乙烯装置冷箱堵塞原因分析及应对措施_朱宏林.pdf

安全、健康环境事故分析与预防2023 年第 23 卷第 2 期编辑宋书峰DOI:103969/jissn1672-7932202302003SAFETY HEALTH ENVIONMENT16乙烯装置冷箱堵塞原因分析及应对措施朱宏林1，武传朋2(1中国石化齐鲁分公司，山东淄博2554002中石化青岛安全工程研究院有限公司，山东青岛266104)收稿日期:2023-01-13第一作者简介:朱宏林，高级工程师，1989 年毕业于沈阳化工学院有机化工专业，1999 年获北京化工大学化学工程工学硕士学位，现主要从事石油化工科技与信息管理工作。摘要:介绍了某乙烯装置在运行末期，冷箱裂解气流道发生堵塞，造成压差升高，流通能力降低的情况。冷箱流道堵塞造成裂解气压缩机出口压力升高放火炬，严重制约乙烯装置高负荷稳定运行。根据乙烯装置实际生产工况，系统性分析了冷箱裂解气流道堵塞原因，提出了更换冷箱入口过滤网，甲醇清洗冷箱流道，停工升温后升压吹扫等措施来解决冷箱堵塞的问题。关键词:乙烯装置;冷箱;堵塞;换热器;稳定运行中图分类号:TQ2038文献标识码:A文章编号:1672-7932(2023)02-016-060前言乙烯是石油化工重要的基础原料，已成为衡量国家石油化工发展水平的重要指标，乙烯工业的蓬勃发展带动整个以石油为原料的石油化工行业的快速发展1，2。乙烯装置中的冷箱系统是低温分离单元的核心之一，冷箱操作水平的高低会严重影响乙烯产品的质量和回收率。乙烯冷箱由多组板翅式换热器、分离罐及连接管路等组成，并用一个钢制保温箱中包装起来，工作温度范围为17040。乙烯冷箱通过制冷剂的蒸发相变来降低烃类物流的温度，实现低温回收 C2H4，提高C2H4回收率，降低 CH4/H2浓度比，提浓 H2的目的36。冷箱发生堵塞后会引起被堵塞通道的子设备压差增大，从而导致冷箱流量下降，换热效果变差，冷箱和脱甲烷塔的温度升高，氢气纯度下降，乙烯损失增大7，8。严重时会造成裂解气中断，导致低温分离流程全面停车，裂解系统降量减产，产生极大的损失，影响乙烯装置长周期安全稳定运行。目前，国内外有不少乙烯装置都发生过冷箱堵塞问题，引起冷箱堵塞的原因也不尽相同，基本可以归纳为:冻堵类、聚合堵塞、粉末堵塞及混合堵塞7，8。本文以某石化公司乙烯装置为例，介绍了该装置在运行末期及大检修后，3#冷箱裂解气流道发生堵塞，造成压差升高，流通能力降低的情况。冷箱堵塞造成裂解气压缩机出口压力升高放火炬，严重制约乙烯装置高负荷稳定运行。根据乙烯装置冷箱入口过滤器及干燥器等设备实际运行工况，系统性分析了冷箱裂解气流道堵塞的原因，提出了冷箱堵塞的解决措施，以期为国内乙烯装置的同类问题提供借鉴参考。1冷箱运行状况11冷箱工艺流程某乙烯装置 3#冷箱裂解气侧工艺流程如图 1所示。来自干燥器的裂解气经出料过滤器 FD-201进入三元冷箱，连续经过乙烯精馏塔再沸器 EA-2403A、乙烯精馏塔中沸器 EA-2404A、三元冷剂激冷器 EA-821、脱甲烷塔再沸器 EA-2317、三元冷剂激冷器 EA-822、脱甲烷塔中沸器 EA-2319、三元冷2023 年第 23 卷 2 期事故分析与预防SAFETY HEALTH ENVIONMENT17剂激冷器 EA-823。裂解气在 EA-823 中被冷至72，进入脱甲烷塔第一进料罐 FA-304C 进行气液分离。来自 FA-304C 的液相进入脱甲烷塔进料换热器 EA-331C(在三元冷箱中)，作为脱甲烷塔的第三和第四股进料。来自 FA-304C 的气相被送往三元冷剂激冷器EA-824，冷至99，进入脱甲烷塔第二进料罐FA-305C，进行气液分离。来自 FA-305C 的液相作为脱甲烷塔的第二股进料。来自 FA-305C 的气相被送往三元冷剂激冷器 EA-825，冷至130，进入脱甲烷塔第三进料罐 FA-306C，进行气液分离，液相在液位控制下作为第一股进料进入脱甲烷塔。从 FA-306C 上部出来的气相主要是氢气和甲烷，不含有大量应回收的乙烯，进入尾气换热器 EA-826，被冷却至167，然后进入氢气甲烷分离罐 FA-308C。