富乙烯氣管線凍堵的原因分析及對策

袁平鋒

(中韓(武漢)石油化工有限公司，湖北 武漢 430082)

富乙烯氣管線凍堵的原因分析及對策

袁平鋒

(中韓(武漢)石油化工有限公司，湖北 武漢 430082)

中韓(武漢)石油化工有限公司乙烯裝置自2013年8月接收煉廠富乙烯氣以來，每年冬天均多次發(fā)生了管線凍堵的現(xiàn)象，富乙烯氣輸送中斷，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。分析其凍堵的主要原因為兩方面：一方面，低溫條件下，重組分冷凝在管廊袋型處形成液阻；另一方面水含量超標(biāo)，在一定溫度、壓力下形成烴水化合物，針對凍堵原因，提出了具體的解決措施。

富乙烯氣；凍堵；原因分析；處理措施

煉廠干氣主要來源于原油的二次加工過程，我國煉油企業(yè)普遍的特點是二次加工中催化裂化和延遲焦化所占比重較大，其催化干氣和焦化干氣產(chǎn)量非常可觀。煉廠干氣主要組分為H2、CO、CO2、O2、CH4、C2H4、C2H6、C3H8、C3H6、C4+及微量硫、重金屬等，其烴類含量非常高，多數(shù)煉油廠把干氣作為燃料氣或者制氫原料使用，造成了極大的能源浪費。隨著煉油規(guī)模的擴(kuò)大及煉化一體化的發(fā)展，煉廠干氣經(jīng)過濃縮、精制回收干氣中乙烯、丙烯等高附加值組分可獲得的經(jīng)濟(jì)效益越來越顯著。根據(jù)乙烯原料盈利模型分析，在中韓(武漢)石油化工有限公司(以下稱中韓石化)乙烯裝置所有原料中，富乙烯氣加工盈利水平最高。

中韓石化乙烯裝置富乙烯氣來源于煉廠催化干氣和焦化干氣(含氣柜氣及初常頂氣)經(jīng)過干氣提濃裝置濃縮、除雜之后的烴類氣體。由于乙烯裝置與煉油廠直線距離相距9km，因此煉廠干氣制乙烯分為兩部分：干氣在煉油廠濃縮和凈化除雜，通過管廊輸送入乙烯裝置，降低干氣輸送過程的能耗；乙烯裝置接收的富乙烯氣利用乙烯分離系統(tǒng)的冷量及各分離設(shè)備分離出聚合級的乙烯及丙烯組分。

1 流程簡述

1.1 富乙烯氣組分

武漢石化干氣提濃裝置采用的是中國石化與四川天一聯(lián)合開發(fā)的成套回收富乙烯氣技術(shù)[1]，富乙烯氣回收率為86%(v/v)，裝置于2013年8月投產(chǎn)，截至2017年3月總計輸送乙烯裝置富乙烯氣11.2萬t，乙烯裝置富乙烯氣每小時進(jìn)料量穩(wěn)定在4.5t，根據(jù)公司化驗分析數(shù)據(jù)，富乙烯氣的乙烯平均含量在25.7%(v/v)左右(見表1)。

表1 富乙烯氣組分含量

1.2 富乙烯氣工藝流程

富乙烯氣在干氣提濃裝置被加熱至100℃后，出廠級界區(qū)自武漢石化3#地東側(cè)圍墻外1 m進(jìn)入地下敷設(shè)，經(jīng)武鋼規(guī)劃三料條、一混勻料場西側(cè)、武鋼金資公司加工三車間等場地至大莊村，長約1.5 km；自大莊村至中韓乙烯工程管架架空敷設(shè)，長約8.8 km，在乙烯工程4號門進(jìn)入乙烯裝置界區(qū)，經(jīng)過流量計及調(diào)節(jié)閥控制并入裂解氣壓縮機(jī)四段排出罐D(zhuǎn)-205，隨裂解氣經(jīng)分離得到一系列產(chǎn)品。原設(shè)計地下敷設(shè)1.5 km管線表面配有電伴熱，運行一段時間后，電伴熱線路故障，加之地下敷設(shè)富乙烯氣管道周圍采取水泥灌裝，致使電伴熱一直處于無法維修狀態(tài)。

乙烯裝置自2013年8月12日一次開車成功，8月23日富乙烯氣引入乙烯裝置，每年冬天當(dāng)環(huán)境溫度低于5℃時，富乙烯氣管線均出現(xiàn)凍堵的現(xiàn)象，富乙烯氣多次切出乙烯裝置進(jìn)行放火炬，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失(見表2)。

