空冷式换热器
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浅析硫磺装置尾气换热器内漏原因及对策点击：1816 日期：[ 2014-04-26 21:36:08 ] |
| 浅析硫磺装置尾气换热器内漏原因及对策 郝东来,刘文君,韩进林,冯 辉 (中油股份独山子石化分公司,新疆 独山子 833600) 摘 要:硫磺装置是炼油化工中最重要的环保装置之一,尾气换热器是硫磺装置重要设备,工作条件苛刻,操作难度大,容易发生泄漏事件。笔者通过对硫磺尾气换热E-302内漏的现象及更换时的观察,分析产生内漏的原因,并提出对策,对今后设备的操作及同类装置设备选材均具有一定的参考价值。 关键词:硫磺回收;尾气换热器;内漏;原因;对策 中国石油独山子石化分公司硫磺回收装置包括两个生产装置和一个生产单元,由10万t/年气体脱硫装置、3 000 t/a硫磺回收装置及硫磺回收尾气处理单元三部分组成, 2002年12月建成, 2003年4月试车后,对装置进行了消缺改造。2006年5月份,为配合炼厂加工进口哈萨克原油,硫磺回收装置进行扩能改造,硫磺设计产量增加到4 000 t/a。 硫磺回收装置尾气换热器E-302为尾气单元重要设备[1],但从2003年4月装置开工以来,尾气换热器E-302因管束内漏更换了2台,严重影响了装置安稳长运行,给公司带来较大的经济损失和区域环境污染。本文通过对2次尾气换热器内漏现象的分析,列举出可能造成内漏的因素并提出对策,对今后装置操作和同类装置设备选材均具有一定的参考价值。 1·工艺流程简述 独石化公司硫磺回收装置制硫单元采用Claus工艺的部分燃烧法,工艺技术成熟。硫磺回收尾气处理单元采用SSR工艺,通过催化加氢和醇胺溶液吸收使硫磺回收尾气达标排放。制硫单元工艺流程:来自污水汽提装置和脱硫单元的全部酸性气进入酸性气分液罐(V-201)分液后,进入制硫炉(F-201)火嘴,根据制硫反应需氧量,通过比例调节严格控制进炉空气量,在炉内约65% (mol/mol)的H2S进行高温克劳斯反应转化为硫,余下的HS中有1/3转化为SO,燃烧时所需空气由空气鼓风机(J-201A/B)供给,制硫尾气中H2S与SO2的比值控制在2：1,制硫炉(F-201)排出的高温过程气1 000~1 200℃,一小部分通过高温掺合阀调节一、二级转化器(R-201/202)的入口温度,其余部分进入酸性气废热锅炉(F-202)冷却至400℃,F-202壳程产生1. 0MPa(g)蒸汽自用,F-202出口的过程气进入一级硫冷凝器(E-201)冷却至170℃, E-201壳程产生0. MPa蒸汽自用,在E-201管程出口,冷凝下来的液体硫磺与过程气分离,自底部流出进入硫封罐(V-207);未冷凝的过程气经高温掺合阀调节至240℃进入一级转化器(R-201),在催化剂作用下进行反应,过程气中的H2S与SO2被催化剂转化为元素硫。反应后的气体进入二级硫冷凝器(E-202),过程气温度由300℃冷却至160℃,E-202壳程产生0. 3MPa(g)蒸汽自用,在E-202管程出口,冷凝下来的液体硫磺与过程气分离,自底部流出进入硫封罐(V-207);未冷凝的过程气再经高温掺合阀调节至225℃进入二级转化器(R-202),过程气在催化剂作用下继续进行反应,反应后的气体进入三级硫冷凝器(E-203),过程气温度由265℃冷却至145℃; E-203壳程产生0. 13 MPa(g)乏汽,经乏汽冷凝冷却器(E-204)冷却至40℃去凝结水罐(V-004);在E-203管程出口,冷凝下来的液体硫磺与过程气分离,自底部流出进入硫封罐(V-207),顶部出来的制硫尾气进入尾气处理部分。汇入硫封罐的液硫自流进入液硫罐(V-208),液硫用液硫泵(P-201A/B)送至硫磺造粒机(MG-201),造粒、称重、包装后即为产品硫磺。其基本流程如图1。 尾气处理单元工艺流程:从捕集器V-209出来的制硫过程气经尾气换热器E-302(壳程),与尾气焚烧炉F-301放空尾气换热至283℃,然后与从系统来的氢气混合进加氢反应器R-201,尾气在加氢反应器R-201床层上发生加氢反应温度升至310℃,然后经过冷却、吸收脱除尾气中的硫化氢气体,净化尾气进入尾气焚烧炉F-301焚烧,经尾气换热器E-302(管程),然后经烟囱ST-201排放,图2是尾气加氢单元工艺流程图。 