FA-308C 气相是高纯度的氢气产品，液相(主要是甲烷)节流降压提供所需的冷量。图 1某乙烯装置 3#冷箱裂解气侧工艺流程12冷箱运行情况及堵塞位置自 2021 年 1 月开始，3#冷箱气液分离罐FA304C 液位持续升高，外送量无法达到正常值。经检 查 确 认，FA304C 底 部 液 相 出 料 换 热 器EA331C 高/低压侧压差偏高，推测 EA331C 翅片内部出现堵塞。为控制 FA304C 液位，逐步开大EA331C 高/低压侧旁路。虽 FA304C 液位可控，但造成 EA331C 换热效果变差，脱甲烷塔顶温上升，塔顶乙烯损失增大。2021 年 5 月，3#冷箱进料量开始出现波动，波动范围大约为2020 km3/h，并且无法达到满负荷 120 km3/h 正常运行。这种情况一直持续至大检修前。大检修后，3#冷箱进料量自 2021 年 11 月 4 日开始呈逐渐下降趋势，且裂解气压缩机五段出口压力升高，因此，裂解炉被迫降低投油量。2021 年11 月 21 日，3#冷箱运行状况恶化，进料量呈现持续下降趋势，采取多种措施调整后，仍无法缓解。2021 年 12 月，分别对 3#冷箱各段压差进行了2 次测量，3#冷箱裂解气流程各段压差如表 1 所示。由表 1 分析 3#冷箱各段压差发现，堵塞位置主要位于 EA823 处。表 13#冷箱裂解气流程各段压差kPa位置压差测量值 1压差测量值 2EA2403A10080EA2404A3530EA8212010EA23178040EA8222040EA23193020EA823550480FA308C20202冷箱堵塞原因探析对换热器 EA331C 进行切除、升温处理，检查高/低压侧过滤网，发现过滤网内附着大量粒径极小的黑色粉末，过滤网堵塞严重，换热器 EA331C过滤网堵塞情况如图 2 所示。朱宏林，等乙烯装置冷箱堵塞原因分析及应对措施安全、健康环境事故分析与预防2023 年第 23 卷第 2 期SAFETY HEALTH ENVIONMENT18图 2换热器 EA331C 过滤网堵塞情况对 3#冷箱入口过滤器 FD201 进行检查，发现内部滤网表面同样覆盖一层黑色粉末，由于滤芯间隙较大，未发现堵塞现象，FD201 过滤器无法过滤此类黑色粉末，FD201 过滤器内部情况如图 3 所示。图 33#冷箱入口过滤器内部情况对 3#冷箱换热器 EA821、EA822、EA823 等进行多次升压吹扫处理，吹扫出大量黑色粉末。对裂解气干燥器内部进行检查，发现干燥器底部(裂解气出口)同样附着一层黑色粉末。将裂解气干燥器中的干燥剂卸出，卸出的干燥剂上层粉化情况明显，下层大部分干燥剂呈黑色，并且夹杂较多黑色粉末。裂解气干燥器卸出的上层、下层干燥剂状况如图 4 所示。因此，推断冷箱中此类黑色粉末的生成源头可能为裂解气干燥器。图 4裂解气干燥器上层、下层卸出干燥剂状况2021 年 10 月2022 年 2 月，对裂解气干燥器出口物料持续进行全组成分析(体积分数)，表 2为裂解气干燥器出口全组成分析数据取平均值。由表 2 可知，裂解气干燥器出口气相组成平均值与设计值基本一致，且不含苯系物，因此排除裂解气中含有的苯系物、重烃堵塞的可能9。表 2裂解气干燥器出口气体组成%组成平均值设计值组成平均值设计值H21607168MAPD063042CH427052649C2H204805C2H6462729C4H813415C2H433163441C4H6142172C3H8120031CO007037C3H81076995苯类0C4H10024009利用 X 射线荧光光谱分析法(XF)对裂解气干燥器取出的黑色粉末进行分析(质量分数)，分析结果如表 3 所示，其主要成分为单质碳，同时含有少量的铁和铝的氧化物，进一步推断粉末中碳的产生过程和冷箱的堵塞原因如下:表 3黑色粉末 X 射线荧光光谱组成分析%组分样品 1样品 2组分样品 1样品 2C92735 994013 9Mn0004 50023 7O6042 93141 0Zn0017 00000 9Fe0603 62260 4K0011 50009 9Al0497 80172 0Ni0002 7Si0016 20109 3Cu0001 9S0051 30059 9Na0056 8Ca0011 20101 2P0004 8Ti0004 80007 8V0005 6Cr0003 20028 22023 年第 23 卷 2 期事故分析与预防SAFETY HEALTH ENVIONMENT19a)根据近一个运行周期数据分析发现，上周期运行期间脱甲烷塔顶温度偏高，塔顶乙烯损失较大，较正常控制指标高 310 倍，导致再生用高压甲烷中夹带有一定量的乙烯。