渣油加氢装置高压换热器结垢问题分析

渣油加氢装置高压换热器结垢问题分析

高 娜

（中国石油化工股份有限公司炼油事业部，北京市）

摘要：从高压换热器运行概况、结垢造成的影响、影响结垢的因素、缓解结垢的措施等不同方面对中国石化若干套渣油加氢装置的原料-产物高压换热器进行了调研。调研结果表明：原料侧为管程、产物侧为壳程的高压换热器较多出现换热效率下降问题，且结垢是其主因；高压换热器结垢会严重影响装置的正常运行；高压换热器垢物的主要成分为硫化亚铁，但存在硫化亚铁是其结垢的必要非充分条件；注入阻垢剂或是采用物理、化学清洗等措施无法从根本上解决高压换热器结垢问题；将高压换热器设计为原料侧为壳程、产物侧为管程并增大换热器中的物流速度可以有效避免结垢问题。

关键词：渣油加氢 高压换热器 结垢 硫化亚铁

1、高压换热器运行概况

高压换热器换热效率下降和结垢的问题多存在于柴油加氢[1]、煤油加氢[2]、加氢裂化[3]和渣油加氢等加氢装置，其中在渣油加氢装置出现几率最大。截止2020年底，中国石化建成并投产的固定床渣油加氢装置有15套，总加工能力为34.8 Mt/a。这些装置积累的运转数据为研究高压换热器结垢原因及缓解措施提供了必要基础。

表1统计了中国石化A~I炼油厂渣油加氢装置原料-产物高压换热器的整体概况，管程和壳程介质分别为原料、产物。只有E和F炼油厂的高压换热器没有拆检，其他的高压换热器均拆检，A,B,C,H,I炼油厂的高压换热器均有结垢。

从表1可以看出:D~G炼油厂高压换热器基本不结垢，虽然其换热温差在整个运转周期有所波动，但这主要是工艺需求调节换热器旁路造成的。E炼油厂高压换热器在10年内都没有进行过拆检，说明其在长周期运转中基本不结垢。

在调研中发现，有若干个炼油厂高压换热器的换热效率在单个运转周期内下降幅度较大，严重时只有初期的30%左右，而换热效率基本都是均匀下降，说明换热效率的下降主要是由缓慢结垢造成的，而不是泄漏等其他突发原因。图1是C炼油厂Ⅰ套渣油加氢装置第一周期原料-产物高压换热器的换热温差随运转时间的变化情况。从图1可以看出:在运转前300 d，原料和产物换热温差都快速均匀下降，在运转300 d后，两个换热温差变化很小。这也是有结垢现象的高压换热器换热效率典型的变化趋势。

在调研中还发现，虽然若干个炼油厂高压换热器的换热效率都有明显降低的现象，但是其管、壳程压力降在运转中都未发生明显变化，说明高压换热器一般不存在压力降上升的问题。

2、高压换热器结垢造成的影响

（1）原料加热炉负荷增加，燃料消耗增加。在运行中后期，由于加热炉负荷过高容易造成炉管超温，制约了反应器入口的提温。严重时甚至会导致整个反应器床层平均温度无法提升，催化剂活性不能充分利用，装置只能通过降低负荷或降低掺渣量等方式进行操作。

（2）热高分气温度高，而高压空冷器冷却负荷不够，会导致冷高压分离器温度高，循环氢带烃量增加，增加循环氢脱硫塔发泡的概率，甚至会导致循环氢带液而不能正常运行。在夏季情况严重时为维持生产，装置不得不降负荷处理。

（3）高压空冷器入口温度高，在加工高硫渣油时，循环氢中硫化氢含量较高，对高压空冷器的腐蚀也大大增加，不利于装置的安全生产。

（4）循环氢温度过高，从而导致循环氢中烃类含量增加，氢纯度降低，为了维持工艺需要的氢纯度，需要加大排放废氢量，造成了氢气的浪费。另外，循环氢中烃类含量增加还会增大循环机负荷和装置能耗。

3、影响高压换热器结垢的因素分析

3.1 高压换热器垢样分析

图2为H炼油厂高压换热器结垢情况，从图2可以看到，高压换热器的管程侧（原料侧）换热管内壁和管板结垢明显，厚度1~2 mm，垢层较为松软，而换热管外壁（产物侧）较干净，只有部分区域存在小于1 mm的颗粒状垢层。I炼油厂的高压换热器结垢情况与H炼油厂类似。调研中发现除原料-产物高压换热器外，其他高压换热器的结垢都不严重。

