脫丁烷塔重沸器淤堵原因分析及對(duì)策

凌宇，程鵬，袁瑞合，丁勇超，侯濤，周文鵬

（中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057）

南海西部某陸岸終端天然氣處理系統(tǒng)分為中壓、脫水、冷分離和精餾四個(gè)單元，目的是分離出原油處理系統(tǒng)的伴生氣和上岸天然氣中的乙烷氣，回收液化氣、輕油組分，并將合格干氣外輸給下游用戶。

精餾單元利用脫乙烷塔、脫丁烷塔兩座精餾塔將各產(chǎn)品組分餾出得到乙烷氣、液化氣和輕油。重沸器在石油化工行業(yè)應(yīng)用非常廣泛，終端兩座精餾塔均采用重沸器加熱。脫丁烷塔重沸器進(jìn)料組分復(fù)雜、操作溫度較高，在運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)結(jié)焦、結(jié)垢等現(xiàn)象，均可能造成淤堵；在國(guó)內(nèi)一些相同或相似的工藝裝置中都出現(xiàn)過(guò)不同程度、不同性質(zhì)的堵塞[1-3]。重沸器發(fā)生堵塞后，換熱效率降低，精餾塔處理負(fù)荷下降，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)量。終端生產(chǎn)過(guò)程中脫丁烷塔重沸器換熱效率不斷降低，拆檢發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱油路殼程沒(méi)有明顯堵塞，但產(chǎn)品物料路管程大面積淤堵，淤堵面積約70%，淤堵物致密且粘附力強(qiáng)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采樣化驗(yàn)淤堵物，從脫丁烷塔重沸器的工作原理、淤堵物來(lái)源以及裝置運(yùn)行工況分析，得出淤堵原因并采取相應(yīng)措施，保障終端精餾裝置長(zhǎng)周期穩(wěn)定高效運(yùn)行，避免不確定性停產(chǎn)檢修。

1 脫丁烷塔工藝流程概括

脫丁烷塔有兩股進(jìn)料，上段進(jìn)料來(lái)自脫乙烷塔塔底液，下段進(jìn)料來(lái)自原油穩(wěn)定系統(tǒng)和各天然氣壓縮機(jī)出口滌氣罐經(jīng)過(guò)重?zé)N閃蒸罐閃蒸后的液相輕烴，塔頂分離出的C3、C4餾分脫硫后經(jīng)脫丁烷塔塔頂換熱器降溫后進(jìn)入脫丁烷塔回流罐冷凝，未冷凝氣優(yōu)先送至中壓?jiǎn)卧M(jìn)行循環(huán)處理回收，其次放空至火炬，凝液由脫丁烷塔回流泵加壓后，一部分作為脫丁烷塔的回流液進(jìn)入塔頂，另外一部分作為液化氣產(chǎn)品進(jìn)入液化氣球罐。塔底餾分油經(jīng)脫丁烷塔塔底換熱器降溫后，作為輕油產(chǎn)品進(jìn)入輕油儲(chǔ)罐。脫丁烷塔塔底液由脫丁烷塔重沸器加熱，導(dǎo)熱油提供熱源，脫丁烷塔返塔溫度由溫度控制器和溫度控制閥自動(dòng)控制在正常操作溫度。脫丁烷塔重沸器為立式熱虹吸式換熱器，重沸器管束內(nèi)物料被加熱后密度和狀態(tài)發(fā)生變化，較輕組分汽化轉(zhuǎn)化為氣相逐級(jí)上升，較重組分伴隨氣相以霧沫夾帶形式返回塔內(nèi)。汽化率愈大，則出入口密度差愈大；塔底的液相物料在密度差的作用下不斷被虹吸進(jìn)入重沸器。主要工藝流程如圖1所示。

