淺析高校乙烯裂解實(shí)驗(yàn)裝置的維護(hù)*

龍 威 連 結(jié) 敖永昶 張玉山

(1. 廣東石油化工學(xué)院化學(xué)學(xué)院，廣東 茂名 525000；2. 廣東石油化工學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，廣東 茂名 525000)

0 引 言

乙烯裂解實(shí)驗(yàn)裝置既是化工生產(chǎn)的重要設(shè)備[1]，也是石油化工行業(yè)的核心裝備，同時(shí)還是石油化工專業(yè)本科生教學(xué)、實(shí)踐操作、專業(yè)技能培養(yǎng)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)裝置[2].該裝置通過水蒸氣帶動(dòng)輕質(zhì)油進(jìn)行熱裂解，實(shí)現(xiàn)了乙烯產(chǎn)品的制備及收集.

國內(nèi)對化工安全生產(chǎn)高度重視，涉及高溫高壓及易燃易爆性氣體相關(guān)的化工裝置必須嚴(yán)格監(jiān)管，這導(dǎo)致了國內(nèi)多家高校取消了乙烯裂解裝置.考慮操作安全上，不允許在讀本?？茖W(xué)生獨(dú)立操作.至目前，國內(nèi)高校保留乙烯裂解實(shí)驗(yàn)裝置的學(xué)校較少，不超過10所，其原因主要在于實(shí)驗(yàn)裝置帶來的安全隱患和保養(yǎng)維護(hù)難度大.中國石油大學(xué)、東北石油大學(xué)的乙烯裂解實(shí)驗(yàn)裝置是專人專項(xiàng)負(fù)責(zé)制度，由于該設(shè)備體積大、運(yùn)行參數(shù)眾多、啟動(dòng)運(yùn)行周期時(shí)間長，又帶有高溫及循環(huán)內(nèi)壓.因此，該裝置的運(yùn)行、維護(hù)和保養(yǎng)工作顯得十分重要.

近年來，我國科研人員非常重視乙烯裂解裝置及過程的研究，并取得一定的成果[3-5]，主要集中在裂解焦化、網(wǎng)絡(luò)控制與計(jì)算模擬[6]、優(yōu)化裂解進(jìn)程[7]及動(dòng)力學(xué)研究等[8].Han等[9]則通過長達(dá)7年的持續(xù)研究，對乙烯裂解爐的爐管進(jìn)行掃描電鏡與碳化物分析，結(jié)果顯示使用溫度會(huì)影響碳化物在爐管內(nèi)表面上進(jìn)行微觀的滲碳作用，而根據(jù)爐管的材質(zhì)可以構(gòu)筑爐管性能與內(nèi)表層碳化物之間的線性關(guān)系，有利于改善爐管內(nèi)表面結(jié)構(gòu)，達(dá)到抗腐蝕耐高溫的目的.同樣，國外的研究者對乙烯裂解的研究也主要集中在裂解反應(yīng)機(jī)理模擬及爐管內(nèi)的積炭及維護(hù)工作上[10-11].

基于畢業(yè)生的工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)反饋，石油煉制企業(yè)中的乙烯裂解實(shí)驗(yàn)裝置必不可少、十分重要，同時(shí)匹配實(shí)時(shí)監(jiān)控，日夜不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)[12].因此，從專業(yè)技能需求的角度來說，石化專業(yè)的本?？飘厴I(yè)生很有必要學(xué)會(huì)獨(dú)立操作乙烯裂解實(shí)驗(yàn)裝置，這也是我校延續(xù)使用和維護(hù)保養(yǎng)這套裝置的原因[13].廣東石油化工學(xué)院擁有1臺(tái)乙烯裂解實(shí)驗(yàn)裝置，既方便校內(nèi)教學(xué)，又使得本校石油化工專業(yè)本專科學(xué)生受益良多.因此，本文借助自身經(jīng)驗(yàn)就高校乙烯裂解實(shí)驗(yàn)裝置的維護(hù)進(jìn)行評析與建議.