调研中对H和I炼油厂高压换热器中垢物进行了采样分析，分析结果如表2所示。从表2可以看到，对于不同炼油厂和不同位置的垢样，铁都是其含有的主要金属元素，且其含量较高，其他金属元素的含量都较低。此外，垢样中硫含量很高，不溶于甲苯的硬炭较少。从铁与硫物质的量之比的数据推测，铁主要以硫化物的形式沉淀下来，这也说明垢样中基本上是无机垢, 这与前人的研究结果类似[4]。原料侧的无机垢可能来源于系统上游因腐蚀而形成的硫化亚铁等铁盐，也可能是因为高压换热器的温度较高，原料油热裂化生成的硫化氢与含铁化合物反应生成了硫化亚铁[5]。产物侧的无机垢可能来源于系统上游因腐蚀而形成的硫化亚铁等铁盐，也可能来源于反应器内加氢反应生成但没有沉积在催化剂床层上的硫化亚铁。

3.2 过滤器和原料性质对结垢的影响

有研究者认为重油高压换热器的垢层主要分为无机化合物和有机化合物垢层，其中无机化合物的来源可能包括原料携带却未过滤干净或是过程腐蚀产生的颗粒物或无机盐，以及反应生成却未沉积在催化剂上的硫化亚铁等；有机物的来源可能包括沥青质析出物和缩合反应生成的焦炭等[6]。

由以上分析可知，渣油原料性质及过滤器的过滤效果对原料-产物高压换热器的结垢有一定的影响。然而从调研的情况看，中国石化各炼油厂渣油加氢装置原料过滤器的精度、滤芯的材质基本都相当，反冲洗的操作模式也大同小异。因此推测过滤器的过滤效果基本相当，固体颗粒物应该不是高压换热器结垢的主要来源。

高压换热器垢样的主要成分为硫化亚铁，因此，认为高压换热器的结垢应该与原料的铁含量相关。从表1中统计的原料性质可以看到，在高压换热器明显结垢的炼油厂中，原料中铁质量分数在4.5~14.5 μg/g，而未明显结垢的炼油厂中，铁质量分数在4.9~13.0 μg/g。可见，高压换热器的结垢现象与原料中的铁含量未出现明显的统计相关性。此外，高压换热器的结垢现象与原料的残炭或沥青质含量也未出现明显的统计相关性。

综上可知，原料中的铁含量高并不一定会直接导致高压换热器的结垢严重，说明反应或腐蚀等产生的硫化亚铁是高压换热器结垢的必要非充分条件，硫化亚铁在适宜的条件下才会在高压换热器中沉积下来并逐渐结垢。

3.3 高压换热器设计对结垢的影响

影响换热器结垢的原因有很多，调研中同时统计了装置混氢方式、装置一反入口氢油体积比、以及高压换热器材质、设计压力、设计温度、换热面积、单位进料量的换热面积和管/壳程介质等对原料-产物高压换热器结垢的影响。

调研中了解到，渣油加氢装置的混氢方式都是炉前混氢，所有进入一反的氢气都在进入加热炉之前进入了高压换热器。从表1还可以看到，除了有上流式反应器的渣油加氢装置外，各渣油加氢装置的一反入口氢油体积比大多在600~700，且未显示出与结垢现象有显著的统计相关性。调研数据还显示，高压换热器的材质、设计压力、设计温度、换热面积或单位进料量的换热面积等参数均未显示出与结垢现象有显著的统计相关性。

在高压换热器中，流速对结垢的影响包括污垢沉积和污垢剥蚀两方面，且对于所有污垢，随着流速的增大，剥蚀率的增大较污垢沉积速率更为显著，所以污垢增长率随着流速的增大而减小[7]。然而在高压换热器的设计中，考虑到流速增大到一定程度后可能会造成高压换热器震动，不利于其安全运转，所以对流速通常会有一定的限制。调研中统计了渣油加氢装置的负荷情况，各套装置都是满负荷或是超负荷状态（通常不超过设计值的120%），说明高压换热器中的流速至少是不低于其设计值的。

调研中发现，原料侧为管程而产物侧为壳程的高压换热器都出现了明显的结垢现象，原料侧走壳程而产物侧走管程的高压换热器都未出现明显的结垢现象。对于原料=产物高压换热器而言，原料油和加氢生成油都是油品和氢气等气体的混合物，即管、壳程内均为双相流。但换热器的管程和壳程结构有明显区别，通常壳程中物流有扰流，相对于管程更不利于结垢。因此，原料油和加氢生成油在高压换热器内的管、壳程选择对结垢有较为显著的影响。

4、延缓高压换热器结垢的措施

4.1 现有延缓高压换热器结垢的措施

炼油厂现有缓解高压换热器结垢的措施主要包括注入阻垢剂和在停工期间对高压换热器进行清洗。阻垢剂通过分散水中的难溶性无机盐，阻止或干扰难溶性无机盐在金属表面的沉淀、结垢, 维持金属设备良好的传热效果，并在金属设备表面形成一层薄的钝化防腐层。调研中发现，9套渣油加氢装置均使用了阻垢剂，注入部位为原料泵入口，注入质量分数为20~60 μg/g。总体而言，阻垢剂的作用比较有限，只是稍微缓解了结垢的速度，还是有相当多炼油厂的高压换热器出现了较为严重的结垢现象。

