非加氫酸性水汽提塔塔頂空冷器腐蝕改造對(duì)策

嚴(yán)科輝 朱元彪 姚 炳 黃衛(wèi)存

(鎮(zhèn)海石化工程股份有限公司，浙江 寧波 315042)

某煉廠200 t/h非加氫酸性水汽提裝置處理的酸性水主要來(lái)源于常減壓、延遲焦化、4 500 kt/a重油催化裂化、芳烴抽提、歧化、對(duì)二甲苯、輕烴回收、C3～C4分離等裝置，酸性水中主要含有硫化氫和氨等成分。采用單塔低壓汽提工藝，原料水經(jīng)脫氣、脫油、換熱后進(jìn)入汽提塔上部，汽提塔塔頂酸性氣經(jīng)空氣冷卻器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)空冷器)冷卻后，進(jìn)入塔頂回流罐，酸性氣送至硫磺回收裝置，凝液返塔回流。2019年9月正式投用，2021年2月發(fā)現(xiàn)酸性水汽提塔塔頂空冷器腐蝕嚴(yán)重，管束泄露嚴(yán)重，影響裝置安全運(yùn)行。

1 汽提塔工藝流程

某煉廠非加氫酸性水汽提塔塔頂?shù)乃嵝詺?115～119 ℃、0.13 MPa)經(jīng)空冷器冷卻至90 ℃后進(jìn)入回流罐，氣液二相通過(guò)回流罐分離，液相經(jīng)回流泵加壓返回至汽提塔上部，含氨酸性氣送至硫磺裝置處理。工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 汽提塔酸性氣空冷器冷卻流程

2 腐蝕現(xiàn)狀及原因分析

2.1 腐蝕現(xiàn)狀

某煉廠非加氫酸性水汽提裝置酸性氣空冷器管束材質(zhì)為316L，共4片空冷，于開(kāi)車(chē)一年后發(fā)現(xiàn)酸性氣空冷器管束出現(xiàn)泄露情況，其中空冷器A有10根管束泄漏，空冷器B有20根管束泄漏，空冷器C有23根管束泄漏。

2.2 腐蝕部位定位

裝置對(duì)空冷器腐蝕部位進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 空冷器泄露情況

從表1中可以看出：53根泄漏管束主要集中在第5排，且除6根是在管頭脹焊部位腐蝕外，其他均在管束的中間段減薄穿孔。由于管束的翅片是采用外套鋁管軋制而成，管束減薄穿孔后介質(zhì)從鋁翅片管兩端漏出，通過(guò)內(nèi)窺鏡對(duì)6排管束進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)半環(huán)形波紋狀腐蝕減薄主要集中在下三排管束的出口端，其中第五排最為嚴(yán)重，第五排上半部半環(huán)波紋狀腐蝕跡象明顯，下半部液相浸泡部位腐蝕減薄少。

2.3 腐蝕部位溫度

為了研究溫度對(duì)腐蝕的影響，裝置對(duì)空冷器外壁溫度進(jìn)行了測(cè)量，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)管束外壁溫度越低的部位，腐蝕越嚴(yán)重，兩者間存在較高的對(duì)應(yīng)性。

2.4 腐蝕原因分析

從泄漏管束的情況來(lái)看，腐蝕部位是均勻減薄，沒(méi)有局部腐蝕坑，是沖刷腐蝕的宏觀表現(xiàn)。硫化氫銨(NH4HS)的結(jié)晶溫度一般在水的露點(diǎn)溫度以下，汽提塔塔頂空冷器在目前操作條件下，水先于NH4HS冷凝，且第五、第六管程水量相對(duì)較大，NH4HS也開(kāi)始大量溶解于水中。隨著空冷器溫度的降低，特別是一些局部冷態(tài)區(qū)(如兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的中間位置)，NH4HS結(jié)晶析出，造成液態(tài)水相攜帶NH4HS鹽固體顆粒，進(jìn)一步造成沖刷腐蝕。在距離管板出口端受塔頂氣入口位置熱輻射溫度相對(duì)較高的影響，第五、第六管程結(jié)晶析出的NH4HS溫度升高再次溶解在水中，腐蝕降低。

