非加氫酸性水汽提塔塔頂空冷器腐蝕改造對策

嚴科輝 朱元彪 姚 炳 黃衛存

(鎮海石化工程股份有限公司，浙江 寧波 315042)

某煉廠200 t/h非加氫酸性水汽提裝置處理的酸性水主要來源于常減壓、延遲焦化、4 500 kt/a重油催化裂化、芳烴抽提、歧化、對二甲苯、輕烴回收、C3～C4分離等裝置，酸性水中主要含有硫化氫和氨等成分。采用單塔低壓汽提工藝，原料水經脫氣、脫油、換熱后進入汽提塔上部，汽提塔塔頂酸性氣經空氣冷卻器(以下簡稱空冷器)冷卻后，進入塔頂回流罐，酸性氣送至硫磺回收裝置，凝液返塔回流。2019年9月正式投用，2021年2月發現酸性水汽提塔塔頂空冷器腐蝕嚴重，管束泄露嚴重，影響裝置安全運行。

1 汽提塔工藝流程

某煉廠非加氫酸性水汽提塔塔頂的酸性氣(115～119 ℃、0.13 MPa)經空冷器冷卻至90 ℃后進入回流罐，氣液二相通過回流罐分離，液相經回流泵加壓返回至汽提塔上部，含氨酸性氣送至硫磺裝置處理。工藝流程見圖1。

圖1 汽提塔酸性氣空冷器冷卻流程

2 腐蝕現狀及原因分析

2.1 腐蝕現狀

某煉廠非加氫酸性水汽提裝置酸性氣空冷器管束材質為316L，共4片空冷，于開車一年后發現酸性氣空冷器管束出現泄露情況，其中空冷器A有10根管束泄漏，空冷器B有20根管束泄漏，空冷器C有23根管束泄漏。

2.2 腐蝕部位定位

裝置對空冷器腐蝕部位進行了統計分析，結果見表1。

表1 空冷器泄露情況

從表1中可以看出：53根泄漏管束主要集中在第5排，且除6根是在管頭脹焊部位腐蝕外，其他均在管束的中間段減薄穿孔。由于管束的翅片是采用外套鋁管軋制而成，管束減薄穿孔后介質從鋁翅片管兩端漏出，通過內窺鏡對6排管束進行了檢查，發現半環形波紋狀腐蝕減薄主要集中在下三排管束的出口端，其中第五排最為嚴重，第五排上半部半環波紋狀腐蝕跡象明顯，下半部液相浸泡部位腐蝕減薄少。

2.3 腐蝕部位溫度

為了研究溫度對腐蝕的影響，裝置對空冷器外壁溫度進行了測量，通過對數據的分析，發現管束外壁溫度越低的部位，腐蝕越嚴重，兩者間存在較高的對應性。

2.4 腐蝕原因分析

從泄漏管束的情況來看，腐蝕部位是均勻減薄，沒有局部腐蝕坑，是沖刷腐蝕的宏觀表現。硫化氫銨(NH4HS)的結晶溫度一般在水的露點溫度以下，汽提塔塔頂空冷器在目前操作條件下，水先于NH4HS冷凝，且第五、第六管程水量相對較大，NH4HS也開始大量溶解于水中。隨著空冷器溫度的降低，特別是一些局部冷態區(如兩臺風機的中間位置)，NH4HS結晶析出，造成液態水相攜帶NH4HS鹽固體顆粒，進一步造成沖刷腐蝕。在距離管板出口端受塔頂氣入口位置熱輻射溫度相對較高的影響，第五、第六管程結晶析出的NH4HS溫度升高再次溶解在水中，腐蝕降低。

3 改造方案

3.1 低溫熱利用方案

3.1.1 工藝流程

汽提塔塔頂的酸性氣(119 ℃、0.13 MPa)通過蒸汽發生器冷卻至90 ℃，汽液二相通過回流罐分離，液相經過回流泵加壓返回至汽提塔上部，含氨酸性氣送至硫磺裝置處理。蒸汽發生器產生0.047 MPa(絕對壓力)、80 ℃蒸汽，然后用熱泵機組(SER)3級升壓至0.17 MPa、130 ℃蒸汽，再用熱泵機組(SER)1級升壓至0.4 MPa、160 ℃蒸汽，此蒸汽可作為汽提重沸器能源。具體流程見圖2。

圖2 低溫熱利用方案流程

3.1.2 改造可行性分析

(1)該煉廠非加氫酸性水汽提裝置(200 t/h)核算結果如下：產蒸汽量14 t/h，一次增壓(3級)用電量2 059 kWh，設備占地約9 m×4 m，僅低溫熱設備投資約1 100萬元；二次增壓(1級)用電量777 kWh，設備占地約3 m×4 m，需增加設備投資506萬元。

