中石化专家：减压塔内件材料表面改性工业应用实践！

摘 要：华中地区某炼化公司8 000 kt/a常减压装置减压塔在投产后第2个运行周期的中后期全塔压降明显升高,严重影响装置平稳操作和总拔出率。经分析,主要是由于减压塔的洗涤段结焦造成气相通道减小、压降攀升,导致进料段的闪蒸量减小、减压塔拔出率降低。2017年大检修时,对洗涤段填料进行了床层高度改造和耐蚀抗焦表面处理。改造后1个周期内,减压塔的压降和装置拔出率平稳。2021年再次检修时发现,填料结焦情况得到明显改善。上述改造成果说明,应用表面改性技术并配合操作的调整,能有效减缓洗涤段填料表面的结焦趋势,避免因为减压塔压降升高造成的拔出率降低,经济效益显著。

关键词：减压塔 金属表面改性 结焦 压降 总拔出率

由于原油劣质化,炼化装置设备的腐蚀问题较为突出;而为了提高收益,很多炼厂采用减压深拔工艺,但随着减压塔高温段操作温度的升高,结焦问题不可避免【1-3】,给减压塔的安稳长满优运行带来隐患。上述问题已成为炼化装置长周期运行的重要瓶颈,亟待解决。

各炼厂与工程公司都在不断研究,积极尝试,寻求解决方案【4-9】。本文以华中地区某常减压装置的减压塔为例,介绍了通过对填料表面材料进行改性等一系列技术改造应对原油减压塔的腐蚀和高温结焦问题的方案。该方案实施后,装置在改造后的一个检修周期内运行安全平稳,取得了良好效果。

1 改造背景

1.1 装置概况

华中地区某炼化公司原油劣质化改造工程8 000 kt/a常减压装置减压塔于2010年10月建成投产,采用燃料-化工型加工流程。装置设计加工原油为管输原油,其中胜利原油占40%,进口原油(以阿曼类原油为代表)占60%,S含量(质量分数)为1.16%,酸值(以KOH计)为0.92 mg/g,API为28.5,含盐(NaCl)为163.1 mg/L。减压塔采用深拔设计,设计塔径为φ6 400 mm/φ9 800 mm/φ6 000 mm,全塔共设置5段规整填料和6层汽提段塔盘。其中减一线(含分馏段)和减二线填料材质为316L,减三线和洗涤段填料材质为317L。减压塔塔顶操作压力为1.33 kPa(绝),全塔设计压降不大于1.33 kPa。减三线和洗涤段的操作条件和各段油品的S含量如表1所示。

1.2 运行情况

在投产后的第二个生产周期,即2014年5月～2017年4月期间,尤其是2015年3月以后,减压塔压降开始有逐步上升趋势(如图1所示),运行中后期全塔压降高达5.47 kPa,其中,洗涤段压降占绝大部分,约为4.1 kPa,使得减压塔能耗升高,常减压装置拔出率显著降低。

图1 2017年检修前减压塔压降变化趋势

2017年检修时,开塔后发现洗涤段填料表面结焦严重,第4～9层填料基本在整个塔截面上都被结焦产物糊住。图2为洗涤段底部填料结焦情况。结焦使得整段填料清洗困难,无法继续使用,只能全部报废。检修中还发现全塔各段填料出现了不同程度的腐蚀,其中减一线和减三线填料腐蚀较严重,减一线分馏段和减二线填料表面存在浮锈。

图2 2017年检修洗涤段顶部结焦情况

2 原因分析

减压塔高温段油品分子量高、密度大,同时存在各种沥青质和胶质等重质组分;洗涤段操作温度高,填料结焦趋势明显。特别是在原油S含量高和减压深拔的工况下,减压塔洗涤段填料结焦问题凸显,塔压降升高、能耗增加、拔出率降低,影响装置的经济效益和平稳操作,同时,施工过程中由于填料与焦块紧密结合,导致拆卸十分困难,增加了检维修的难度。