3 改造方案

3.1 低溫?zé)崂梅桨?/h3>

3.1.1 工藝流程

汽提塔塔頂?shù)乃嵝詺?119 ℃、0.13 MPa)通過(guò)蒸汽發(fā)生器冷卻至90 ℃，汽液二相通過(guò)回流罐分離，液相經(jīng)過(guò)回流泵加壓返回至汽提塔上部，含氨酸性氣送至硫磺裝置處理。蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生0.047 MPa(絕對(duì)壓力)、80 ℃蒸汽，然后用熱泵機(jī)組(SER)3級(jí)升壓至0.17 MPa、130 ℃蒸汽，再用熱泵機(jī)組(SER)1級(jí)升壓至0.4 MPa、160 ℃蒸汽，此蒸汽可作為汽提重沸器能源。具體流程見(jiàn)圖2。

圖2 低溫?zé)崂梅桨噶鞒?/p>

3.1.2 改造可行性分析

(1)該煉廠非加氫酸性水汽提裝置(200 t/h)核算結(jié)果如下：產(chǎn)蒸汽量14 t/h，一次增壓(3級(jí))用電量2 059 kWh，設(shè)備占地約9 m×4 m，僅低溫?zé)嵩O(shè)備投資約1 100萬(wàn)元；二次增壓(1級(jí))用電量777 kWh，設(shè)備占地約3 m×4 m，需增加設(shè)備投資506萬(wàn)元。

(2)該方案產(chǎn)蒸汽量14 t/h，計(jì)算成標(biāo)準(zhǔn)能耗為-38.682 GJ/h；耗電2 836 kWh，計(jì)算成標(biāo)準(zhǔn)能耗30.884 GJ/h，合計(jì)節(jié)約能耗-7.402 GJ/h。

(3)該方案產(chǎn)蒸汽流量14 t/h，年經(jīng)濟(jì)效益約為1 764萬(wàn)元；新增設(shè)備耗電2 836 kWh，每年增加電費(fèi)約1 668萬(wàn)元。兩項(xiàng)合計(jì)經(jīng)濟(jì)效益每年約為96萬(wàn)元，但一次性增加投資1 606萬(wàn)元(僅低溫?zé)嵩O(shè)備)。

(4)根據(jù)投資和產(chǎn)生效益數(shù)據(jù)對(duì)比，本方案雖然解決了空冷器腐蝕問(wèn)題，但投資總額過(guò)高，經(jīng)濟(jì)效益低，不建議實(shí)施。

3.2 汽提塔塔頂內(nèi)循環(huán)冷卻方案

3.2.1 工藝流程

汽提塔上部的集液箱引出一股酸性水(95 ℃)，通過(guò)泵加壓，再經(jīng)過(guò)空冷器冷卻至70 ℃左右，返回至汽提塔頂部，汽提塔頂部直接引出含氨酸性氣(90 ℃)，經(jīng)過(guò)緩沖罐后送至硫磺裝置處理，具體流程見(jiàn)圖3。

圖3 汽提塔塔頂內(nèi)循環(huán)冷卻流程

3.2.2 與原工藝比較

(1)兩種工藝流程的回流液及循環(huán)液的組成基本相同，如果腐蝕是由于相變引起，汽提塔塔頂內(nèi)循環(huán)冷卻流程可以有效解決腐蝕問(wèn)題。

(2)回流液和循環(huán)液的流量相差很大。某煉廠非加氫酸性氣塔塔頂回流液流量為20 t/h，如改為汽提塔塔頂內(nèi)循環(huán)冷卻流程，循環(huán)液流量為400 t/h，需要增加兩臺(tái)大功率的泵，用電消耗將大幅增加。