圖1 脫丁烷塔工藝流程

2 脫丁烷塔重沸器淤堵現(xiàn)象

終端生產(chǎn)過(guò)程中，在脫丁烷塔來(lái)液工況相對(duì)穩(wěn)定的情況下，脫丁烷塔塔底返塔溫度低于正常指標(biāo)，即使導(dǎo)熱油系統(tǒng)高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，溫度控制閥全開(kāi)，脫丁烷塔塔底返塔溫度仍達(dá)不到設(shè)計(jì)操作溫度，重沸器導(dǎo)熱油出入口溫降遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值。雖然塔頂液化氣產(chǎn)品質(zhì)量合格，但塔底輕油產(chǎn)品中液化氣組分（C3、C4）含量偏高，導(dǎo)致輕油進(jìn)罐飽和蒸氣壓超標(biāo)，并在輕油儲(chǔ)罐揮發(fā)逸出，造成揮發(fā)性有機(jī)物排放增加，周?chē)a(chǎn)生異味，生產(chǎn)面臨的環(huán)保問(wèn)題隨之即來(lái)。同時(shí)，由于重沸器換熱效率不斷降低，造成導(dǎo)熱油系統(tǒng)燃?xì)庀牧吭黾?。具體操作參數(shù)如表1所示。

表1 脫丁烷塔操作參數(shù)

3 淤堵機(jī)理分析

3.1 淤堵物分析

現(xiàn)場(chǎng)取樣觀察，淤堵物為含油污物，呈黑色半固體，如圖2所示。樣品在顯微鏡下觀察，未發(fā)現(xiàn)礦物特征，如圖3所示。

圖2 淤堵物樣品

圖3 淤堵物樣品顯微鏡觀察

取部分樣品進(jìn)行全巖X衍射分析，發(fā)現(xiàn)無(wú)晶體形態(tài)特征。該樣品可被點(diǎn)燃并散發(fā)出刺鼻氣味，但不能自燃。取適量樣品分別加入到石油醚Ⅱ、正庚烷、苯、氯仿中，結(jié)果如表2所示。樣品微溶于正庚烷，溶于苯，根據(jù)化學(xué)性質(zhì)相似相容原理，推測(cè)淤堵物是以瀝青質(zhì)為主的可溶有機(jī)物。

表2 淤堵物溶解情況

3.2 淤堵物來(lái)源分析

精餾單元脫丁烷塔的來(lái)料主要是原油穩(wěn)定塔穩(wěn)定分離冷凝后的液相輕烴和脫乙烷塔塔底液。脫乙烷塔的來(lái)料是天然氣經(jīng)過(guò)壓縮、脫水、過(guò)濾和深冷后產(chǎn)生的凝液，不可能含有瀝青質(zhì)等重組分，故淤堵物應(yīng)當(dāng)來(lái)源于原油穩(wěn)定塔穩(wěn)定分離冷凝后的液相輕烴。

隨著海上油田群滾動(dòng)開(kāi)發(fā)，產(chǎn)量逐年遞增，海上平臺(tái)不定期地進(jìn)行新井投產(chǎn)、老井修井以及酸化壓裂等一系列增產(chǎn)作業(yè)，作業(yè)后對(duì)井筒中的蠟質(zhì)及近井地帶沉積的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等重組分進(jìn)行溶解且含有固相顆粒的返排液通過(guò)原油管線輸至終端，導(dǎo)致終端上岸原油乳化物含量突增。膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、蠟質(zhì)及固體顆粒為原油中的天然乳化物，其中瀝青質(zhì)和膠質(zhì)具有很強(qiáng)的協(xié)同乳化作用，膠質(zhì)對(duì)瀝青質(zhì)的分散能力可以阻礙瀝青質(zhì)的聚并和締和，兩者的分散度直接影響著油水界面膜強(qiáng)度或剛性，進(jìn)而影響油水乳狀液的穩(wěn)定性，同時(shí)固相顆粒和蠟質(zhì)在其中也發(fā)揮著重要作用[4]。