1 乙烯裂解實(shí)驗(yàn)原理

乙烯裂解實(shí)驗(yàn)進(jìn)料原料為C3H8、石腦油(NAP，naphtha)、常壓瓦斯油(AGO，atmospheric gas oil)、輕減壓瓦斯油(LVGO，light vacuum gas oil)、加氫裂化減壓瓦斯油(HVGO，hydrocracking vacuum gas oil)等.通過高溫裂解裝置，生成多組分的低烴類產(chǎn)品.乙烯裂解實(shí)驗(yàn)主要工藝參數(shù)列于表1.該裝置雖然在常壓下進(jìn)行，但涉及的管路、閥門、溫控、冷卻線路較多，主要分為進(jìn)料系統(tǒng)、裂解爐模塊、產(chǎn)品冷卻系統(tǒng)3部分.石腦油、輕烴或加氫尾油等原料進(jìn)入裂解爐管，通入稀釋的水蒸汽讓油類中烴成分的分壓快速降低，流速加快，縮短了爐管內(nèi)的停留時(shí)間，減少了結(jié)焦炭化引發(fā)的堵塞.裂解爐的爐管溫度是可控的，一般選擇范圍是600～1 200℃，在高溫爐管內(nèi)，烴類成分可快速發(fā)生裂解反應(yīng)，生成乙烯、丙烯等多種產(chǎn)品[14].混合產(chǎn)品經(jīng)過導(dǎo)管進(jìn)入線性急冷換熱器進(jìn)行冷卻，產(chǎn)品分為氣相(裂解氣)和液相(油水混合物)兩類，液相產(chǎn)品經(jīng)過分液和反復(fù)萃取，可以獲得相應(yīng)的油品.該裝置可以較好地用于評價(jià)不同油類原料和不同的裂解條件下的工藝特征，也可用于延長操作周期的結(jié)焦抑制劑實(shí)驗(yàn).裝置的功能主要有：(1)探究裂解原料的特性；(2)研究裂解產(chǎn)物的分布規(guī)律；(3)探究加熱爐結(jié)垢焦的腐蝕機(jī)理；(4)優(yōu)化工業(yè)裂解爐的生產(chǎn)條件；(5)培育學(xué)生的工程實(shí)踐能力.石油化工專業(yè)的大學(xué)生，可通過該裝置產(chǎn)生的油品可作為油品性能評價(jià)與分析試驗(yàn)的原料，進(jìn)一步通過切割可以獲得不同碳原子數(shù)的氫烴油品，由于模擬潤滑油、輕質(zhì)汽油的生產(chǎn)，具有十分直觀的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義.

表1 乙烯裂解實(shí)驗(yàn)主要工藝參數(shù)

注：NAP. 石腦油；AGO. 常壓瓦斯油；LVGO. 輕減壓瓦斯油；HVGO. 加氫裂化減壓瓦斯油

乙烯裂解實(shí)驗(yàn)裝置的核心部位是裂解爐，如圖1 所示.在外壁保溫材料的背后含有6臺(tái)豎立的加熱爐，中間布滿了輻射段爐管[15].在管路經(jīng)過的兩邊都匹配上了測溫點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)控各段的實(shí)時(shí)溫度，水蒸氣帶動(dòng)著油從左到右分別經(jīng)過了每一個(gè)爐管和加熱裝置，裝置連接之間的橫跨溫度則容易受冷液化，這也是焦炭容易聚集的部位.爐管需要每半年就拆下來清洗處理1次，內(nèi)部受腐蝕的強(qiáng)度決定了受熱是否均勻，嚴(yán)重時(shí)候可能導(dǎo)致裂紋處破損漏氣.

圖1 乙烯裂解實(shí)驗(yàn)裝置的裂解爐注：STM. 連接接口，接進(jìn)樣管路

乙烯裂解的裝置在運(yùn)行過程中經(jīng)常遇到兩類情況：一是高溫導(dǎo)致的油品結(jié)焦堵塞；二是含S、Cl化合物生產(chǎn)的酸性物質(zhì)的腐蝕.研究表明裂解氣除了較多的乙烯等烴類氣體外，還含有一定比重的硫化氫氣體，這是因?yàn)橛推吠ㄟ^乙烯裂解爐發(fā)生了大量的自由基反應(yīng)導(dǎo)致，因此，介于自身的特點(diǎn)，乙烯裂解裝置的防腐維護(hù)技術(shù)顯得十分重要.

2 腐蝕的成因剖析

輕質(zhì)油成分中含有微量S、N和Cl，重質(zhì)油成分則還有相對較多的S、N、O、Cl和金屬成分等，這些非烴類物質(zhì)在高溫水蒸氣的帶動(dòng)下，容易發(fā)生反應(yīng)，形成H2S和HCl，對裝置爐管的內(nèi)壁及管道的拐彎處進(jìn)行腐蝕，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)裂紋甚至漏氣，并形成危險(xiǎn).因此，對乙烯裂解實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行定期的檢測與保養(yǎng)是非常必要的.

