摘要：JL石化公司Ⅰ渣油加氫裝置在運行過程中，反應(yīng)流出物/反應(yīng)進料高壓換熱器換熱效率逐漸降低，主要原因是隨著運行時間延長換熱器內(nèi)部產(chǎn)生結(jié)垢現(xiàn)象，對裝置的長周期平穩(wěn)運行造成了一定影響。為了提高換熱效率，Ⅰ渣油加氫裝置技改新增了一臺高壓換熱器，提高了反應(yīng)進料的換熱溫度，利用了反應(yīng)流出物的熱量，優(yōu)化了裝置的運行工況。在原料性質(zhì)、換熱器設(shè)計、運行工況等方面探究高壓換熱器結(jié)垢原因并提出減緩結(jié)垢的應(yīng)對措施。

關(guān)鍵詞：渣油加氫；高壓換熱器；換熱效率；長周期運行；結(jié)垢為了應(yīng)對近年來石油重質(zhì)化、劣質(zhì)化的趨勢，提升煉廠經(jīng)濟效益，JL石化公司于2012年投產(chǎn)運行Ⅰ渣油加氫裝置。加氫反應(yīng)流出物/反應(yīng)進料高壓換熱器是該裝置反應(yīng)部分關(guān)鍵的熱量回收設(shè)備，有加熱反應(yīng)進料、降低熱高分入口溫度的重要任務(wù)，對于反應(yīng)部分平穩(wěn)運行具有重要影響。但在裝置開工運行過程中，該換熱器的換熱效率會逐漸降低，冷熱端換熱溫差隨之減小，反應(yīng)加熱爐入口溫度下降，在運行末期制約了反應(yīng)器入口的提溫要求，造成產(chǎn)品質(zhì)量不合格，催化劑的活性不能夠完全利用，降低了經(jīng)濟效益。通過分析高壓換熱器（以下簡稱：高換）換熱效率下降原因，提出改善建議，有利于裝置的長周期平穩(wěn)運行。

1高換E102運行概況

1.1高換E102工藝流程簡介

Ⅰ渣油加氫裝置目前已運行至第八周期。該裝置設(shè)計加工負荷180萬t/年，原料由減壓渣油、直餾輕、重蠟油、少量催化二中柴油組成。經(jīng)原料緩沖罐混合、過濾，然后與循環(huán)氫混合后進入反應(yīng)加熱爐加熱升溫，再進入反應(yīng)器床層，在一定壓力、氫油比、空速和床層溫度等條件下，經(jīng)過催化劑的作用進行加氫反應(yīng)，脫除原料油中硫、氮、金屬等雜質(zhì)，降低殘?zhí)俊r青，為催化裂化裝置提供優(yōu)質(zhì)原料，同時生產(chǎn)部分柴油，少量不穩(wěn)定石腦油和酸性氣。Ⅰ渣油加氫裝置采用了單系列固定床加氫工藝，反應(yīng)部分由反應(yīng)加熱爐、高換E102、E103、R101R104四個反應(yīng)器以及高低分壓系統(tǒng)等組成。反應(yīng)進料采用爐前混氫方式，高換E102是利用反應(yīng)流出物與混氫的反應(yīng)進料換熱以達到加熱反應(yīng)進料的目的，在技改之前的單臺換熱器殼程介質(zhì)為反應(yīng)流出物，管程介質(zhì)為反應(yīng)進料，見圖1。

1.2高換E102運行工況

自Ⅰ渣油裝置投產(chǎn)開始，在每個周期運行初期到末期，流經(jīng)高換E102的反應(yīng)流出物與反應(yīng)進料的溫差都逐漸降低，圖2選取了Ⅰ渣油高換E102的換熱溫差趨勢圖，可以看出換熱器的換熱效率隨著運行時間延長逐漸下降。

