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

杨买娥

中国石油化工股份有限公司九江分公司 江西省 九江市 332000

摘要：渣油加氢裂化装置中高压换热器的操作条件相当苛刻，处于高温高压的临氢环境中且设备进料物流中还含有硫化氢和氨等一些腐蚀性介质，所以有可能发生结垢腐蚀和损伤现象。高压换热器的状态将直接影响装置的长周期运行情况。本文主要根据实际状况对渣油加氢装置高压换热器结垢问题进行了简单的探讨，以供相关人员参考。

关键词：渣油加氢；高压换热器；结垢

1、渣油加氢装置高压换热器技术比较

1.1、螺纹锁紧环式

加氢装置上常用的螺纹锁紧环式换热器从结构形式上可分为高-高压形式和高-低压形式。螺纹锁紧环式换热器的主体密封主要为两大部分，一是管程侧的密封，二是壳程侧的密封。如装置运行过程中出现管程泄漏或管程与壳程间泄漏，不必停工，紧固相应内圈或外圈压紧螺栓，即可达到密封目的。

1.2、缠绕管式

缠绕管式换热器主要由壳体、芯体及其接管等组成。其中芯体比较复杂，由中心筒、换热管、垫条、管卡等组成。换热管紧密地绕在中心筒上，用平垫条及异形垫条分隔，保证管线之间的横向和纵向间距，垫条与管子之间用管卡固定连接，换热管与管板采用贴胀+强度焊的连接形式，管板与壳体/管箱之间焊接。

2、渣油加氢装置高压换热器结垢问题分析

2.1、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。

表１原料-产物高压换热器运行概况

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。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。

2.2、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。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。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。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。

2.3、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，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20~60μg/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。

结束语

总之，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。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。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。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。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：

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