常見腐蝕成因有：(1)含S化合物長期存積與裝置的爐管中，沒有得到及時(shí)的清除，H2S和SO2均是在高溫下含S物中與水蒸氣進(jìn)行反應(yīng)的結(jié)果，繼而溶在水或蒸汽中使得管道內(nèi)呈現(xiàn)強(qiáng)酸性；(2)含Cl化合物在高溫裂解過程中往往和水蒸氣反應(yīng)，生成了HCl，溶于水后呈現(xiàn)強(qiáng)酸性，增加了內(nèi)壁和轉(zhuǎn)彎處的腐蝕強(qiáng)度；(3)含N化合物容易在水蒸汽提供氧原子的作用下被氧化，形成氧化性強(qiáng)的酸；(4)乙烯裂解爐管自身材質(zhì)質(zhì)量差，如Cr25Ni20(HK40)材質(zhì)在工作溫度1 050℃時(shí)仍能保持很好的強(qiáng)度，實(shí)效脆化很少，而Cr25Ni35NbM或Cr35Ni45材料在高溫下性能就比較差；(5)油品中金屬組分往往容易在爐管內(nèi)壁形成結(jié)焦，吸收焦炭而不斷增大，導(dǎo)致爐管受熱不均勻，氣流受阻較明顯.

最容易受腐蝕的部位是冷卻系統(tǒng)裝置，如圖2所示，通過裂解爐的乙烯等氣體均要進(jìn)入冷卻系統(tǒng)進(jìn)行冷凝，從而實(shí)現(xiàn)油水分離，雖然末端的溫度較低，且有冷凝水不斷循環(huán)，但臨近產(chǎn)物區(qū)，大量H2S、HCl等酸性氣體的釋放，導(dǎo)致腐蝕特別嚴(yán)重.

圖2 乙烯裂解實(shí)驗(yàn)裝置的冷卻系統(tǒng)

除上述部件以外，還有很多附件配套設(shè)施[16-17]，均是金屬材質(zhì)的，受腐蝕程度較大的另一個(gè)原因是乙烯裂解裝置的運(yùn)行時(shí)間長，一旦開啟運(yùn)行，必須24 h不間斷的反應(yīng)，一般會(huì)運(yùn)行1～2周后才會(huì)停止，長時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)要求對裝置的材質(zhì)、氣密性、防護(hù)措施提出了較高的要求.

3 乙烯裂解裝置防腐保養(yǎng)數(shù)據(jù)分析

通過對裝置的保養(yǎng)與優(yōu)化，裝置抗腐蝕性能不斷提高，異常維修次數(shù)及費(fèi)用就逐年減少[18].2010年以前，由于缺乏科學(xué)合理的保養(yǎng)和防護(hù)措施，乙烯裂解反應(yīng)裝置幾乎每年需維修2次，維修后仍需邀請廠方工程師進(jìn)行現(xiàn)場檢修，極大地阻礙了正常教學(xué)與科研發(fā)展.2010年以后，由于爐管的防護(hù)措施不斷加強(qiáng)，同時(shí)我校對操作的學(xué)生進(jìn)行了切實(shí)有效的安全操作教育，可以做到每隔 3年才專業(yè)維修1次，極大地降低了維修成本，使對應(yīng)的教學(xué)與科研工作能順利進(jìn)行.

近年來乙烯裝置的主要指標(biāo)變化情況列于表2.采取了科學(xué)合理的防護(hù)和保養(yǎng)措施后，乙烯裂解實(shí)驗(yàn)裝置能夠適應(yīng)于原料輕質(zhì)化合多樣化[18]，與2011年裂解輕質(zhì)化原料占比相比較，2018年增加了1.93%，能耗降低了41.81 kg/t，雙烯收率增加了0.67%，乙烯收率增加了0.46%，沒有出現(xiàn)明顯的裝置性能變差的跡象，這與茂名石化乙烯裝置的運(yùn)行效率體現(xiàn)基本一致[19].

表2 乙烯裝置近年來的主要指標(biāo)變化情況

*以標(biāo)準(zhǔn)油計(jì)算

4 保養(yǎng)與防護(hù)措施

乙烯裂解實(shí)驗(yàn)裝置作為專業(yè)技能培訓(xùn)的主要儀器設(shè)備，不同的角度可以實(shí)施不同的保養(yǎng)和防護(hù)技術(shù)，主要分為以下4個(gè)方面.