目前国内同类装置洗涤段填料的高度多为2 000 mm以下,且在底部设置表面光滑且比表面积小的格栅填料,以减缓结焦或使其在结焦后能够维持合适的通气面积,减小塔的压降,避免因为压降增加而造成拔出率降低的情况。根据陈建民等的研究【10】,减压塔闪蒸段压力增加0.67 kPa,闪蒸段汽化率可降低0.6%。另有文献报道【11】,在相同减压炉出口温度条件下,压降<2.67 kPa时,压降每降低0.13 kPa,汽化率增加0.40%～0.70%;2.67 kPa<压降<4.00 kPa时,压降每降低0.13 kPa,汽化率增加0.40%～0.60%;压降>4.00 kPa时,压降每降低0.13 kPa,汽化率增加0.35%～0.45%。

分析认为,因2014年停工检修期间未对减压塔填料进行翻新清洗,使得填料表面上一个运行周期内产生的部分污垢为后续结焦物的沉积积累提供了前置基础。同时,减压塔洗涤段填料的喷淋密度不够。减压塔洗涤段填料高度为2 600 mm,床层中部因液体喷淋密度小,容易形成局部“干板”从而导致结焦。2016年一季度时,文中所述的减压塔仅洗涤段的压降已经达到3.73 kPa,造成的拔出率损失超过1%。

减压塔洗涤段的洗涤油流量原设计为84.3 t/h,过气化油量为19.6 t/h,设计洗涤段顶部和底部填料的液体喷淋密度分别为1.47 和0.34 m3/(m2·h)。为了节省能耗,实际操作中洗涤油的流量为50～60 t/h,填料顶部的液体喷淋密度为1.05～0.87 m3/(m2·h),底部填料的喷淋密度<0.3 m3/(m2·h)。根据经验,减压塔洗涤段底部喷淋密度<0.3 m3/(m2·h)时,填料结焦的风险明显升高。

3 改造内容

3.1 CTS表面改性技术

CTS(Corrosion-resistant Technology Surface)技术是为应对加工高硫高酸重质原油过程中出现的腐蚀及结焦问题研发的一种不锈钢表面处理技术。该技术主要通过对不锈钢内件表面的缺陷和机械加工形变诱导的马氏体进行消除,并在此基础上生成一层嵌入基材内部的富Cr、低Fe、低Ni的Cr2O3膜层,能大幅提升材料的耐蚀性能,降低催化结焦活性;同时通过改善材料表面的光滑度和油性物质在材料表面的润湿性能,最终形成一种耐蚀、抗焦性能兼具的优良新材料。CTS技术广泛应用于含Cl、S及硫化物和环烷酸等腐蚀介质的复杂环境,在炼化行业得到了众多的成功应用。

3.2 改造方案

针对减压塔填料腐蚀以及高温段出现严重结焦的问题,为了保障下个周期装置的稳定运行,对减压塔填料进行了更新改造,主要包括对部分填料进行整体更换、部分利旧填料进行化学清洗、部分新填料进行CTS处理,以及部分利旧填料循环再利用。

具体的改造内容如下:

1) 减一线填料腐蚀较为严重,整体更换。

2) 减一线分馏段、减二线、减三线填料进行清洗,继续使用。填料的清洗由该炼化公司设备所实施,采用化学清洗的方式,利用强酸和强碱类型清洗剂清除填料表面的浮锈和油脂。

3) 对洗涤段填料进行改造,填料高度由2 600 mm调整为1 800 mm。

4) 采用CTS技术对减三线和洗涤段填料进行表面改性。

3.3 操作调整

重新开车后,为了保证洗涤段中下部填料能够得到足够的润湿,对洗涤段洗涤油的流量进行了调整,实际流量为100～120 t/h,填料顶部液体喷淋密度达到1.74～2.09 m3/(m2·h),对比上个周期有了不小的提升。

4 改造效果

4.1 压降平稳

如图3所示,检修完成重新开车后,由于更换和清洗了填料,减压塔全塔压降恢复到正常水平,从检修前的5.47 kPa下降至1.73 kPa。表2为检修前后两个周期减压塔压降数据对比。表2的数据表明,改造后减压塔的压降稳定在1.65～1.78 kPa之间,未出现压降上升的趋势。

