脫丁烷塔重沸器淤堵原因分析及對策

凌宇，程鵬，袁瑞合，丁勇超，侯濤，周文鵬

（中海石油（中國）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。脫丁烷塔重沸器進料組分復(fù)雜、操作溫度較高，在運行過程中可能出現(xiàn)結(jié)焦、結(jié)垢等現(xiàn)象，均可能造成淤堵；在國內(nèi)一些相同或相似的工藝裝置中都出現(xiàn)過不同程度、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。

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

1 脫丁烷塔工藝流程概括

脫丁烷塔有兩股進料，上段進料來自脫乙烷塔塔底液，下段進料來自原油穩(wěn)定系統(tǒng)和各天然氣壓縮機出口滌氣罐經(jīng)過重?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入脫丁烷塔回流罐冷凝，未冷凝氣優(yōu)先送至中壓單元進行循環(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入塔頂，另外一部分作為液化氣產(chǎn)品進入液化氣球罐。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)品進入輕油儲罐。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)過程中，在脫丁烷塔來液工況相對穩(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)荷運轉(zhuǎn)，溫度控制閥全開，脫丁烷塔塔底返塔溫度仍達不到設(shè)計操作溫度，重沸器導(dǎo)熱油出入口溫降遠(yuǎn)低于設(shè)計值。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)致輕油進罐飽和蒸氣壓超標(biāo)，并在輕油儲罐揮發(fā)逸出，造成揮發(fā)性有機物排放增加，周圍產(chǎn)生異味，生產(chǎn)面臨的環(huán)保問題隨之即來。同時，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牧吭黾印＞唧w操作參數(shù)如表1所示。

表1 脫丁烷塔操作參數(shù)

3 淤堵機理分析

3.1 淤堵物分析

現(xiàn)場取樣觀察，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

取部分樣品進行全巖X衍射分析，發(fā)現(xiàn)無晶體形態(tài)特征。該樣品可被點燃并散發(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，推測淤堵物是以瀝青質(zhì)為主的可溶有機物。

表2 淤堵物溶解情況

3.2 淤堵物來源分析

精餾單元脫丁烷塔的來料主要是原油穩(wěn)定塔穩(wěn)定分離冷凝后的液相輕烴和脫乙烷塔塔底液。脫乙烷塔的來料是天然氣經(jīng)過壓縮、脫水、過濾和深冷后產(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開發(fā)，產(chǎn)量逐年遞增，海上平臺不定期地進行新井投產(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)等重組分進行溶解且含有固相顆粒的返排液通過原油管線輸至終端，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)具有很強的協(xié)同乳化作用，膠質(zhì)對瀝青質(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度或剛性，進而影響油水乳狀液的穩(wěn)定性，同時固相顆粒和蠟質(zhì)在其中也發(fā)揮著重要作用[4]。

終端通過對上岸原油取樣進行離心實驗，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，流動性差，最高測得上岸原油乳化物含量達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入原油穩(wěn)定塔進行深度穩(wěn)定時容易發(fā)生液泛。原油生產(chǎn)處理過程中，老化油最終儲存在原油儲罐、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)定性且流動性差，需要經(jīng)過特殊處理才能被回收利用[5]。為保證原油外輸質(zhì)量合格避免銷售糾紛，終端每次原油外輸作業(yè)前必須進行原油儲罐、事故罐切水作業(yè)，作業(yè)時罐中存在的老化油混入上岸原油進行循環(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 上岸原油離心實驗結(jié)果

當(dāng)原油穩(wěn)定塔發(fā)生液泛時，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，最后進入脫丁烷塔。

3.3 淤堵原因分析

脫丁烷塔重沸器淤堵狀況如圖5所示。導(dǎo)熱油路殼程沒有明顯堵塞，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)過程中，進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始結(jié)焦。結(jié)焦層形成后，進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，勢必又會造成未被淤堵的管束溫度過高而加劇結(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狀況

4 處理措施

4.1 定期對裝置進行清洗

脫丁烷塔重沸器淤堵是一個長期累積的過程。生產(chǎn)過程中，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)檢修項目，同時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、塔底及重沸器管束內(nèi)壁上的瀝青質(zhì)等重組分進行清洗，從而避免不確定性停產(chǎn)檢修，降低重沸器淤堵對精餾裝置帶來的危害。

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)等重組分進入脫丁烷塔。原油穩(wěn)定塔進料含水率高、進料組分輕、進料量多、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)海上平臺來液工況不穩(wěn)定，適時控制原油儲罐、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，從而達到高效破乳的目的。優(yōu)化三相分離器、電脫水器運行參數(shù)，提高脫水效果；控制好原油穩(wěn)定塔進料量、進料溫度、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，瀝青質(zhì)等重組分隨輕烴以霧沫夾帶形式蒸出，經(jīng)過風(fēng)冷器、水冷器降溫后在原油穩(wěn)定塔回流罐冷凝，通過原油穩(wěn)定塔回流泵泵至重?zé)N閃蒸罐進行閃蒸，最后通過重?zé)N泵泵至脫丁烷塔。因此，防止瀝青質(zhì)等重組分進入脫丁烷塔是解決問題的關(guān)鍵。結(jié)合現(xiàn)場實際情況，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，通過在原油穩(wěn)定塔回流泵進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，說明液相輕烴中存在重組分。將液相輕烴倒入三相分離器進行循環(huán)處理，當(dāng)顏色純凈過后，將液相輕烴倒回重?zé)N閃蒸罐，從而確保進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入原油穩(wěn)定塔進行深度穩(wěn)定時容易發(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。

針對脫丁烷塔重沸器淤堵，通過定期對裝置進行清洗，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)等重組分進入脫丁烷塔；通過增加原油穩(wěn)定塔回流泵出口至三相分離器循環(huán)處理流程，確保進入脫丁烷塔的液相輕烴合格，進一步防止瀝青質(zhì)等重組分進入脫丁烷塔從而造成重沸器淤堵。

通過實行以上措施，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，保障了精餾裝置長周期平穩(wěn)高效運行，節(jié)能環(huán)保。