(3)酸性氣和循環(huán)液的溫差大。某煉廠非加氫酸性氣塔塔頂酸性氣溫度由119 ℃降至90 ℃，改為汽提塔塔頂內(nèi)循環(huán)冷卻流程，導(dǎo)致循環(huán)液溫度由95 ℃降至70 ℃，空冷器效率下降，空冷器傳熱面積嚴(yán)重不足(差約30%)。

3.2.3 改造實(shí)施可行性分析

(1)汽提塔的上部填料層、分布器、集液槽等內(nèi)件需要更換。

(2)汽提塔的直徑和高度保持不變，但是汽提塔的上下部需增加開(kāi)口，塔采用復(fù)合板，改造不需要熱處理，但循環(huán)液的腐蝕性強(qiáng)且溫度下降，會(huì)對(duì)汽提塔上部?jī)?nèi)壁引起腐蝕(內(nèi)壁材質(zhì)為13Cr)。

(3)改造實(shí)施時(shí)，電氣、儀表、配管、設(shè)備平面布置等方面都有一定難度。

3.3 酸性氣與酸性水換熱方案

3.3.1 改造方案

非加氫型汽提塔取消空冷器，增加原料水塔塔頂換熱器，塔頂氣通過(guò)與原料水換熱到90 ℃后進(jìn)入回流罐，解決空冷局部過(guò)冷段腐蝕嚴(yán)重問(wèn)題，改造流程如圖4。由于原料水換熱后溫度大幅度上升，導(dǎo)致原來(lái)塔底的凈化水冷卻不足，故原取消的酸性水空冷器其中兩片原位利舊給凈化水空冷器，以便于保證凈化水的溫度。

圖4 酸性氣與酸性水換熱方案流程

3.3.2 換熱器

新增塔頂氣原料水換熱器,型號(hào)為BJU1400-2.5-840-6/19-4I，兩臺(tái)并聯(lián)，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 換熱器參數(shù)

3.3.3 換熱器管束管壁溫度分析

根據(jù)換熱器計(jì)算軟件分析結(jié)果，管束外壁溫度最低為58.21 ℃，酸性氣在此溫度下可以有效地防止NH4HS結(jié)晶，從而減少管束腐蝕的發(fā)生。

3.3.4 改造可行性分析

(1)此流程利用了塔頂酸性氣的低溫?zé)醽?lái)加熱進(jìn)塔的酸性水，達(dá)到回收部分熱量的目的，從而降低裝置的能耗。酸性氣與酸性水采用U形管換熱器，介質(zhì)通過(guò)并流的方式，可以防止管束出現(xiàn)過(guò)冷的情況；酸性氣走殼程，介質(zhì)從上往下流，冷卻過(guò)程可以避免管束出現(xiàn)干濕界面，防止引起管束局部腐蝕；如果設(shè)備出現(xiàn)管束腐蝕情況，其危險(xiǎn)性較??；酸性水進(jìn)出換熱器設(shè)跨線和溫控流程，操作靈活性大。

(2)此改造方案增加設(shè)備、管線、儀表等投資約250萬(wàn)元，總投資約400萬(wàn)元，投資相對(duì)較少，每年節(jié)約用電產(chǎn)生效益約為40萬(wàn)元，每年節(jié)約重沸器蒸汽效益約15萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)非加氫汽提塔塔頂空氣冷卻器在目前操作條件下因NH4HS大量溶解于水中，隨著空冷器溫度的降低，特別是一些局部冷態(tài)區(qū)由于隨著NH4HS結(jié)晶析出，并隨著高速氣相的帶動(dòng)造成管束沖刷腐蝕的問(wèn)題，建議采用酸性氣與酸性水換熱改造方案，不僅解決了酸性氣空冷器管束的腐蝕問(wèn)題，還利用了酸性氣的低溫?zé)?，增加了酸性水的入塔溫度，從而降低裝置能耗。