而且在檢修期間，通過對高換抽芯觀察，在管程和殼程中都存在結(jié)垢現(xiàn)象，正是這些結(jié)垢物降低了換熱器的換熱效率。

2高換E102換熱器效率下降對裝置的不利影響

（1） 在裝置運行到末期，由于催化劑的活性降低，需要提高反應(yīng)器的入口溫度以達到足夠的反應(yīng)床層溫度進行加氫脫除反應(yīng)。這就需要提高反應(yīng)加熱爐的燃燒負荷，增加了瓦斯能耗，加熱爐過高的溫度會造成爐管壁超溫等危害，反應(yīng)加熱爐無法滿足反應(yīng)器入口提溫要求，造成產(chǎn)品質(zhì)量不合格，導(dǎo)致加工量降低，無法將催化劑的活性完全利用。

（2） E102換熱溫差下降后，由于E102殼程出來的反應(yīng)流出物溫度較高，在熱高分V103中部分較重?zé)N類組分和氣相無法較好地分離，導(dǎo)致氣相夾帶著這部分烴類進入高壓空冷的溫度也較高，極大地加大了高壓空冷的冷卻負荷。尤其在夏季高溫天氣下，高壓空冷出口無法達到冷卻≥65 ℃的工藝要求，這又會導(dǎo)致循環(huán)氫氣相中帶有烴類組分，這部分烴類進到循環(huán)氫脫硫塔中會污染胺液出現(xiàn)泡現(xiàn)象，造成脫硫系統(tǒng)波動，同時影響循環(huán)氫壓縮機的安全運行，對裝置平穩(wěn)運行造成較大威脅。

（3） Ⅰ渣油加氫裝置的原料中，硫含量相對較高，因而循環(huán)氫中硫化氫含量也較高。高壓空冷管道等設(shè)備在較高溫度下，會導(dǎo)致高溫硫化氫腐蝕，對設(shè)備運行造成危害，增加了高壓空冷管道泄漏的風(fēng)險。

（4） 由于循環(huán)氫在較高溫度下夾帶的大分子烴類增加，這些烴類一方面增加了循環(huán)機的做功負荷，增加了汽輪機的蒸汽能耗；另一方面降低了循環(huán)氫中的氫純度，為了保證循環(huán)氫有合格的氫純度以及催化劑床層反應(yīng)所需要的氫分壓，就要在循環(huán)機入口前排放廢氫，這就造成部分氫氣的浪費，需要新氫機補充更多的氫氣，從而增加了裝置的氫耗。

3高換E102結(jié)垢原因分析

高壓換熱器內(nèi)部的結(jié)垢由無機垢和有機垢組成。無機垢是因為原料油中的一些金屬鹽離子，在流經(jīng)高換內(nèi)部時會形成如FeS等金屬化合物，沉積在換熱器內(nèi)部，還有部分催化劑粉塵等附著在換熱器內(nèi)部，隨著運行時間延長逐漸累積形成結(jié)垢物；有機垢的形成受物理過程及化學(xué)反應(yīng)綜合影響，一些膠質(zhì)以及瀝青等會在高溫下形成垢物，另外，在200 ℃左右的溫度條件下，石油中的烯烴能夠與無機鹽離子發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生難以加氫脫除反應(yīng)的聚合物，形成一種類似重質(zhì)膠油的物質(zhì)，這些物質(zhì)容易在換熱器內(nèi)形成結(jié)垢，在達到300 ℃以上時，烷烴、烯烴以及芳香烴類物質(zhì)會發(fā)生自聚環(huán)化、脫氫縮合等反應(yīng)形成結(jié)垢物。