表2 富乙烯氣中斷邊際效益損失

2 富乙烯管線凍堵原因分析

2.1 重組分冷凝，在管廊袋型處形成液阻

經(jīng)過干氣提濃裝置處理后的2.0MPa富乙烯氣經(jīng)過蒸汽加熱至100℃送出界區(qū)，煉廠處管線保溫良好，在管廊地下部分原始設(shè)計有電伴熱，但是富乙烯氣線投用之后電伴熱故障無法使用，造成富乙烯管線長距離輸送后地下部分溫度下降，特別是武漢地區(qū)冬天環(huán)境溫度經(jīng)常低于5℃，管線內(nèi)富乙烯氣溫度下降，在高壓下，富乙烯氣中碳三碳四等相對偏重組分冷凝，如表1中碳四以上重組分含量達(dá)到2.59%(v/v)，長期積聚在袋型處，由于冬季長時間環(huán)境溫度較低，袋型處液相重組分累積過多，氣相富乙烯氣無法帶出，形成液阻，造成堵塞，富乙烯氣無法輸送入乙烯裝置。運行三年多以來，夏季從未出現(xiàn)過堵塞情況，且每次堵塞之后，通過泄壓至火炬，重組分氣化，重新建立輸送后運行正常也可以說明低溫、高壓下富乙烯氣會出現(xiàn)液封情況。

2.2 水含量超標(biāo)，低溫下形成烴水化合物

富乙烯氣輸送壓力為2.0MPa，經(jīng)過輸送管網(wǎng)壓力降，到達(dá)乙烯裝置壓力約1.7MPa，由于管道距離較長，隨著環(huán)境溫度的影響，造成管線輸送熱量損失，導(dǎo)致在并入乙烯裝置處，管內(nèi)溫度與管外環(huán)境溫度基本一致。實際運行過程中，富乙烯氣中水含量一直超標(biāo)，高達(dá)86.6 ppm，遠(yuǎn)大于設(shè)計值5 ppm(見表1)，經(jīng)查空氣的露點與水含量關(guān)系圖[2]可知，即使常壓下，水含量達(dá)到90 ppm，介質(zhì)輸送溫度只有降至-40℃，富乙烯氣中的飽和水才能以結(jié)露的形式析出，并在一定的條件下結(jié)冰，正常情況下，武漢環(huán)境最低溫度也在-10℃以上，基本排除富乙烯氣中水分析出的可能性。但是，在高壓、低溫條件下，水能與甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯等烴類生成烴水化合物。烴水合物是烴與水在高于冰點的低溫和適當(dāng)壓力下形成的一種籠形化合物。在富乙烯氣壓力1.7MPa下，其生成烴水化合物的起始溫度為5℃，在夏季，武漢環(huán)境溫度遠(yuǎn)高于5℃，不具備形成烴水化合物的條件，運行三年來，夏季從未出現(xiàn)過凍堵的現(xiàn)象；在冬天，武漢室外環(huán)境溫度夜間最低-5℃，多數(shù)時候環(huán)境溫度低于5℃，因此具備形成烴水化合物的條件，且水含量越高，形成烴水化合物的可能性越大。形成的固態(tài)烴水化合物較容易積聚在管線袋型、低點、彎頭、孔板流量計、閥門等處，阻礙流體通過，造成管道及閥門堵塞，富乙烯氣輸送中斷。2017年1月31日，富乙烯氣流量逐漸降低，管線憋壓，通過打開流量計旁路，輸送情況好轉(zhuǎn)，切出流量計下線處理發(fā)現(xiàn)存在黑色黏稠物及部分白色塊狀固體，特別是流量計和管道連接處積聚嚴(yán)重(見圖1)。

圖1 富乙烯氣流量計及導(dǎo)淋處堵塞物質(zhì)

3 處理措施

3.1 富乙烯氣流程改造

以往每年冬天，富乙烯氣管線凍堵，均由煉廠干氣提濃裝置切出至燃料氣，管線內(nèi)富乙烯氣由乙烯裝置現(xiàn)場接臨時管線泄壓至火炬，通過降壓，重組分不斷氣化，然后重新充壓輸送，整個過程持續(xù)兩天且重組分汽化不完全，損失巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且由于節(jié)流降溫存在風(fēng)險。富乙烯氣正常并入流程為裂解氣壓縮機(jī)四段排出罐D(zhuǎn)-205(操作壓力1.6MPa)，通過技術(shù)改造，新配一條管線(見圖2)，在冬季時將現(xiàn)有流程切至D-204(操作壓力0.8MPa)，降低富乙烯氣的氣化溫度，減少富乙烯氣廠級管廊發(fā)生積液可能。因富乙烯氣輸送壓力2.0MPa，為避免富乙烯氣發(fā)生減壓節(jié)流降溫，導(dǎo)致重組分冷凝和水凍堵，減壓閥應(yīng)設(shè)置干氣提濃裝置加熱器前，將富乙烯氣壓力降到1.0MPa進(jìn)行輸送。通過此種方法既降低積液可能，又能保證富乙烯氣連續(xù)輸送。

