熱能優(yōu)化新技術(shù)在糠醛裝置的研究和應(yīng)用

苗全峰

(中石化南陽能源化工有限公司 ， 河南 南陽 473132)

糠醛精制裝置加工原料油為常減壓裝置生產(chǎn)的減二線、減三線、減四線、減五線油及丙烷脫瀝青裝置的輕脫瀝青油。裝置原設(shè)計(jì)能力為10.08萬t/a，通過改造后，處理能力達(dá)到15萬t/a。

中石化南陽能源化工有限公司因產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，燃料生產(chǎn)裝置停運(yùn)，致使鍋爐產(chǎn)生的蒸汽有大量的富余；在煤爐下限負(fù)荷40 t/h的情況下，春夏秋三季仍有7～12 t/h的蒸汽需要放空。

糠醛精制裝置有加熱爐2座，加熱爐使用瓦斯、燃料油為燃料。長期以來，加熱爐的使用存在兩個(gè)問題：①糠醛抽出油加熱爐氧含量經(jīng)常超標(biāo)，浪費(fèi)能源；②加熱爐燃料使用的是抽出油，煙氣排放NOx濃度超標(biāo)(標(biāo)準(zhǔn)≤150 mg/m3)?？啡┚蒲b置溶劑單耗為1.2 kg/t，糠醛抽出油微量溶劑含量0.6%，高于國內(nèi)同類裝置。

1 工藝技術(shù)選擇研究

為了提高蒸汽的利用率，減少效益損失，公司專門組織技術(shù)人員成立攻關(guān)小組，對熱能優(yōu)化新技術(shù)在工藝裝置的應(yīng)用進(jìn)行了攻關(guān)。 蒸汽加熱器替代加熱爐的技術(shù)較為成熟，在減少燃?xì)庀?、保護(hù)環(huán)境方面有很高的應(yīng)用價(jià)值。通過技術(shù)改造，把裝置溶劑耗量控制到0.9 kg/t以下；同時(shí)把糠醛抽出油溶劑含量降低到0.3%左右，節(jié)約溶劑費(fèi)用。

1.1 優(yōu)化工藝流程

1.1.1蒸汽加熱器替代加熱爐技術(shù)改造方案

本項(xiàng)目實(shí)施時(shí)在動力車間設(shè)置3.5 MPa過熱蒸汽減溫減壓器，將蒸汽壓力減至約2.8 MPa，然后送至糠醛精制裝置使用。改造工藝流程圖見圖1。在糠醛精制裝置增加1臺精制油加熱器E2135替代精制油加熱爐F2101；增加1臺抽出油一次加熱器E2136替代抽出油加熱爐F2102。原裝置汽包產(chǎn)生的0.3 MPa飽和蒸汽需要經(jīng)加熱爐過熱做汽提蒸汽、伴熱蒸汽。本次改造后加熱爐停用，需增加1臺蒸汽過熱器E2139對原裝置0.3 MPa飽和蒸汽進(jìn)行過熱。各路蒸汽加熱后的凝結(jié)水經(jīng)過調(diào)節(jié)閥后進(jìn)入凝結(jié)水閃蒸罐V2123，罐頂閃蒸出1.0 MPa飽和蒸汽并入裝置內(nèi)的1.0 MPa蒸汽管網(wǎng)，凝結(jié)水閃蒸罐V2123罐底凝結(jié)水經(jīng)過精制液-凝結(jié)水換熱器E2138A/B換熱至約125 ℃，并入凝結(jié)水線出裝置。

1.1.2抽出油脫溶劑技術(shù)改造方案

糠醛精制裝置抽出液汽提塔T2105B塔盤分離效果較差，塔底抽出油中含糠醛較多，需對汽提塔T2105B的16層塔板進(jìn)行更換，固定件利舊。脫水塔T2107塔底凈化水中含糠醛較多，原設(shè)計(jì)降液管面積較小，實(shí)際操作水溶劑中含雜質(zhì)較多，且塔壁為碳鋼腐蝕后沉積在塔板上。需擴(kuò)大降液管面積同時(shí)更換塔盤板，對此塔的塔內(nèi)件(塔板及固定件)全部更新。為提高抽出油閃蒸塔T2105A閃蒸效果，提高抽出油汽提塔T2105B塔底溫度，降低塔底抽出油中糠醛含量，需增加1臺抽出油二次加熱器E2137，提高閃蒸塔T2105A閃蒸溫度。