(2)該方案產蒸汽量14 t/h，計算成標準能耗為-38.682 GJ/h；耗電2 836 kWh，計算成標準能耗30.884 GJ/h，合計節約能耗-7.402 GJ/h。

(3)該方案產蒸汽流量14 t/h，年經濟效益約為1 764萬元；新增設備耗電2 836 kWh，每年增加電費約1 668萬元。兩項合計經濟效益每年約為96萬元，但一次性增加投資1 606萬元(僅低溫熱設備)。

(4)根據投資和產生效益數據對比，本方案雖然解決了空冷器腐蝕問題，但投資總額過高，經濟效益低，不建議實施。

3.2 汽提塔塔頂內循環冷卻方案

3.2.1 工藝流程

汽提塔上部的集液箱引出一股酸性水(95 ℃)，通過泵加壓，再經過空冷器冷卻至70 ℃左右，返回至汽提塔頂部，汽提塔頂部直接引出含氨酸性氣(90 ℃)，經過緩沖罐后送至硫磺裝置處理，具體流程見圖3。

圖3 汽提塔塔頂內循環冷卻流程

3.2.2 與原工藝比較

(1)兩種工藝流程的回流液及循環液的組成基本相同，如果腐蝕是由于相變引起，汽提塔塔頂內循環冷卻流程可以有效解決腐蝕問題。

(2)回流液和循環液的流量相差很大。某煉廠非加氫酸性氣塔塔頂回流液流量為20 t/h，如改為汽提塔塔頂內循環冷卻流程，循環液流量為400 t/h，需要增加兩臺大功率的泵，用電消耗將大幅增加。

(3)酸性氣和循環液的溫差大。某煉廠非加氫酸性氣塔塔頂酸性氣溫度由119 ℃降至90 ℃，改為汽提塔塔頂內循環冷卻流程，導致循環液溫度由95 ℃降至70 ℃，空冷器效率下降，空冷器傳熱面積嚴重不足(差約30%)。

3.2.3 改造實施可行性分析

(1)汽提塔的上部填料層、分布器、集液槽等內件需要更換。

(2)汽提塔的直徑和高度保持不變，但是汽提塔的上下部需增加開口，塔采用復合板，改造不需要熱處理，但循環液的腐蝕性強且溫度下降，會對汽提塔上部內壁引起腐蝕(內壁材質為13Cr)。

(3)改造實施時，電氣、儀表、配管、設備平面布置等方面都有一定難度。

3.3 酸性氣與酸性水換熱方案

3.3.1 改造方案

非加氫型汽提塔取消空冷器，增加原料水塔塔頂換熱器，塔頂氣通過與原料水換熱到90 ℃后進入回流罐，解決空冷局部過冷段腐蝕嚴重問題，改造流程如圖4。由于原料水換熱后溫度大幅度上升，導致原來塔底的凈化水冷卻不足，故原取消的酸性水空冷器其中兩片原位利舊給凈化水空冷器，以便于保證凈化水的溫度。

圖4 酸性氣與酸性水換熱方案流程

3.3.2 換熱器

新增塔頂氣原料水換熱器,型號為BJU1400-2.5-840-6/19-4I，兩臺并聯，具體參數見表2。

表2 換熱器參數

3.3.3 換熱器管束管壁溫度分析

根據換熱器計算軟件分析結果，管束外壁溫度最低為58.21 ℃，酸性氣在此溫度下可以有效地防止NH4HS結晶，從而減少管束腐蝕的發生。

3.3.4 改造可行性分析

(1)此流程利用了塔頂酸性氣的低溫熱來加熱進塔的酸性水，達到回收部分熱量的目的，從而降低裝置的能耗。酸性氣與酸性水采用U形管換熱器，介質通過并流的方式，可以防止管束出現過冷的情況；酸性氣走殼程，介質從上往下流，冷卻過程可以避免管束出現干濕界面，防止引起管束局部腐蝕；如果設備出現管束腐蝕情況，其危險性較小；酸性水進出換熱器設跨線和溫控流程，操作靈活性大。

(2)此改造方案增加設備、管線、儀表等投資約250萬元，總投資約400萬元，投資相對較少，每年節約用電產生效益約為40萬元，每年節約重沸器蒸汽效益約15萬元。

4 結語

針對非加氫汽提塔塔頂空氣冷卻器在目前操作條件下因NH4HS大量溶解于水中，隨著空冷器溫度的降低，特別是一些局部冷態區由于隨著NH4HS結晶析出，并隨著高速氣相的帶動造成管束沖刷腐蝕的問題，建議采用酸性氣與酸性水換熱改造方案，不僅解決了酸性氣空冷器管束的腐蝕問題，還利用了酸性氣的低溫熱，增加了酸性水的入塔溫度，從而降低裝置能耗。