部分炼油厂选择在停工期间对高压换热器进行物理清洗或化学清洗，清洗的主要方式为高压液体清洗或浸泡清洗，使用的液体主要包括清水和碱水。在高压换热器结垢不是特别严重的情况下，通常可以用上述方法将垢层清洗干净。这种对高压换热器进行物理清洗或化学清洗的办法只能治标不能治本，通常重新开工后，高压换热器很快又会结垢。

4.2 延缓高压换热器结垢的实践

硫化亚铁是垢物的主要成分，且硫化亚铁在渣油加氢反应器上下游系统的生成难以避免。但存在硫化亚铁是高压换热器结垢的必要非充分条件，可以通过高压换热器的设计优化来避免或延缓硫化亚铁在高压换热器的沉积。

C炼油厂Ⅰ套渣油加氢装置的原料-产物高压换热器原料走管程，加氢生成油走壳程，该高压换热器在前3个运转周期出现了换热效率越来越低的问题。2016年12月装置停工检修时对该换热器进行了改造，换热面积由741 m2增大到1 235 m2。C炼油厂新建的Ⅱ套渣油加氢装置的原料-产物高压换热器优化了设计，其原料油走壳程，加氢生成油走管程，且增大了换热器中的物流速度。

C炼油厂两套渣油加氢装置加工原料和工艺条件基本相当。图3和图4分别显示了Ⅰ套和Ⅱ套渣油加氢装置原料-产物高压换热器的换热温差变化情况。Ⅰ套渣油加氢装置高压换热器的换热面积较大，运转初期其副线开度较大，后面根据换热温差逐渐关小副线开度，至运转180 d左右副线完全关闭，之后换热温差呈现较快的下降趋势，运转至400 d清洗后换热温差也仍然较低。可见增大换热面积并不能很好解决高压换热器结垢的问题。在实际运转中还发现由于高压换热器换热面积过大，开工初期即使副线全开，换热温差还是过大，会导致热高分温度过低而频繁发泡。从图4可以看到，在整个运转周期，与Ⅰ套渣油加氢装置相比，Ⅱ套渣油加氢装置高压换热器的换热温差都较为稳定，特别是在运转300 d后，其副线开度固定不变，其换热温差也基本不变。

5、结论

从渣油加氢高压换热器运行状况、结垢造成的影响以及影响结垢的因素和缓解结垢的措施等不同角度对中国石化9套固定床渣油加氢装置进行了抽样调研，获得了以下认识。

（1）渣油加氢装置高压换热器换热效率下降时基本都是均匀下降的，结垢是换热效率下降的主因，且结垢主要出现在温度最高的原料-产物高压换热器。

（2）原料侧为管程、产物侧为壳程的高压换热器容易出现换热效率下降问题，原料侧为壳程、产物侧为管程的高压换热器未见明显出现该问题。出现结垢问题时，原料侧的结垢程度远比产物侧的严重。

（3）硫化亚铁是垢物的主要成分，且硫化亚铁在渣油加氢反应器上下游系统的生成难以避免，但存在硫化亚铁是高压换热器结垢的必要非充分条件。

（4）加入阻垢剂只能稍微缓解结垢的速度，无法根本解决高压换热器结垢的问题。对高压换热器进行物理或者化学清洗，只能治标不能治本，通常重新开工后，高压换热器仍容易结垢。

（5）实践证明增大换热面积无法从根本上解决高压换热器结垢的问题，但将高压换热器设计为原料侧为壳程、产物侧为管程并增大换热器中的物流速度可以有效避免结垢问题。

参考文献：

[1] 吴德鹏.加氢精制装置换热器结垢的原因分析[J].辽宁化工,2008,37(11):773-775.

[2] 姚立松,戴天林.煤油加氢反应产物换热器结垢分析[J].炼油技术与工程,2014,44(9):44-46.

[3] 韩龙年,辛靖,陈禹霏.蜡油加氢裂化装置高压换热器结垢物分析及建议[J].石油炼制与化工,2020,51(7):93-98.

[4] 王建信,胡福磊,蔡文军,等.重油加氢反应系统结垢的原因分析[J].齐鲁石油化工,1997,27(1):38-41.

[5] 吕振波,田松柏,翟玉春,等.原油中环烷酸腐蚀预测方法综述[J].石油化工腐蚀与防护,2004,21(3):1-12.

[6] 金爱军,卫建军.延缓高压换热器结垢的措施与分析[J].炼油技术与工程,2010,40(4):37-41.

[7] 林海波,罗玉梅,李建明,等.换热器的结垢和清洗[J].四川理工学院学报(自然科学版),2006,19(1):11-12.