4.1 室內(nèi)空氣凈化技術(shù)

室內(nèi)空氣的對流與更換，對乙烯裂解實(shí)驗(yàn)裝置所在的房間安裝了18臺(tái)排氣扇，分別位于房間四周墻壁的不同高度，對冷卻系統(tǒng)出口處另配1臺(tái)大功率的專業(yè)通風(fēng)換氣設(shè)備，保證及時(shí)降低室內(nèi)H2S、SO2等有毒有害且有腐蝕性氣體濃度，也確保學(xué)生現(xiàn)場操作的安全[20].同時(shí)，在室內(nèi)安裝H2S氣體自動(dòng)檢測儀，實(shí)時(shí)反映H2S氣體濃度，發(fā)揮警示作用，提醒人員開啟通風(fēng)設(shè)備置換室內(nèi)空氣.

4.2 根源上除硫脫硫技術(shù)

從源頭上除硫和脫硫，大部分的油類產(chǎn)品提煉前需要經(jīng)過脫硫和除硫的處理，如圖3所示，在進(jìn)樣系統(tǒng)處安放脫硫除硫?qū)I(yè)設(shè)備，保證原料通過泵時(shí)就開始凈化和減少硫含量，也可以將原料手動(dòng)進(jìn)行堿液的洗滌處理，可使產(chǎn)品中含硫產(chǎn)物降低35%左右，從而減少裂解爐及后續(xù)儀器的硫化物排放量，減緩酸性介質(zhì)的排放和腐蝕程度.

圖3 乙烯裂解實(shí)驗(yàn)裝置的進(jìn)樣系統(tǒng)

4.3 冷卻系統(tǒng)部位的凈化技術(shù)

對冷卻系統(tǒng)部位再次進(jìn)行含硫凈化處理，即將產(chǎn)物通入一定濃度的氨水溶液中，保證氣體產(chǎn)物在釋放前經(jīng)過脫硫處理.在冷卻水作用下，含氮與大部分含氯化合物也能得到除去，這樣可以保證產(chǎn)物氣體的排放安全.凈化吸收作用發(fā)生后的水溶液可以再次進(jìn)行鹽類物質(zhì)的提純，不僅可以獲得大量的無機(jī)鹽，還可以將吸收水溶液得以再生.

4.4 爐管的洗滌與凈化技術(shù)

爐管的洗滌與凈化是非常重要的保養(yǎng)措施[21]，乙烯裂解實(shí)驗(yàn)裝置中的爐管較長且復(fù)雜，常用水蒸氣凈化法，在裝置啟動(dòng)和關(guān)閉前通過純水蒸氣運(yùn)行3 h，可以保證爐管內(nèi)部的雜質(zhì)和殘留物順利帶出，保證爐管內(nèi)的管道潔凈與通暢.

對于橫跨爐管內(nèi)部的結(jié)焦，應(yīng)做到每周進(jìn)行手動(dòng)清焦，確保積碳在管內(nèi)不聚集，減輕對因聚集殘留物對爐管內(nèi)部的腐蝕.對于爐管拐彎處和有裂紋處，需進(jìn)行除銹劑處理，并以電焊固牢，涂防銹油.除此之外，改變爐管的內(nèi)表面金屬構(gòu)成[22]，一方面可以加強(qiáng)抗腐蝕性能，另一方面還可以發(fā)揮防止油品裂解產(chǎn)品氧化的作用.

5 結(jié) 論

本文評析了高校乙烯裂解實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)，對其受腐蝕成因進(jìn)行了分析，闡述了其防護(hù)與保養(yǎng)的具體措施.通過實(shí)踐表明：乙烯裂解實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行良好、維修次數(shù)減少，對應(yīng)運(yùn)行后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定，符合高校本?？平虒W(xué)和科研的需要.在石油化工領(lǐng)域，乙烯裂解實(shí)驗(yàn)裝置可適應(yīng)的情況較多，可適應(yīng)于石腦油、輕質(zhì)汽油、輕柴油、輕質(zhì)拔頭油、原料液化氣等的深度加工煉制，乙烯和雙烯收率可達(dá)到33.11%和48.23%，具有典型的示范作用.通過維護(hù)和防腐保養(yǎng)后，乙烯裂解實(shí)驗(yàn)裝置的能耗可降低至596.29 kg/t，有效地節(jié)約了能耗，也降低了維修費(fèi)用，實(shí)際性運(yùn)轉(zhuǎn)性能得到大幅度提升.