3.1原料性質(zhì)對E102結(jié)垢的影響

原料中有較多的金屬離子等無機物，這些離子在流入設(shè)備中生成化合物后會隨時間積累形成垢物附著在管道內(nèi)部。Ⅰ渣油在原料增壓泵入口注有渣油加氫專用阻垢劑，注入量為50 μg/g，阻垢劑可以分散水中難溶的無機鹽，阻止或干擾難溶性無機鹽在金屬表面的沉淀、結(jié)垢，維持金屬設(shè)備良好的傳熱效果［1］，減緩了油料在換熱器中的結(jié)垢速率。此外，該裝置設(shè)置了由8組×9個過濾精度為25 μm的濾筒組成的過濾器，且按生產(chǎn)要求定時或定壓差進行反沖洗程序，有效地將原料油中的固體大顆粒雜質(zhì)過濾，使其不進入反應(yīng)系統(tǒng)。原料緩沖罐V101、V102均采用瓦斯氣體保護的方式來防止原料油氧化形成沉渣。由此可見，原料中固體雜質(zhì)導(dǎo)致結(jié)垢的可能性較小。

3.2高換設(shè)計因素對E102結(jié)垢的影響

Ⅰ渣油高換均采用螺紋緊縮環(huán)式U型管雙殼程換熱器，換熱器的選用是按符合工藝條件采購，高換的設(shè)備選型與結(jié)垢程度相關(guān)性不大。對于高換的工藝設(shè)計而言，在流程上是在未加熱前爐前混氫，氣相混合進料進入高換，本裝置的氫油比為≤600，空速在0.2 m/h左右，在此條件下流速是會影響換熱器結(jié)垢的因素之一。當(dāng)流速越大時，油料在換熱器內(nèi)停留時間短，且越容易形成湍流，對管壁形成更高的剪切力，能夠減緩換熱器內(nèi)部結(jié)垢的速率。而且較高的流速也容易剝蝕已存結(jié)垢。但是，較高的流速會使得換熱器及設(shè)備內(nèi)部振動加劇，不利于設(shè)備的安全運行。目前Ⅰ渣油的處理量按設(shè)計100%負荷運行，油料在高換內(nèi)的流速是不小于設(shè)計流速，這在一定程度上有利于減緩高換內(nèi)部的結(jié)垢速率。

3.3管殼程選擇

反應(yīng)流出物和反應(yīng)進料在管殼程的選擇上對結(jié)垢有一定影響。在Ⅰ渣油檢修時發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)流出物側(cè)（管程）的結(jié)垢現(xiàn)象較反應(yīng)進料（殼程）嚴重，反應(yīng)進料走殼程時相對會增加壓力降，雖然結(jié)垢嚴重時難以清洗，但流體的湍流程度較走管程更高，而更高的湍流程度可以延緩結(jié)垢［2］。

4新增E102A換熱器的措施

在第七周期結(jié)束檢修期間，Ⅰ渣油加氫對高換E102流程進行技改，增加了一臺高換E102A，在工藝介質(zhì)的選擇上，反應(yīng)流出物先進入E102A管程，再進入E102殼程，反應(yīng)進料先進入E102管程，再進入E102A殼程后進入反應(yīng)加熱爐，見圖3。

項目完成后，2023年11月23日第八周期開工運行，目前第八周期運行60天，與第七周期同時間段相比，新增E102A后反應(yīng)流出物與反應(yīng)進料換熱溫差明顯增大，反應(yīng)進料換熱溫差能達到80 ℃以上，有效地提高了反應(yīng)進料進入加熱爐入口溫度，降低了加熱爐負荷。對于整個周期的工況影響，要在本周期結(jié)束后相比前周期才能綜合全面評價。