图3 改造前后减压塔压降对比

表2 检修前后两个周期内减压塔压降数据

4.2 维持平均总拔出率稳定

如表3所示,在随后的一个运行周期内,总拔出率一直维持在较高的水平,根据月度技术经济指标报表统计,常减压装置的总拔出率与上个周期对比平均增加了3.79%,总拔增产柴油、蜡油组分83.95万t。

表3 改造前后一个周期常减压拔出率的数据对比

效益=增加蜡油收率×加工负荷×

蜡油与减压渣油加工综合收益差

(1)

如果蜡油与减压渣油加工综合收益差价按500元/t计,年加工负荷按800万t计,则此次改造后产品结构变化的效益为:

3年效益=83.95万t×500元/=41 974.29万元

平均每年13 991.43万元。

4.3 减缓结焦

2021年检修过程中,洗涤段填料顶部第1～4盘填料未出现结焦的情况,填料表面干净,无结焦产物粘附,可见CTS填料表面典型的彩色膜层。洗涤段填料中部的第5～6盘中间直径4 000 mm左右区域出现少量结焦的情况,结焦位置主要在两片填料波峰接触的位置,焦块尺寸约5～20 mm,但并未堵塞填料的空隙。洗涤段底部第8～9盘CTS填料没有结焦的情况,表面附着一层 0.5 mm厚的油泥。

如图5～图8所示,与2017年时该塔洗涤段相比,本次317L+CTS 填料结焦情况有明显改善。结焦的范围大幅减少,上个周期2 600 mm高的填料有1 000 mm发生结焦,占比40%,此次仅有中部2盘填料的1/6少量结焦,占比仅3.7%,且结焦程度减轻。上个周期的结焦产物与填料形成了一个整体的焦块,需要用风镐等辅助设备进行强力拆除;此次填料表面的附着物与填料基体的结合并不紧密,能够通过简单的物理方法清除。

图5 洗涤段顶部(第1～4盘)填料表面情况

图6 洗涤段底部(第8～9盘)填料表面情况

图7 洗涤段中部(第5～6盘)填料表面情况

图8 洗涤段中部(第5～6盘)填料表面详情

4.4 其他效果

4.4.1 减小检修施工成本与难度

2017年检修时,因为减压塔洗涤段填料结焦严重,增加了填料拆除的施工难度和工作量,也相应增加了人员、时间以及工具的消耗。洗涤段填料拆除比原计划多用6 d,增加了拆除的成本。此次检修洗涤段填料,拆除仅用5 d,与2017年相比,节约5～6 d。减三线填料仅拆出顶部4盘CTS填料进行检查,未发现腐蚀问题,原样装回塔内,节省了检修的时间与费用。

4.4.2 减少固体废物产生

检修过程中,因为腐蚀、结焦和拆除等原因,会造成一定量的填料报废。2017年检修时,洗涤段填料(材料为317L)高2 600 mm,体积为196 m3。填料报废产生固体废物(简称固废)的量为196 m3,报废的比例为100%。2021年检修时,洗涤段填料高1 800 mm,体积为136 m3,其中约10 m3为317L填料,其余为317L+CTS填料。此次填料报废约75 m3,报废的比例为55.1%,同比减少44.9%,有效减少了检修时固废的产生。

5 结论

经过改造,减压塔压降在改造后的一个运行周期内保持在1.7 kPa左右,维持平稳运行。常减压装置的总拔出率对比上一个周期平均增加了3.79%,年均增加13 991.43万元的经济效益。通过一个周期的应用证明,对填料应用CTS技术并配套调整洗涤油的流量,可明显减缓洗涤段填料的结焦,且填料表面少量的结焦产物易于去除。该技术的应用可大幅减少检修期间填料拆除的施工量及人工消耗、减少固体废物的产生,在节省减压塔检修成本的同时,也提高了检修的环保管理水平,使装置能够真正做到安稳长满优运行。