影響S-Zorb裝置長周期運行原因分析及應對措施

王何偉,張燕妮,李玄張,李江波

(陜西延長石油(集團)有限責任公司延安石油化工廠,陜西 延安 727406)

陜西延長石油( 集團) 有限責任公司延安石油化工廠180萬t/a S-Zorb裝置自2013年12月27日建成運行。裝置采用S-Zorb催化汽油吸附脫硫技術,由進料與脫硫反應、吸附劑再生、吸附劑循環(huán)和產(chǎn)品穩(wěn)定四個部分組成(流程簡圖見圖1)。本裝置處理來自延安煉油廠催化裂化裝置的汽油,原料的設計硫含量70～150 mg/L,采用連續(xù)重整裝置的氫氣作為氫源(氫氣純度大于體積分數(shù)92.85%),生產(chǎn)硫含量低于10 mg/L的低硫清潔汽油產(chǎn)品。

圖1 裝置流程簡圖

該裝置采用中國石油化工研究院的S-Zorb專利技術。該技術基于吸附作用原理對汽油進行脫硫,通過吸附劑選擇性地吸附含硫化合物中的硫原子而達到脫硫目的,與加氫脫硫技術相比,該技術具有脫硫率高(可將硫脫至10 mg/L之下)、辛烷值損失較小、操作費用低的優(yōu)點。

裝置于2020年5月完成大修開工運行至今,對裝置運行過程中存在的問題進行了分析總結,并提出了相應的應對措施。

1 反應器過濾器ME101運行

ME101(反應器過濾器)作為 S-Zorb 裝置的關鍵核心設備,其作用是實現(xiàn)反應器內氣(汽油及氫氣)固(吸附劑)進行分離的目的,其運行好壞直接關系到 S-Zorb 裝置能否安全、平穩(wěn)、長周期運行。

1.1 運行現(xiàn)狀

從圖2可以看出,裝置自2020年5月份運行至 2022年 11 月,ME101 差壓在前期基本平穩(wěn)由前期18 kPa緩慢上漲至20 kPa。在20 kPa維持較長時間(2021年3月至11月),自2022年1月份開始存在明顯上漲。

圖2 ME101(反應器過濾器)差壓變化圖

壓差上漲的原因有:S-Zorb裝置要在現(xiàn)有催化裝置工況下實現(xiàn)利潤最大化,需要配合降低精制汽油產(chǎn)品烯烴含量,主要手段是將裝置氫油比由0.24提至0.31,循環(huán)氫量提高較多由前期9 500 Nm3/h提至13 000 Nm3/h,循環(huán)氫較之前提高37%;反應器內藏量最高有33 t,壓差上漲另外一個原因是裝置運行過程中產(chǎn)生較多的吸附劑細粉,過濾器濾芯孔道中的細粉結焦,導致濾芯堵塞,造成過濾器壓差增長速率增加。

1.2 運行后期壓差上漲較快原因分析

針對以上原因,為了避免ME101壓差上漲較快主要采取以下措施:

(1)縮短反吹周期、穩(wěn)定ME101反吹壓力。2020年開工后反吹周期一直控制在 8 000 s,未進行調整;ME101反吹壓力根據(jù)反應進料量和反應系統(tǒng)壓力進行調整,由于上游裝置催化汽油來量穩(wěn)定,反應系統(tǒng)壓力一直控制在2.5 MPa,反吹氫氣壓力控制為反應系統(tǒng)壓力的 2.2倍即5.5 MPa。系統(tǒng)壓力的波動會造成反應床層的擾動,在進料量不變的情況下,反應壓力發(fā)生變化后經(jīng)過ME101的氣體體積流量也隨即發(fā)生變化,即ME101(反應器過濾器)的過濾負荷發(fā)生變化,最終影響 ME101平穩(wěn)運行,尤其是在反應壓力急劇降低或者急劇升高的情況下,床層壓力會出現(xiàn)大幅波動直接沖擊 ME101。系統(tǒng)壓力波動主要發(fā)生在閉鎖料斗運行過程中氫氣環(huán)境下在運行步序中,同時新氫管線壓力波動也會影響反應系統(tǒng)壓力。 所以需合理設置閉鎖料斗LIMS系統(tǒng)內運行參數(shù)控制好系統(tǒng)壓力。

(2)合理設置反吹氫氣溫控閥PID參數(shù),將控制反吹氫氣溫度控制在250 ℃,同時也要避免裝置運行過程中循環(huán)氫量波動引起反吹氫氣溫度波動。新氫壓力的穩(wěn)定也會影響系統(tǒng)壓力。

反吹閥門的維護保養(yǎng)也是反吹系統(tǒng)正常運行的關鍵,需要定期聯(lián)系儀表維護人員現(xiàn)場檢查閥門是否能開關到位,反吹閥門回訊器運行正常。運行過程中出現(xiàn)的反吹閥門開關回訊不到位等問題時及時處理。

