力，影響設(shè)備的使用壽命，發(fā)現(xiàn)不及時(shí)還會(huì)造成反應(yīng)物泄漏，危害工作人員生命安全，影響經(jīng)濟(jì)效益。

3 重芳烴清洗技術(shù)在高壓換熱器的應(yīng)用及效果

3.1 應(yīng)用情況

重芳烴清洗技術(shù)對(duì)高壓換熱器的清洗效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于烷烴及烯烴等溶劑，可減少膠性物質(zhì)與瀝青性物質(zhì)的溶解等級(jí)，減少反應(yīng)過(guò)程中膠性物質(zhì)及瀝青性物質(zhì)的析出，提高各項(xiàng)反應(yīng)過(guò)程中的穩(wěn)定性，從而減少高壓換熱器內(nèi)壁結(jié)垢。通過(guò)試驗(yàn)表明，重芳烴溶解結(jié)垢在130 ℃時(shí)效果最好。圖3 是重芳烴清洗工藝流程，可以看出，重芳烴進(jìn)入原料罐后通過(guò)反沖洗裝置的清洗后進(jìn)入濾后原料罐發(fā)生反應(yīng)，送入高壓換熱器內(nèi)，通過(guò)將溫度提升至130 ℃后進(jìn)入燒焦罐，通過(guò)熱低壓分離器的反應(yīng)后回到原料罐內(nèi)。該過(guò)程反復(fù)對(duì)高壓換熱器進(jìn)行除垢，使高壓換熱器內(nèi)部壓力差回歸標(biāo)準(zhǔn)線，從而完成全部清洗工作。

圖3 重芳烴清洗工藝流程

3.2 清洗效果

重芳烴清洗高壓換熱器內(nèi)部溫度前后數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，經(jīng)過(guò)重芳烴清洗過(guò)后的高壓換熱器內(nèi)部溫度有明顯提升，即高壓換熱器的平均溫差大幅降低，熱能源動(dòng)力傳遞方面的阻力大大減小，表明經(jīng)過(guò)重芳烴清洗后的高壓換熱器工作效率大幅提升，安全隱患大幅縮小。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述分析可以看出，高壓加熱器在加氫裂化裝置中的重要性，其直接影響加熱爐的負(fù)荷承載以及裝置的反應(yīng)時(shí)間，是影響原油環(huán)保提煉的重要組件。高壓換熱器結(jié)垢會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部溫度及壓強(qiáng)不夠，無(wú)法使各種物料進(jìn)行完全反應(yīng)，極大影響了加氫裂化裝置的使用壽命及生產(chǎn)的安全性，輕則停產(chǎn)停工損害企業(yè)經(jīng)濟(jì)利益，重則發(fā)生爆炸火災(zāi)損害社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。因此，高壓換熱器的清洗工作必須按照固定周期性進(jìn)行，以保證高壓加熱器在安全范圍內(nèi)正常工作，提高加氫裂化裝置的經(jīng)濟(jì)效益。