裂解气干燥器中的干燥剂再生时，高压甲烷中夹带的乙烯经超高压蒸汽加热器后，结焦形成碳粉，并随再生气进入裂解气干燥器底部和分子筛间隙积聚10。干燥器再生完成投用时，积聚在干燥器底部和分子筛间隙中的碳粉随裂解气带入后系统，在冷箱系统内间隙较小的翅片内部或孔径较小的换热器滤网上逐渐积聚，导致冷箱流道或换热器滤网堵塞。b)检查中发现干燥器裂解气侧阀门存在内漏的情况，裂解气干燥器中的干燥剂再生时，裂解气内漏进入干燥剂床层，在高温再生气(250)的加热下，裂解气中含有的乙烯、乙炔等与氢气和CO 发生羰基聚合反应11，结焦成微细碳粉附着在干燥器内壁和底部干燥剂表面，干燥器再生完成投用时，结焦形成的微细碳粉随裂解气进入冷箱系统，导致冷箱流道或换热器滤网堵塞。c)其他原因也可能导致冷箱堵塞。如管道中脱落的铁屑、干燥器中的分子筛干燥剂(主要成分为三氧化二铝)粉化，部分铁屑以及干燥剂粉尘被裂解气带入冷箱，导致冷箱流道或换热器滤网堵塞12，13。同时，由于干燥剂粉化导致干燥效果变差，裂解气中残余部分水分，水分与烃类在冷箱中形成水合物结晶，逐渐累积堵塞冷箱流道14。3冷箱堵塞处置措施31冷箱 EA823 增加裂解气跨线对 3#冷箱进行停工，倒空置换后，EA823 冷箱增加裂解气跨线，流程如图 5 所示，恢复冷箱开车后，通过调整 EA823 冷箱的裂解气跨线控制冷箱进料负荷，冷箱进料量在 90110 km3/h 波动。运行期间，通过对冷箱 EA823 压差进行持续检测，根据压差变化调整裂解气跨线阀门开度，维持 3#冷箱运转。32冷箱流道升压吹扫对 3#冷箱换热器 EA331C、EA821、EA822、EA823 等使用热氮气多次进行升温干燥和升压吹扫，换热器翅片流道内吹扫出较多黑色碳粉。33裂解气干燥器干燥剂更换裂解气干燥器内部碳粉较多，在干燥器投用后，碳粉随裂解气流程进入冷箱，造成冷箱流道堵塞。更换裂解气干燥器中的干燥剂，并对干燥器底部积累碳粉进行清理。图 5EA823 跨线流程34干燥器裂解气侧增加泄压流程利用裂解气干燥器出口两道阀门之间的倒淋，增加内漏裂解气返回裂解气压缩机一段吸入罐流程，再生期间打通此流程，防止干燥器再生时因出口阀门内漏，裂解气进入干燥器干燥剂床层结焦生碳。同时更换裂解气出口一道阀门，防止或减少干燥器再生时裂解气内漏进入干燥剂床层，解决裂解气干燥器阀门内漏的问题。35冷箱流道甲醇清洗2021 年 12 月，3#冷箱停车，对 EA823 进行甲醇清洗。此次处理将 FA304C 罐作为气源储罐，FA304C 容积 26.9 m3，对 EA823 进行正向升压吹扫，升压压力设定 0.2 MPa，吹扫流程如图 6 所示。甲醇清洗模块出口与 EA823 入口相连，将EA823 出口弯头拆除，接现场甲醇清洗模块入口流程，进行正/反向循环清洗，甲醇清洗流程如图 7所示。换热器 EA823 升压吹扫与甲醇清洗交替进行3 次，第 1 次升压有明显碳粉出现，甲醇清洗时洗出大量碳粉;第 2 次升压时仍有碳粉出现，但甲醇清洗时已基本无碳粉洗出;第 3 次升压和清洗循环均无可见碳粉，循环清洗的甲醇清澈无色，换热器EA823 清洗前后甲醇回流口颜色对比如图 8 所示。36提高过滤器过滤精度在对换热器 EA331C 处理期间，将高、低压侧过滤网由 60 目更换为 100 目;同时利用乙烯装置短停消缺时期，将 3#冷箱入口过滤器更换为高精度的 80m 滤芯，提高过滤网对碳粉的拦截能力，通过后期检查，3#冷箱过滤器出口处的碳粉较入口处明显减少，更换的高目数滤芯拦截碳粉效果明显。