終端通過(guò)對(duì)上岸原油取樣進(jìn)行離心實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示，離心管底部明水與上部原油之間存在明顯的乳化層，該乳化層成分復(fù)雜，流動(dòng)性差，最高測(cè)得上岸原油乳化物含量達(dá)9.6%。終端上岸原油乳化物含量增加，油水乳狀液穩(wěn)定性增加，導(dǎo)致三相分離器、電脫水器脫水效果差，高含水率原油被加熱后進(jìn)入原油穩(wěn)定塔進(jìn)行深度穩(wěn)定時(shí)容易發(fā)生液泛。原油生產(chǎn)處理過(guò)程中，老化油最終儲(chǔ)存在原油儲(chǔ)罐、事故罐中，分布于油水界面附近，其成分復(fù)雜，含水率高，含有高于普通原油的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、蠟質(zhì)等重組分和固體雜質(zhì)，油水乳狀液具有很高的穩(wěn)定性且流動(dòng)性差，需要經(jīng)過(guò)特殊處理才能被回收利用[5]。為保證原油外輸質(zhì)量合格避免銷(xiāo)售糾紛，終端每次原油外輸作業(yè)前必須進(jìn)行原油儲(chǔ)罐、事故罐切水作業(yè)，作業(yè)時(shí)罐中存在的老化油混入上岸原油進(jìn)行循環(huán)處理，導(dǎo)致三相分離器、電脫水器脫水效果急劇下降，從而導(dǎo)致惡性循環(huán)，增加了原油穩(wěn)定塔液泛頻次。

圖4 上岸原油離心實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)原油穩(wěn)定塔發(fā)生液泛時(shí)，瀝青質(zhì)等重組分隨輕烴以霧沫夾帶形式蒸出，經(jīng)降溫后在原油穩(wěn)定塔回流罐冷凝下來(lái)，最后進(jìn)入脫丁烷塔。

3.3 淤堵原因分析

脫丁烷塔重沸器淤堵?tīng)顩r如圖5所示。導(dǎo)熱油路殼程沒(méi)有明顯堵塞，但產(chǎn)品物料路管程大面積淤堵，淤堵主要集中在出口。生產(chǎn)過(guò)程中，進(jìn)入脫丁烷塔的瀝青質(zhì)等重組分富集在塔底，在熱虹吸作用下循環(huán)至重沸器，由于沸點(diǎn)高未能汽化，且不能完全被氣相以霧沫夾帶形式攜帶返回塔內(nèi)，最終在重沸器管束內(nèi)經(jīng)過(guò)沉淀、聚集、表面接觸和粘附[6]。重沸器操作溫度較高，管壁上的瀝青質(zhì)等重組分久而久之開(kāi)始結(jié)焦。結(jié)焦層形成后，進(jìn)一步增加管壁的附著能力，從而不斷粘附瀝青質(zhì)等重組分，最終導(dǎo)致管束淤堵。重沸器導(dǎo)熱油是上部進(jìn)下部出，管束上部局部溫度更高，造成管束上部結(jié)焦淤堵更嚴(yán)重。重沸器部分管束淤堵后，換熱效率降低，為維持脫丁烷塔正常操作溫度，只能提高導(dǎo)熱油溫度或者循環(huán)量，勢(shì)必又會(huì)造成未被淤堵的管束溫度過(guò)高而加劇結(jié)焦造成淤堵，形成“滾雪球”效應(yīng)。

圖5 脫丁烷塔重沸器淤堵?tīng)顩r

4 處理措施

4.1 定期對(duì)裝置進(jìn)行清洗

脫丁烷塔重沸器淤堵是一個(gè)長(zhǎng)期累積的過(guò)程。生產(chǎn)過(guò)程中，持續(xù)關(guān)注重沸器的換熱效率，將重沸器清洗納入終端確定性停產(chǎn)檢修項(xiàng)目，同時(shí)抓住上下游意外停產(chǎn)檢修窗口期，在重沸器完全淤堵前將沉積在脫丁烷塔塔盤(pán)、塔底及重沸器管束內(nèi)壁上的瀝青質(zhì)等重組分進(jìn)行清洗，從而避免不確定性停產(chǎn)檢修，降低重沸器淤堵對(duì)精餾裝置帶來(lái)的危害。

4.2 合理控制工藝參數(shù)，減少原油穩(wěn)定塔液泛頻次

原油穩(wěn)定塔液泛是導(dǎo)致瀝青質(zhì)等重組分隨輕烴以霧沫夾帶形式蒸出最后進(jìn)入脫丁烷塔的直接原因。減少原油穩(wěn)定塔液泛的頻次，可有效降低瀝青質(zhì)等重組分進(jìn)入脫丁烷塔。原油穩(wěn)定塔進(jìn)料含水率高、進(jìn)料組分輕、進(jìn)料量多、塔底溫度高、塔壓差高、塔頂回流量控制不穩(wěn)、降液管堵塞都容易導(dǎo)致液泛[7,8]。