圖1 改造工藝流程圖

1.2 設(shè)備選型

1.2.1換熱器選型參數(shù)的確定

換熱器設(shè)備明細(xì)見表1。

表1 換熱器設(shè)備明細(xì)

塔器設(shè)備核算：脫水塔的進(jìn)料量按最大2 t/h考慮，汽提蒸汽最大量為700 kg/h。抽出液汽提塔T2105B的汽提蒸汽量正常為150 kg/h(塔底物料流量的4.5%)，塔頂考慮用抽出油做回流，流量為500 kg/h。

1.2.2動力裝置設(shè)備選型

全廠3.5 MPa蒸汽尚有富余，在動力裝置新增1臺蒸汽減溫減壓器，考慮到系統(tǒng)管路壓降和溫降，減溫減壓器出口按2.8 MPa，234 ℃考慮。3.5 MPa蒸汽消耗約5 429 kg/h，除氧水約982 kg/h，產(chǎn)生約6 411 kg/h的2.8 MPa蒸汽。

1.2.3系統(tǒng)管道選型

自動力裝置至糠醛精制裝置需鋪設(shè)DN150 mm的輸送2.8 MPa蒸汽的管線，系統(tǒng)管線利舊原蒸汽管線約600 m，新增系統(tǒng)管線約500 m。管路每100 m壓降為7.8 kPa。自動力車間新增一條DN50 mm的管線去油泵房，管線長度約300 m。

1.2.4自動控制部分

糠醛精制裝置再新增抽出油一次加熱器、抽出油二次加熱器、精制油加熱器，蒸汽過熱器凝結(jié)水出口設(shè)置溫控閥，控制油品加熱溫度，均采用單參數(shù)控制。在新增凝結(jié)水閃蒸罐底設(shè)置液控閥，在凝結(jié)水閃蒸罐頂設(shè)置壓控閥。

2 優(yōu)化應(yīng)達(dá)到的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

2.1 糠醛精制油質(zhì)量

糠醛精制油指標(biāo)數(shù)據(jù)見表2。

表2 糠醛精制油比色指標(biāo)數(shù)據(jù)

2.2 抽出油脫溶劑改造

糠醛精制裝置溶劑回收裝置汽提塔等塔內(nèi)件改造，以降低溶劑消耗糠醛消耗期望值，可控制在≤0.9 kg溶劑/(t原料)。糠醛抽出油的溶劑含量在0.6%以下。

3 技術(shù)實(shí)施后的研究

3.1 糠醛精制裝置抽出油換熱器選材問題

3.1.1腐蝕現(xiàn)象

糠醛精制裝置2017年8月完成蒸汽加熱器替代加熱爐改造工作并投產(chǎn)。2017年10月初發(fā)現(xiàn)抽出油一次加熱器E2136管束泄漏。對E2136檢修后發(fā)現(xiàn)管束底部大量結(jié)焦，并發(fā)生蜂窩狀腐蝕。

3.1.2腐蝕的機(jī)理及風(fēng)險(xiǎn)

抽出油加熱器E2136換熱管規(guī)格Φ19 mm×6 000 mm，殼體內(nèi)徑Φ1 200 mm，管程內(nèi)蒸汽流速為0.45 m/s，殼程醛、油流速為4 m/s。由此可知，管殼程內(nèi)介質(zhì)流速較低，換熱管受到的介質(zhì)沖刷作用較小。本次腐蝕主要發(fā)生在管束下方，這是因?yàn)闅んw內(nèi)介質(zhì)成汽液兩相，但在管束下方主要為液相，糠醛和環(huán)烷酸主要集中在下方，所以下方管束腐蝕嚴(yán)重。具體情況如下：①設(shè)備運(yùn)行初期，系統(tǒng)中有少量糠醛酸在系統(tǒng)中循環(huán)，并在管束下方集聚；同時(shí)由于抽出油系統(tǒng)設(shè)備、管線材質(zhì)均已升級為不銹鋼，僅抽出油加熱器管束為碳鋼，暴露在循環(huán)溶劑的糠醛酸腐蝕中，造成碳鋼管束初步泄漏。②管束泄漏初期，管程內(nèi)的高壓汽水進(jìn)入殼體內(nèi)，糠醛與水作用大量氧化成糠醛酸。生成糠醛酸不斷累積，循環(huán)糠醛酸值的提高促使腐蝕加??；腐蝕進(jìn)一步加劇了蒸汽泄漏，促進(jìn)了糠酸的形成。③在換熱器殼體下部液相糠醛及糠醛酸滯留，焦粉沉積在管束外壁，原料中的環(huán)烷酸共同作用加劇了結(jié)焦及腐蝕，導(dǎo)致惡性循環(huán)。另外，在焦垢下的殘液發(fā)生電化學(xué)腐蝕，造成金屬表面的坑狀腐蝕。④抽出液中含醛量高，由下部進(jìn)入換熱器后很快在管束下方氣化，糠醛相變對管束產(chǎn)生機(jī)械沖蝕，同時(shí)在酸性物質(zhì)作用下，加劇了管束的腐蝕。