圖2 富乙烯氣流程改造

3.2 富乙烯氣袋型管廊吹掃

富乙烯氣管線長時間投用后，管線內(nèi)重組分在低溫條件下冷凝、累積，通過降壓氣化并不徹底，通過乙烯裝置界區(qū)配4"臨時管線至濕火炬罐(見圖3)，將管線內(nèi)的重組分和水吹掃至火炬罐。

圖3 煉廠干氣吹掃臨時管線流程

臨時管線具備吹掃條件后，于2017年2月10日通知煉廠用低壓氮氣開始吹掃，吹掃時間2天；2月12日煉廠更換介質(zhì)為富乙烯氣吹掃。濕火炬罐液位從8.3%上漲至14.3%，經(jīng)過核算，濕火炬液位計100%體積為526.36m3，換算成6%的液位為526.36×6%×1000/1000=31.58t。吹掃完成恢復(fù)正常流程后富乙烯氣輸送一直穩(wěn)定在4.5t/h。

通過對臨時管線導(dǎo)淋排出的液相進(jìn)行觀察，主要組分為水(見圖4)。

圖4 臨時管線現(xiàn)場導(dǎo)淋排出液相水

3.3 干氣提濃裝置增加干燥器系統(tǒng)

根據(jù)水合物形成機(jī)理，盡可能去除管道內(nèi)富乙烯氣存在的飽和水，特別是游離水，降低水含量，能大大降低管道內(nèi)形成水合物的可能性。現(xiàn)階段干氣提濃裝置富乙烯氣通過分離罐分離出水及重組分后送至乙烯裝置。加強(qiáng)工藝監(jiān)控，控制分離罐溫度、壓力及液面，降低富乙烯氣帶液可能。另外在干氣提濃裝置增加干燥器脫水系統(tǒng)，干燥器設(shè)運行和備用兩臺，運行周期到期或者出口水含量超標(biāo)時，切入備用干燥器，對運行干燥器進(jìn)行再生。通過此種方法可以保證富乙烯氣中水含量小于5 ppm。

3.4 控制富乙烯氣輸送溫度

通過控制管線內(nèi)富乙烯氣輸送溫度既能防止重組分冷凝，又能抑制水合物的形成。保證管線內(nèi)富乙烯氣溫度大于5℃就能夠防止形成烴水化合物。由于電伴熱處于無法維修狀態(tài)，加強(qiáng)管線絕熱保溫，盡量降低管道熱損失是一種很好的手段，特別是改善并入乙烯裝置處管線保溫情況能夠起到好的效果。另外在乙烯裝置處增加富乙烯氣溫度測量表，當(dāng)溫度低于5℃時，操作人員可根據(jù)實際情況適當(dāng)提高干氣提濃裝置富乙烯氣回溫器出口富乙烯氣溫度。

4 結(jié)論

富乙烯氣管線長距離輸送過程中，由于散熱損失，溫度降低，冬季環(huán)境溫度低于5℃時，富乙烯氣介質(zhì)中碳三碳四等重組分冷凝，且由于水含量超標(biāo)，易形成烴水化合物，造成管線凍堵，通過切出系統(tǒng)，降低壓力重組分氣化及管線吹掃能夠重新建立輸送流程。同時對富乙烯氣并入流程進(jìn)行改造、干氣提濃裝置增加干燥器脫水系統(tǒng)、加強(qiáng)管線保溫等措施來徹底解決富乙烯氣管線凍堵的問題。

[1] 后 磊.干氣提濃裝置對煉化一體化效益的影響及運行存在的問題和對策[J].當(dāng)代化工，2015,44(10)：2448-2450.

[2] 王松漢.乙烯工藝與技術(shù)(精華本)[M].北京：中國石化出版社,2012.

(本文文獻(xiàn)格式：袁平鋒.富乙烯氣管線凍堵的原因分析及對策[J].山東化工,2017,46(15):117-179.)

2017-05-31

袁平鋒 (1987—)，男，本科，助理工程師，現(xiàn)從事乙烯生產(chǎn)工作。

TQ221.21

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1008-021X(2017)15-0117-03