2 E101結焦偏流

2.1 E101結焦情況

E101(原料換熱器)是裝置關鍵換熱設備,其換熱效率的高低直接影響著裝置能耗的高低,運行過程中具體表現(xiàn)在原料換熱器管程壓降明顯升高,管程出口溫度呈明顯下降趨勢,殼程出口溫度呈明顯上升趨勢。換熱器結垢后,換熱效率變差,使得入爐溫度降低,為了保證反應溫度,必須加大了加熱爐負荷,爐管表面溫度處于超溫臨界點同時增加了裝置能耗。加熱爐燃料氣量最高上漲至1 200 Nm3/h,燃料氣消耗量最低為630 Nm3/h。冷高分入口溫度增加,降低了循環(huán)氫純度,對反應器反應和閉鎖料斗氫氣充壓和置換都有影響。

因E-101嚴重結焦影響裝置安全平穩(wěn)生產(chǎn),裝置于2022年5月份對E101 進行單列檢修,一列低負荷運行。檢修過程中發(fā)現(xiàn)E101管束及E101管程原料出口管線結焦嚴重,結焦情況如圖3～4所示。

圖3 E101C管束入口

圖4 E101管束出口盲環(huán)處

從圖3～4可看出,E101管束入口及出口黏附大量黑褐色固體雜質,部分固體雜質呈薄片狀。

2.2 換熱器結焦固體分析

對E101結焦物樣品進行分析,結果如表1～2。

表1 元素組成分析結果

表2 E101結垢物其他組成性質

E101管程結垢物主要以鐵含量37.09%,硫含量13.05%為主,主要以鐵的氧化物及鐵的硫酸鹽形式存在。

2.3 換熱器E101結焦原因分析

(1)原料油中存在的膠質、瀝青質尤其是烯烴及二烯烴含量高,同時重芳烴也能生產(chǎn)膠質,此類物存在時在E-101生成的結焦物中碳含量較高。

原料中攜帶可溶性鐵元素及部分不溶性鐵銹,汽油組分在原料換熱器中被高溫汽化,但汽油中的存在的鐵離子和膠質等無法被汽化掉,經(jīng)過E-101換熱加熱后與活進料中性較強的硫化物發(fā)生化學反應,在設備和管道表面生成硫化鐵,造成換熱效率下降。

(2)低負荷運行時,換熱器易偏流,導致結焦。兩組并聯(lián)換熱器存在偏流,兩組換熱器內部流動阻力的差異,流道內阻力大,流經(jīng)的流量小,進料中膠質等重組分更容易沉積。

2.4 應對措施及建議

(1)加強原料管理,正常運行時不允許從罐區(qū)送料,所有在罐區(qū)存放過的汽油須再經(jīng)催化裝置處理后才能進入本裝置;汽油中間罐設置氮封且嚴格控制停留時間;經(jīng)脫硫醇裝置的汽油不能直接送至S-Zorb裝置,同時控制好汽油終餾點。

對E101關鍵運行參數(shù)管程壓差、管殼程溫差及時進行關注,兩列溫差過高后及時通過調整兩列介質流量保證溫差在合適范圍內。

(2)一方面通過循環(huán)部分精制汽油產(chǎn)品提高裝置負荷;二是適當提高氫油比,達到減緩結焦的目的。

3 程控閥故障

裝置開工兩年來隨著閥門使用時間延長,程控閥存在內漏[2]、閥門開關卡澀、回訊器故障的問題。閥門出現(xiàn)故障后維修、更換期間,閉鎖料斗系統(tǒng)需停運,吸附劑無法循環(huán),長時間處理不好后產(chǎn)品硫含量會升高,裝置只能降量維持生產(chǎn)甚至全循環(huán)。由此可見程控閥運行的好壞直接關系著裝置長周期運行,圖5為閉鎖料斗流程簡圖。

3.1 程控閥出現(xiàn)故障的主要原因有:

3.1.1 程控閥使用異常

裝置上程控閥主要使用GOSCO閥門,圖6～7黃色執(zhí)行機構的閥門是GOSCO閥門的閥體與執(zhí)行機構是通過套筒來實現(xiàn)的,本身是兩個獨立的設備。每個獨立部件重量在150 kg左右,由于閥門安裝位置空間較小,閥門安裝過程比較復雜,又由于質量太大,那么在安裝過程可能會出現(xiàn)在連接閥門與執(zhí)行機構時,閥芯被硬力轉動,那么將閥門安裝好后就會出現(xiàn)開關不完全情況。

圖6 GOSCO執(zhí)行機構

圖7 GOSCO閥門閥體

3.1.2 電磁閥回訊器故障

閥門回訊器是安裝于程控閥上,用以將閥門狀態(tài)以開關信號形式輸出,可方便接至DCS及LMS系統(tǒng)中,實現(xiàn)閥門開關狀態(tài)的遠程反饋。閥門回訊器出現(xiàn)異常,開關時間超時或者無回訊后都會引起閉鎖料斗將聯(lián)鎖停運。出現(xiàn)此類問題此類問題主要是由于回訊器開關頻次較高,附件存在松動;有的回訊器到達使用壽命,需要及時更換。