由上述可知，換熱器管束腐蝕是在糠酸腐蝕、結(jié)焦腐蝕及相變腐蝕等方面共同作用下形成的；其中管束材質(zhì)為碳鋼， 不耐糠酸腐蝕，造成初期蒸汽泄漏是管束腐蝕泄漏的主要原因。根據(jù)以上分析，管束材質(zhì)為碳鋼，提高材質(zhì)等級是提高設(shè)備運(yùn)行周期的重要手段。同時(shí)，可通過優(yōu)化管殼程介質(zhì)流向，防止腐蝕介質(zhì)集聚對設(shè)備的腐蝕，提高設(shè)備運(yùn)行周期。

3.2 換熱器改造方案

3.2.1工藝流程

維持原抽出油加熱器控制方案，改變管殼程介質(zhì)流向：抽出油走加熱器管程，自下而上；蒸汽走加熱器殼程，自上而下。

改造后換熱流程見圖2。

圖2 換熱器改造流程

3.2.2設(shè)備改造情況

原位更新抽出油一次加熱器E2136，管束材質(zhì)升級為321，殼體材質(zhì)Q345R。原E2136設(shè)備基礎(chǔ)利舊不動。換熱器規(guī)格：BES1200-4.0-490-6/19-4I。經(jīng)過核算，換熱器入口處蒸汽壓力2.5 MPa情況下，面積理論富余量為28%；在換熱器入口處蒸汽壓力2.6 MPa情況下，面積理論富余量為43.5%。

3.3 改造后的效果

本次抽出油加熱器材質(zhì)升級后，在操作上安全平穩(wěn)，參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求，沒有再出現(xiàn)設(shè)備泄漏、腐蝕的情況。

4 應(yīng)用效果及經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1 應(yīng)用效果

熱能優(yōu)化新技術(shù)在工藝裝置上使用后，用蒸汽加熱器代替加熱爐，富余的蒸汽能夠充分利用，節(jié)約了天然氣用量，同時(shí)加熱爐停運(yùn)減少了煙氣及CO、CO2、SO3等有害氣體的排放，符合環(huán)保的要求。

另一方面提高了工藝裝置的平穩(wěn)率，降低了操作難度；其次降低了糠醛溶劑消耗，效益顯著。

4.2 改造前后對比

改造前加熱爐煙氣排放情況見表3。

表3 改造前加熱爐煙氣排放情況

改造后用換熱器代替了加熱爐，不存在煙氣排放不達(dá)標(biāo)的問題。

4.3 投資及效益

停用糠醛精制裝置加熱爐，可節(jié)約燃料費(fèi)：天然氣用量310 Nm3/h，單價(jià)2.3元/Nm3，基于8 000 h計(jì)算，可節(jié)約570.4萬元。停用風(fēng)機(jī)節(jié)約費(fèi)用：風(fēng)機(jī)功率11 kW，基于8 000 h計(jì)算，電費(fèi)單價(jià)按0.874元/(kW·h)，可節(jié)約7.7萬元。節(jié)約溶劑：糠醛單價(jià)1.5萬元/t，糠醛裝置年處理量12萬t，抽出油收率18.59%，共節(jié)約167萬元?？啡┚萍訜釥t替代項(xiàng)目投資27.16萬元，按14年折舊則每年分?jǐn)?，共?jié)約19.7萬元。加熱爐停用每年少交環(huán)保排放稅 40萬元，共節(jié)約765.4萬元。

5 結(jié)論

通過改造，均達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。抽出油含溶劑量由0.8%下降到0.3%。加熱爐停運(yùn)減少了煙氣的排放。裝置實(shí)現(xiàn)了環(huán)保生產(chǎn)，具有良好的社會效益。