加氫改質(zhì)裝置反應(yīng)產(chǎn)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(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)張乾(鄂爾多斯職業(yè)學院,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

加氫改質(zhì)裝置是中國神華鄂爾多斯煤制油分公司的一套重要生產(chǎn)裝置，該裝置以加氫穩(wěn)定處理后的煤直接液化油為原料生產(chǎn)清潔的柴油和石腦油。加氫改質(zhì)裝置的反應(yīng)生成油經(jīng)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(lián)組成的干式空冷器，經(jīng)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(zhì)裝置反應(yīng)產(chǎn)物空冷器上部管束產(chǎn)生明顯彎曲變形。管束變形不僅對管束的強度和穩(wěn)定性有影響，而且會使管內(nèi)介質(zhì)和管外空氣流動狀態(tài)發(fā)生變化[1]，降低冷卻效果影響裝置生產(chǎn)能力同時嚴重影響裝置的長期安全穩(wěn)定運行。因此本文對加氫改質(zhì)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(jié)構(gòu)

近年來世界各國的加氫技術(shù)都在迅速發(fā)展，高壓空冷器廣泛應(yīng)用于石化及煉油行業(yè)尤其在缺水的北方地區(qū)。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(fā)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(zhì)裝置反應(yīng)產(chǎn)物空冷器型號為：GP10.5*3-6-226-16.0S-23.4/DRⅢ，由8臺同規(guī)格的空冷器串聯(lián)組成，管束外形尺寸10.5 m×3.6m，6排管，設(shè)計壓力16.0 M Pa，設(shè)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(zhì)裝置以經(jīng)過加氫穩(wěn)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(jié)焦對空冷管束彎曲變形影響較小。加氫改質(zhì)裝置高壓空冷器具體操作參數(shù)列于表一。

表一加氫改質(zhì)裝置高壓空冷操作參數(shù)

2 空冷器管束變形分析

2.1 銨鹽結(jié)晶

加氫改質(zhì)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(zhì)除去，生成相應(yīng)的H20、H2S和NH3，達到生產(chǎn)清潔燃料目的。在加氫改質(zhì)反應(yīng)過程中生成的H2S和NH3在適宜條件下會發(fā)生反應(yīng)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(jié)晶溫度是180-200℃，NH4HS起始結(jié)晶溫度是150℃[1]。因為結(jié)晶溫度不同，使得銨鹽在系統(tǒng)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(tài)水的情況下，NH4HS直接由氣相變成固態(tài)晶體，它能迅速堵塞高壓空冷器的管束，從而導致管內(nèi)介質(zhì)偏流，使得管內(nèi)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(zhì)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(jié)晶溫度區(qū)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(yīng)產(chǎn)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(fā)現(xiàn)空冷器管束明顯向上彎曲變形。發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)。2013年5月裝置檢修期間對該空冷進行了拆檢，發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)其中氨氮含量高達15746mg/L，分析結(jié)果表明管束中的沉積物確實為銨鹽結(jié)晶物。

2.2 空冷器管束溫差約束應(yīng)力影響

加氫改質(zhì)裝置反應(yīng)產(chǎn)物空冷器管箱出口端固定，入口端可自由伸縮?？绽涔苁苤亓?、管內(nèi)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?？绽涔苁旅嬗?根橫梁支撐，所以管內(nèi)介質(zhì)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(yīng)力基本可以消除。加氫改質(zhì)裝置反應(yīng)產(chǎn)物空冷器為三管程，設(shè)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(chǎn)生彎曲變形，而下層管束受拉不易產(chǎn)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(zhì)

硫氫化銨在空冷器管束內(nèi)結(jié)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(nèi)介質(zhì)流速、空冷器前注水量、操作溫度等因素。在加氫裝置反應(yīng)產(chǎn)物冷卻系統(tǒng)中為了防止銨鹽結(jié)晶堵塞換熱設(shè)備進而影響換熱效果，通常在反應(yīng)器出口到高壓空冷器之間設(shè)置2到3個注水點。注水點的溫度應(yīng)當高于此處條件下銨鹽的結(jié)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(tài)，否則會使環(huán)境變成酸性而發(fā)生腐蝕?？傋⑺颗c裝置處理量有直接關(guān)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(jié)晶摩爾數(shù)也會隨之降低，發(fā)生結(jié)晶沉積的可能性相對減小[3]。加氫改質(zhì)裝置設(shè)計注水量為7.5t/h，但是實際運行中注水量只有5t/h，比設(shè)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(fā)現(xiàn)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(xiàn)象說明提高注水量可以有效防止銨鹽結(jié)晶。注水量是影響結(jié)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(jié)晶而且會形成酸性腐蝕環(huán)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(jié)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?？梢园凑赵嫌椭忻?00PPm的氮含量加注原料油體積的1%的凝結(jié)水[1]。

加氫改質(zhì)裝置設(shè)計注水為品質(zhì)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(tǒng)中，從而增加了高壓空冷器銨鹽結(jié)晶趨勢。目前加氫改質(zhì)裝置仍然采用注入回用水的方式預防銨鹽結(jié)晶，但是加大了對回用水水質(zhì)的監(jiān)控力度，當發(fā)現(xiàn)回用水水質(zhì)惡化時及時將注水切換為除鹽水。

3.2 優(yōu)化空冷器操作溫度

溫度對硫氫化銨結(jié)晶沉積過程的影響主要體現(xiàn)在空冷器進口溫度和鼓風機冷卻效果對管束內(nèi)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(tǒng)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(jié)晶溫度不變，所以操作溫度的升高會使結(jié)晶位置向空冷器出口方向移動，從而使硫氫化銨結(jié)晶沉積的趨勢降低。但是空冷器系統(tǒng)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(jù)空冷器入口溫度適當設(shè)置鼓風機效率。

3.3 降低管束溫差約束應(yīng)力

加氫改質(zhì)裝置反應(yīng)產(chǎn)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(nèi)自由浮動。這種方式雖然不能完全消除管束的軸向壓應(yīng)力，但是可以減小管束變形，所以應(yīng)按規(guī)范施工，保證浮動端無約束。

在生產(chǎn)過程中，當生產(chǎn)負荷低或環(huán)境溫度較低時，不能通過關(guān)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(guī)律的控制方式會使并聯(lián)的管束中產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力，導致管束彎曲變形。

4 結(jié)語

加氫改質(zhì)裝置空冷器管束變形的原因主要有：

4.1 硫氫化銨結(jié)晶沉積導致管內(nèi)介質(zhì)偏流，使得管內(nèi)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(yīng)力，致使管束失穩(wěn)，產(chǎn)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(fā)生沖蝕和滿足工藝要求的前提下調(diào)整鼓風機冷卻效率、提高注水量和水質(zhì)可以有效的預防硫氫化銨結(jié)晶沉積。

4.2 減小溫差應(yīng)力，嚴格按規(guī)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(yīng)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(yīng)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(shè)備-2000年6期.

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