3.1.3 閥門內漏

吸附劑在高溫高壓下對閥體的侵蝕磨損,導致閥門球體磨損,從而引起閥門內漏會導致閉鎖料斗系統(tǒng)停運。閥門內漏主要是閥門開關過程中閥門兩側壓差過大,短時間內通過閥門的吸附劑線速較高,長時間沖刷后引起密封面磨損。

3.2 閥門故障解決方案

結合裝置運行實際情況,針對出現(xiàn)的故障提出以下改進對策。

(1)對閉鎖料斗系統(tǒng)內所涉及的壓力、流量等參數(shù)設置合理的報警值,出現(xiàn)報警后及時查看排查原因及時處置。關注閉鎖料斗氫氣及氮氣過濾器壓差,定期切換過濾器,避免壓力表出現(xiàn)故障后壓差不準導致吸附劑堵塞過濾器。

(2)需要建立程控閥配件臺賬,到壽命的及時更換。閥門處于露天,電磁閥及回訊器內進水也會導致閥門故障需要對密封性進行檢查。

(3)通過控制吸附劑較低的載硫量,延長閉鎖料斗循環(huán)速率從而降低閥門開關次數(shù);設置好LMS系統(tǒng)參數(shù)維持閉鎖料斗系統(tǒng)平穩(wěn)操作,減小操作波動對閥門的影響。

(4)對部分閥門開關時間較長的閥門儀表風管線疏通或者提高壓力;去ME110/ME111的的泄壓閥門開閥時間較短后即開閥速度較快,瞬間通過過濾器的氣體流速較快,會導致壓差高聯(lián)鎖停;同時將部分程控閥供氣形式改為五位三通(即程控閥開關都給氣),這樣會保證閥門開關順暢。

4 再生系統(tǒng)問題

裝置吸附劑再生系統(tǒng)是吸附劑再生的場所,是維持裝置正常運行關鍵系統(tǒng)。再生器系統(tǒng)出現(xiàn)問題輕則需要在線搶修處理,嚴重時需要停工檢修,影響裝置產(chǎn)品質量及正常運行。裝置自2020年開工以來,再生系統(tǒng)主要存在問題有再生器內取熱盤管泄漏、再生器下劑滑閥內漏以及再生器下料過濾器堵塞等問題。

4.1 問題現(xiàn)狀及原因分析

(1)取熱盤管泄漏后引起再生器內溫度異常,再生器底部及中部溫度降不下來,頂部溫度降低。存在此問題主要原因是由于在運行過程中再生取熱盤管內部泄漏,低溫取熱氮氣泄漏至再生器,導致取熱氮氣量減少。頂部溫度降低,中部及底部由于取熱量較少溫度始終處于較高位置,吸附劑再生效果不好。

(2)再生下劑滑閥HIC2634內漏,原設計中下劑滑閥HIC2634的開關和再生器料位串級操作,滑閥未保持在全開狀態(tài)。閥門內漏后導致無法通過下劑滑閥控制吸附劑下劑速度,還有就是往系統(tǒng)內添加新鮮吸附劑時內漏的吸附劑及新劑同時存在,再生器和D110壓差較小提升氮氣量較小,無法將吸附劑提升至D110導致管線堵塞。

(3)再生器下料過濾器堵塞,堵塞過濾器主要是再生器錐體結塊[3]物脫,落塊狀物成分分析其主要成分為ZnSO4。在再生器內部過量的氧氣使氧化鋅和二氧化硫反應生成了硫酸鋅,同時由于再生產(chǎn)生水的存在使硫酸鋅聚集在一起從而形成結塊。過量的氧和水的存在是生成此類再生結塊的主要原因,且結塊主要在再生器錐體生成。反應生成的結塊進入過濾器堵塞過濾器,導致再生不下劑;同時部分的吸附劑結塊無法通過過濾器后會堵塞過濾器。

4.2 問題應對對策

(1)針對再生溫度異常的問題,將再生冷氮氣量由正常的200 Nm3/h提高至280 Nm3/h后再生器底部溫度可以控制在合適范圍內。

(2)再生器下劑滑閥出現(xiàn)內漏后,于2022年5月份更換新的閥門,同時改變原來操作即將HIC2634全開,再生下劑速度通過再生器和D110壓差PDIC2702控制。

(3)減少再生器內結塊的產(chǎn)生?？刂圃偕諝庵兴趾?提高松動熱氮氣溫度;閉鎖料斗運行過程中延長熱氮氣吹掃時間,降低吸附劑上攜帶烴含量;再生出現(xiàn)下劑不暢后及時清理過濾器。