增加了E102A后，反應(yīng)流出物與反應(yīng)進料換熱溫差明顯增大，雖然有效地提高了反應(yīng)進料換熱溫度，但是在開工運行至前30天左右，由于R104床層出口溫度較低，即使高換跨線全開，反應(yīng)流出物進入V103的溫度在330 ℃以下，造成了熱高分發(fā)泡現(xiàn)象頻繁，且在V103中部分輕質(zhì)烴組分無法有效分離出來，這部分輕質(zhì)烴組分進入熱低壓分離器閃蒸后導(dǎo)致冷低分頂部的低分氣量達到11 000 m3/h（同時段前幾周期約在5 000 m3/h）。而循環(huán)機入口的循環(huán)量偏低（在170 000 m3/h以下）且氫純度達到90%以上，這更加說明大量的輕質(zhì)烴組分通過低分氣排出了裝置。待裝置運行至45天后，隨著反應(yīng)器床層溫度逐步升高，反應(yīng)流出物經(jīng)高換換熱后進入V103的溫度上升至335 ℃以上，高低分系統(tǒng)氣相量趨于正常水平。

5對于高換E102延緩結(jié)垢的建議措施

目前Ⅰ渣油對高換內(nèi)結(jié)垢物的處理是在停工檢修時先用堿液進行中和清洗，抽芯后再用高壓水槍沖洗垢污。這種對高壓換熱器進行物理清洗和化學(xué)清洗的辦法只能將上周期的垢物處理干凈，治標而不治本。隨著新周期的開工運行，內(nèi)部依舊會有結(jié)垢積累。所以要最大限度地減緩高換內(nèi)部的結(jié)垢現(xiàn)象，有以下幾點建議：

（1） 要優(yōu)化原料油性質(zhì)，降低原料中的金屬含量以及無機鹽離子，嚴格控制原料性質(zhì)在設(shè)計指標內(nèi)，原料增壓泵入口保持阻垢劑的持續(xù)注入。

（2） 要確保原料過濾器的正常運行，有效地將機械雜質(zhì)過濾掉，防止其進入反應(yīng)系統(tǒng)堆積。

（3） 在工藝條件滿足的情況下可以適當(dāng)提高循環(huán)量，提高反應(yīng)進料的氫油比，提高油料在換熱器的流速以達到減緩結(jié)垢的目的。

（4） 在工藝介質(zhì)流程采用“反應(yīng)進料走殼程、反應(yīng)流出物走管程”的設(shè)計方案，可以減緩內(nèi)部結(jié)垢的速率。

（5） 雖然增大高換換熱面積或者新增一臺高換無法根本上解決換熱器結(jié)垢的問題，但可以大幅度提高換熱溫差，有效提高反應(yīng)進料的溫度，降低加熱爐負荷，節(jié)省瓦斯能耗?？赡茉陂_工初期會造成高低分系統(tǒng)生產(chǎn)波動，然而長久來看，有利于裝置運行末期的提溫操作，為最大化利用催化劑的活性提供了保證。

6結(jié)語

高壓換熱器是在渣油加氫裝置中反應(yīng)流出物與反應(yīng)進料換熱回收熱量的關(guān)鍵工藝設(shè)備之一，對于整個裝置的平穩(wěn)長周期運行有重要作用。生產(chǎn)人員對高換結(jié)垢換熱效率下降問題要高度關(guān)注和重視。雖然以目前的手段無法避免高換內(nèi)部結(jié)垢的現(xiàn)象，但是可以通過其他方式減緩結(jié)垢速率，盡可能地保證裝置長周期運行。在煉廠中，生產(chǎn)管理及操作人員要在生產(chǎn)操作中積累經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)問題時與設(shè)計方及時探討交流并進行優(yōu)化處理。要進一步加深對裝置設(shè)計意圖以及對實際生產(chǎn)的認識，最大化提升裝置完善度，提高裝置的經(jīng)濟效益。

參考文獻：

［1］高娜.渣油加氫裝置高壓換熱器換結(jié)垢問題分析［J］.煉油技術(shù)與工程，2022，52（5）：32.

［2］鄭樹堅，陳超.渣油加氫裝置高壓換熱器換熱效率下降原因分析及對策［J］.煉油技術(shù)與工程2022，52（10）：53.

作者簡介：張宏強，男，助理工程師，本科，從事渣油加氫生產(chǎn)工作。