朱宏林，等乙烯装置冷箱堵塞原因分析及应对措施安全、健康环境事故分析与预防2023 年第 23 卷第 2 期SAFETY HEALTH ENVIONMENT20图 6换热器 EA823 升压吹扫流程图 7换热器 EA823 甲醇清洗流程图 8换热器 EA823 清洗前后甲醇回流口颜色对比4冷箱处置效果乙烯装置短停消缺，通过以上措施对 3#冷箱进行处理，装置开工后，在同等负荷下，3#冷箱换热器 EA823 压差有了显著的降低，3#冷箱进料量波动范围由 12 km3/h 降至 4.5 km3/h，EA823 出口裂解气温度稳定，接近设计值，处置前后 3#冷箱运行状况对比如表 4 所示。表 4处置前后 3#冷箱运行状况对比项目处理前处理后设计值3#冷箱进料量/(km3h1)10357111595510763211201790110EA-823 压差/MPa00903015420039600431002EA-823 出口温度/652971057122715672乙烯装置消缺开工至今，高负荷下冷箱入口过滤器 FD201 压差稳定在 15 kPa，换热器 EA823压差在 30 kPa 左右，均未出现上涨趋势，冷箱各换热器换热效果良好，各温度点接近设计值，脱甲烷塔顶温稳定在130.5 以下，塔顶乙烯损失约0.01%，满足工艺要求，3#冷箱系统运行稳定。2023 年第 23 卷 2 期事故分析与预防SAFETY HEALTH ENVIONMENT215结论乙烯装置冷箱运行过程出现堵塞现象，冷箱堵塞的原因主要有:干燥器再生高压甲烷中夹带的乙烯在干燥器中发生反应，结焦生碳;干燥器再生时，干燥器裂解气侧阀门内漏，裂解气中含有的乙烯、乙炔等与氢气和 CO 发生羰基聚合反应，结焦成微细碳粉;干燥器中的分子筛干燥剂粉化，干燥剂粉尘被裂解气带入冷箱;裂解气中的水分与烃类在冷箱中形成的水合物结晶。对冷箱进行定期升压吹扫，对堵塞部位进行吹扫和甲醇清洗处置，可有效解决冷箱堵塞问题。对冷箱过滤设备更高精度的过滤网或过滤芯，可有效提高过滤网或滤芯对微细碳粉的拦截能力，降低冷箱发生堵塞的概率。6参考文献 1 石俊学 吉林石化公司 70 万 t/a 乙烯装置先进控制技术及应用J 化工科技，2014，22(5):48-53 2 武东升，王玉芹，张亮亮，等 先进控制系统在乙烯裂解炉上的应用 J 计算机与应用化学，2017，34(9):729-734 3秦燕，阎振贵 百万吨级乙烯冷箱的设计 J 深冷技术，2007(7):19-24 4 邬依婷，徐懿，杨薇，等 大型乙烯装置冷箱壳体制造工艺研究 J 化工装备技术，2015，36(4):59-61 5 宋哲 浅谈大型乙烯装置冷箱的配管设计 J 石油化工设计，2014，31(2):49-51 6 袁程义 乙烯装置冷箱的配管设计J 石油化工设计，2022，39(2):41-45 7 孙勇 冷箱冻堵的原因及处理方法 J 乙烯工业，2006(3):28-30 8 杨春生 防止设备结垢延长乙烯装置运行周期 J 乙烯工业，2003(4):8-11 9 郭真 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runner in thecold box were analyzed systematically，and somemeasures were proposed to solve the clogging prob-lem，such as replacing the filter screen at the inlet ofthe cold box，cleaning the flow passage of the coldbox with methanol，and boosting the pressure afterthe shutdown and heating upKey words:ethylene plant;cooling box;blockage;heat exchanger;stable operation朱宏林，等乙烯装置冷箱堵塞原因分析及应对措施