根據(jù)終端日常生產(chǎn)情況，上岸原油乳化物含量突增，油水乳狀液穩(wěn)定性增加，三相分離器、電脫水器脫水效果差是導(dǎo)致原油穩(wěn)定塔發(fā)生液泛的主要原因。當(dāng)海上平臺(tái)來(lái)液工況不穩(wěn)定，適時(shí)控制原油儲(chǔ)罐、事故罐切水作業(yè)，調(diào)整破乳劑注入量，注好注夠破乳劑、精細(xì)有效注破乳劑，從而達(dá)到高效破乳的目的。優(yōu)化三相分離器、電脫水器運(yùn)行參數(shù)，提高脫水效果；控制好原油穩(wěn)定塔進(jìn)料量、進(jìn)料溫度、塔壓差、塔頂回流量等工藝參數(shù)，防止誤操作。

4.3 改造增加原油穩(wěn)定塔回流泵出口至三相分離器循環(huán)處理流程

瀝青質(zhì)等重組分進(jìn)入脫丁烷塔是造成重沸器淤堵的根本原因。當(dāng)原油穩(wěn)定塔液泛時(shí)，瀝青質(zhì)等重組分隨輕烴以霧沫夾帶形式蒸出，經(jīng)過(guò)風(fēng)冷器、水冷器降溫后在原油穩(wěn)定塔回流罐冷凝，通過(guò)原油穩(wěn)定塔回流泵泵至重?zé)N閃蒸罐進(jìn)行閃蒸，最后通過(guò)重?zé)N泵泵至脫丁烷塔。因此，防止瀝青質(zhì)等重組分進(jìn)入脫丁烷塔是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，增加原油穩(wěn)定塔回流泵出口至三相分離器循環(huán)處理流程，如圖6所示，虛線為新增管線。

圖6 改造后流程

當(dāng)原油穩(wěn)定塔發(fā)生液泛時(shí)，通過(guò)在原油穩(wěn)定塔回流泵進(jìn)口加密取樣觀察液相輕烴顏色，如圖7所示，顏色泛黃，輕微液泛；顏色泛黑，重度液泛，說(shuō)明液相輕烴中存在重組分。將液相輕烴倒入三相分離器進(jìn)行循環(huán)處理，當(dāng)顏色純凈過(guò)后，將液相輕烴倒回重?zé)N閃蒸罐，從而確保進(jìn)入脫丁烷塔的液相輕烴合格。

圖7 原油穩(wěn)定塔回流泵出口輕烴顏色觀察

5 結(jié)論

受海上平臺(tái)作業(yè)返排液以及老化油循環(huán)處理影響，終端上岸原油脫水效果差。高含水率原油被加熱后進(jìn)入原油穩(wěn)定塔進(jìn)行深度穩(wěn)定時(shí)容易發(fā)生液泛，瀝青質(zhì)等重組分隨輕烴以霧沫夾帶形式蒸出進(jìn)入脫丁烷塔，最終在重沸器管束內(nèi)壁不斷沉積導(dǎo)致淤堵。

針對(duì)脫丁烷塔重沸器淤堵，通過(guò)定期對(duì)裝置進(jìn)行清洗，清除淤堵物，避免不確定性停產(chǎn)檢修；合理控制工藝參數(shù)，減少原油穩(wěn)定塔液泛頻次，從而減少瀝青質(zhì)等重組分進(jìn)入脫丁烷塔；通過(guò)增加原油穩(wěn)定塔回流泵出口至三相分離器循環(huán)處理流程，確保進(jìn)入脫丁烷塔的液相輕烴合格，進(jìn)一步防止瀝青質(zhì)等重組分進(jìn)入脫丁烷塔從而造成重沸器淤堵。

通過(guò)實(shí)行以上措施，終端脫丁烷塔重沸器淤堵得到了有效解決，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，保障了精餾裝置長(zhǎng)周期平穩(wěn)高效運(yùn)行，節(jié)能環(huán)保。