2·尾气换热器E-302内漏现象及判断 硫磺回收车间2次判断硫磺尾气换热器E-302内漏。判断依据如下:图3为E-302管、壳程流程简图。从图可以看出,E-302管程走F-301的烟气,在正常生产,即尾气加氢单元开时,E-302壳程走尾气,也就是尾气捕集器V-209来的尾气经E-302加热后至加氢反应器R-301。在尾气加氢单元停工时,E-302壳程介质为保护空气,即J-201来的空气经E-302加热后从朝天放放空,保护E-302。 尾气换热器E-302开工后因管束内漏更换过2次: 2003年4月20日硫磺回收装置建成后一次开工正常, 6月10日,发现烟囱间断性冒黄烟, 6月20日因处理尾气进焚烧炉管线堵塞问题,尾气单元停工,E-302壳程用保护空气进行保护,发现保护空气出口朝天放处有大量的青烟冒出,有严重的刺激性气体,判断为二氧化硫气体,车间判断是尾气换热器E-302内漏造成管程烟气窜入壳程造成。车间一边联系制造厂按原样制造,一边制订更换E-302计划, 2003年7月装置停工检修,尾气换热器E-302原位更换完毕,开工正常。 E-302自2003年7月份更换以来,运行一直较好。2005年4月,硫磺装置停工检修,制硫单元开工后,尾气加氢单元开工前,发现E-302投保护空气时,壳程出口朝天放有青烟,从气味判断为二氧化硫,车间初步判断E-302出现内漏。但因尾气加氢单元开工后,装置转入正常生产,对生产影响不大,所以没有立即停工检修。2005年9月,因重整加氢停工,氢气中断,尾气加氢单元停工,E-302投保护空气期间,壳程出口朝天又放有青烟,从气味判断为二氧化硫,并且当E-302壳程入口压力越低,青烟越大,车间确认尾气换热器E-302出现内漏。从化验分析也可以看出,在尾气加氢单元开工时,F-301进口尾气中总硫含量为100 mg/m3,但烟囱烟气中,二氧化硫含量为248 mg/m3,可以确认为E-302内漏。2006年5月,硫磺装置扩能改造, E-302再次进行原位更换。 3·E-302内漏原因分析 2003年6月,硫磺停工检修,首次更换尾气换热器E-302,将旧换热器拆下,发现换热器两端陶瓷套管大部分已经破损,端面密封胶泥有向外凸起迹象;打开壳程手孔,发现有大量的金属粉末和熔融物,用强光自手孔照射观察,发现材质为0Cr18Ni9不锈钢管束部分已经熔断,经设备技术人员鉴定, E-302整体报废。 通过现场检查分析,可以判断此次换热器内漏的主要原因是换热器管束在高温下熔化,导致尾气与烟气互串,在正常生产时尾气压力较高,烟囱冒黄烟;尾气换热器用空气保护时,当焚烧炉炉膛压力波动,则有烟气串入尾气换热器壳程,导致保护空气出口有间断青烟冒出。具体数据见表1~表3。 尾气换热器在硫磺回收装置中具有特殊的地位,其工作环境恶劣,温度、进出物料组分变化很大,接触的介质含硫量高,硫化氢腐蚀、高温硫腐蚀和晶间腐蚀均较为严重。0Cr18Ni9材质的管束具有良好的耐腐蚀性和耐热性,但作为硫磺尾气换热器的换热管,高温抗蠕变性能差,在硫化氢氛围下,抗晶间腐蚀能力差。晶间腐蚀是一种有选择性的腐蚀破坏,在腐蚀介质作用下,奥氏体不锈钢都有一定的晶间腐蚀倾向。其腐蚀的基本原理如下:奥氏体不锈钢加热到600~800℃温度区发生敏化,过饱和固溶的碳向晶粒边界扩散,与晶界附近的铬结合形成铬的碳化物(CrFe)23C6并在晶界沉淀析出,由于碳比铬的扩散速度快的多,铬来不及从晶内补充到晶界附近,因而晶界区贫铬形成晶间腐蚀。硫磺尾气换热器E-302工作温度为500~650℃,正好处于奥氏体不锈钢敏化温度区范围内,很容易发生晶间腐蚀导致管束管壁变薄而被烧穿。本装置尾气换热器使用的管束规格为Ф38×3. 5 mm,管壁较薄,在高温含硫工况下极易发生管束穿孔现象。另外,即使再理想的合金钢,也会不可避免的发生湿H2S电化腐蚀,只是腐蚀速度较慢,但是,当管子由于其他原因出现裂缝或点坑时,这种腐蚀的速度就会加大,具体反应式如下: 有了这样的诱发因素,就会发生SSCC(应力腐蚀开裂)现象。可以判断E-302的第一次内漏就是在高温硫化氢氛围下发生的晶间腐蚀和应力腐蚀共同作用造成的。 2006年4月,硫磺扩能改造,E-302拆卸下来后,发现换热器两边的耐温胶泥与管束间的陶瓷管被拉裂,换热器端面耐温胶泥向外明显凸起,陶瓷套管呈断裂性界面,断裂处颜色深褐色;打开壳程手孔,发现换热器管束完好,有金属光泽,换热器管束基本完好。 通过对拆卸后换热器的现场观察和查阅相关资料,金属的热膨胀率一般为非金属(耐热浇注料)的3~10倍,当F-301非正常熄火后,炉膛温度短时间骤然下降,金属管束和相连的耐火浇注料均急剧收缩,因线性膨胀系数不同,抗拉强度不同,导致金属与非金属之间出现裂痕或断面。可以判断尾气换热器E-302第二次内漏的主要原因是管束及衬里在热膨胀状态下遇冷,短时间内温度梯度过大,导致陶瓷套管脆裂,金属管束轴向收缩,将两端的密封胶泥拉裂,造成管壳程连通而内漏。 4·E-302内漏对装置产生的影响 4.1安全环保方面的影响 原有的尾气加热器E-302在2006年3月发现内漏,使得部分尾气漏入烟囱烟气。发现内漏后及时向厂部汇报,制做了新的换热器, 2006年5月扩能改造期间,对E-302进行更换。更换后运行正常,保证了装置长周期运行,同时也杜绝了部分尾气窜入烟囱,降低了烟囱烟气硫化物。表4为E-302更换前后烟囱烟气二氧化硫含量监测结果。 因车间无监测手段, 2006年3月未进行监测,可对比2004年5月20日装置标定时的数据,烟囱烟气二氧化硫含量最高达1 507 mg/m3,最低达1 258 mg/m3,不达标。装置开工正常后,2006年8月5日标定时监测烟囱烟气中硫化物含量只在550mg/m3,远低于国标960 mg/m3,说明E-302内漏对区域环境污染影响明显。E-302内漏进行原位更换,因无法切除设备,装置被迫停工20多天,按照扩能前硫磺回收装置处理能力3 000t/年计算,全厂在硫磺装置检修期间向大气排放SO2的数量为:3 000÷365×25×2=411(t),超过400 t吨,潜在环境污染巨大。 4.2 经济效益方面的影响 尾气加热器E-302的泄漏,部分尾气通过E-302泄漏进烟气中,一方面增加了烟气中的硫化物含量,导致装置烟气指标不达标,同时也降低了硫的转化率,增加了装置检维修费用。经测算,对E-302进行原位更换,需投资约25万元, E-302自开工以来已经因内漏原因更换了2次,设备更换的直接经济损失50万元以上,且因设备更换造成装置停工20多天,少回收硫磺约200 t,按照硫磺均价1 000元/t计算,直接经济损失为200×1 000=20(万元),潜在经济损失更大。 5·对 策 5.1 改造流程 查阅相关资料,发现国内硫磺装置尾气换热器内漏情况也是时有发生,参考同类装置成功改造经验,建议将尾气换热器进行旁置改造,如图4。将尾气换热器从在线流程独立出来后,因尾气换热器处于旁通位置,两端自由,可最大限度的消除温度急剧变化带来的热膨胀问题,减少金属管束与非金属衬里之间因膨胀率不同造成拉裂的现象。另外使得E-302检修更方便自由,避免了检修E-302必须全装置停工的问题。 5.2 升级换热管材质 选择适合硫磺尾气换热器工况的换热管材质,是减少或消除内漏的重要途径。 0Cr18Ni9作为硫磺尾气换热器的换热管,高温抗蠕变性能差,抗晶间腐蚀能力差,存在一定的材质缺陷,建议更换为1Cr5Mo。 1Cr5Mo属铁素体耐热钢,在高温状态下它能够保持化学稳定性(耐腐蚀、不氧化)、热稳定性和强度。加入Mo元素可以提高该钢的再结晶温度和高温抗蠕变性能,可用于管壁温度400~600℃、管内介质温度约500℃的工况。查阅相关资料,国内硫磺装置尾气换热器管束也有使用1Cr5Mo的先例,并且故障率较少。2009年建成开工的独石化新区炼油厂5万t/a硫磺装置尾气加热器管束材质亦采用1Cr5Mo,目前运行十分稳定。 5.3 严格执行工艺纪律,加强操作平稳 从两次更换换热器的原因来看,尾气焚烧炉F-301操作波动大和误操作也是导致尾气换热器内漏的原因之一,提高操作平稳性是保护设备的重要途径。 在装置开工后的2年中,尾气焚烧炉F-301熄火次数为51次,熄火率达2. 1次/月。尾气炉F-301熄火直接造成尾气加氢单元停工,同时留下不安全隐患,影响装置长周期运行。尾气炉F-301熄火,造成尾气换热器E-302温度急剧变化,金属材料和非金属衬里在短时间的膨胀收缩过程中出现不融合,造成接口开裂或衬里破坏等后果。 6·结 论 硫磺装置尾气换热器内漏的原因是多方面的,工艺流程设计不合理、换热器管束材质缺陷是导致尾气换热器内漏的主要因素。通过改造工艺流程、升级换热器管束材质,可有效防止硫磺装置尾气换热器内漏现象。 参考文献 [1]刁玉玮,王立业.化工设备机械基础[M].大连:大连理工大学出版, 2000: 21-30. |
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