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今天上海快3开奖:淺析硫磺裝置尾氣換熱器內漏原因及對策

點擊:1248 日期:[ 2014-04-26 21:36:08 ]
                淺析硫磺裝置尾氣換熱器內漏原因及對策                     郝東來,劉文君,韓進林,馮 輝            (中油股份獨山子石化分公司,新疆 獨山子 833600)     摘 要:硫磺裝置是煉油化工中最重要的環保裝置之一,尾氣換熱器是硫磺裝置重要設備,工作條件苛刻,操作難度大,容易發生泄漏事件。筆者通過對硫磺尾氣換熱E-302內漏的現象及更換時的觀察,分析產生內漏的原因,并提出對策,對今后設備的操作及同類裝置設備選材均具有一定的參考價值。     關鍵詞:硫磺回收;尾氣換熱器;內漏;原因;對策     中國石油獨山子石化分公司硫磺回收裝置包括兩個生產裝置和一個生產單元,由10萬t/年氣體脫硫裝置、3 000 t/a硫磺回收裝置及硫磺回收尾氣處理單元三部分組成, 2002年12月建成, 2003年4月試車后,對裝置進行了消缺改造。2006年5月份,為配合煉廠加工進口哈薩克原油,硫磺回收裝置進行擴能改造,硫磺設計產量增加到4 000 t/a。     硫磺回收裝置尾氣換熱器E-302為尾氣單元重要設備[1],但從2003年4月裝置開工以來,尾氣換熱器E-302因管束內漏更換了2臺,嚴重影響了裝置安穩長運行,給公司帶來較大的經濟損失和區域環境污染。本文通過對2次尾氣換熱器內漏現象的分析,列舉出可能造成內漏的因素并提出對策,對今后裝置操作和同類裝置設備選材均具有一定的參考價值。     1·工藝流程簡述     獨石化公司硫磺回收裝置制硫單元采用Claus工藝的部分燃燒法,工藝技術成熟。硫磺回收尾氣處理單元采用SSR工藝,通過催化加氫和醇胺溶液吸收使硫磺回收尾氣達標排放。制硫單元工藝流程:來自污水汽提裝置和脫硫單元的全部酸性氣進入酸性氣分液罐(V-201)分液后,進入制硫爐(F-201)火嘴,根據制硫反應需氧量,通過比例調節嚴格控制進爐空氣量,在爐內約65% (mol/mol)的H2S進行高溫克勞斯反應轉化為硫,余下的HS中有1/3轉化為SO,燃燒時所需空氣由空氣鼓風機(J-201A/B)供給,制硫尾氣中H2S與SO2的比值控制在2:1,制硫爐(F-201)排出的高溫過程氣1 000~1 200℃,一小部分通過高溫摻合閥調節一、二級轉化器(R-201/202)的入口溫度,其余部分進入酸性氣廢熱鍋爐(F-202)冷卻至400℃,F-202殼程產生1. 0MPa(g)蒸汽自用,F-202出口的過程氣進入一級硫冷凝器(E-201)冷卻至170℃, E-201殼程產生0.     MPa蒸汽自用,在E-201管程出口,冷凝下來的液體硫磺與過程氣分離,自底部流出進入硫封罐(V-207);未冷凝的過程氣經高溫摻合閥調節至240℃進入一級轉化器(R-201),在催化劑作用下進行反應,過程氣中的H2S與SO2被催化劑轉化為元素硫。反應后的氣體進入二級硫冷凝器(E-202),過程氣溫度由300℃冷卻至160℃,E-202殼程產生0. 3MPa(g)蒸汽自用,在E-202管程出口,冷凝下來的液體硫磺與過程氣分離,自底部流出進入硫封罐(V-207);未冷凝的過程氣再經高溫摻合閥調節至225℃進入二級轉化器(R-202),過程氣在催化劑作用下繼續進行反應,反應后的氣體進入三級硫冷凝器(E-203),過程氣溫度由265℃冷卻至145℃; E-203殼程產生0. 13 MPa(g)乏汽,經乏汽冷凝冷卻器(E-204)冷卻至40℃去凝結水罐(V-004);在E-203管程出口,冷凝下來的液體硫磺與過程氣分離,自底部流出進入硫封罐(V-207),頂部出來的制硫尾氣進入尾氣處理部分?;閎肓蚍夤薜囊毫蜃粵鶻胍毫蜆?V-208),液硫用液硫泵(P-201A/B)送至硫磺造?;?MG-201),造粒、稱重、包裝后即為產品硫磺。其基本流程如圖1。                   尾氣處理單元工藝流程:從捕集器V-209出來的制硫過程氣經尾氣換熱器E-302(殼程),與尾氣焚燒爐F-301放空尾氣換熱至283℃,然后與從系統來的氫氣混合進加氫反應器R-201,尾氣在加氫反應器R-201床層上發生加氫反應溫度升至310℃,然后經過冷卻、吸收脫除尾氣中的硫化氫氣體,凈化尾氣進入尾氣焚燒爐F-301焚燒,經尾氣換熱器E-302(管程),然后經煙囪ST-201排放,圖2是尾氣加氫單元工藝流程圖。                   2·尾氣換熱器E-302內漏現象及判斷                   硫磺回收車間2次判斷硫磺尾氣換熱器E-302內漏。判斷依據如下:圖3為E-302管、殼程流程簡圖。從圖可以看出,E-302管程走F-301的煙氣,在正常生產,即尾氣加氫單元開時,E-302殼程走尾氣,也就是尾氣捕集器V-209來的尾氣經E-302加熱后至加氫反應器R-301。在尾氣加氫單元停工時,E-302殼程介質為?;た掌?即J-201來的空氣經E-302加熱后從朝天放放空,?;-302。     尾氣換熱器E-302開工后因管束內漏更換過2次: 2003年4月20日硫磺回收裝置建成后一次開工正常, 6月10日,發現煙囪間斷性冒黃煙, 6月20日因處理尾氣進焚燒爐管線堵塞問題,尾氣單元停工,E-302殼程用?;た掌斜;?發現?;た掌隹誄旆糯τ寫罅康那嘌堂俺?有嚴重的刺激性氣體,判斷為二氧化硫氣體,車間判斷是尾氣換熱器E-302內漏造成管程煙氣竄入殼程造成。車間一邊聯系制造廠按原樣制造,一邊制訂更換E-302計劃, 2003年7月裝置停工檢修,尾氣換熱器E-302原位更換完畢,開工正常。     E-302自2003年7月份更換以來,運行一直較好。2005年4月,硫磺裝置停工檢修,制硫單元開工后,尾氣加氫單元開工前,發現E-302投?;た掌?殼程出口朝天放有青煙,從氣味判斷為二氧化硫,車間初步判斷E-302出現內漏。但因尾氣加氫單元開工后,裝置轉入正常生產,對生產影響不大,所以沒有立即停工檢修。2005年9月,因重整加氫停工,氫氣中斷,尾氣加氫單元停工,E-302投?;た掌詡?殼程出口朝天又放有青煙,從氣味判斷為二氧化硫,并且當E-302殼程入口壓力越低,青煙越大,車間確認尾氣換熱器E-302出現內漏。從化驗分析也可以看出,在尾氣加氫單元開工時,F-301進口尾氣中總硫含量為100 mg/m3,但煙囪煙氣中,二氧化硫含量為248 mg/m3,可以確認為E-302內漏。2006年5月,硫磺裝置擴能改造, E-302再次進行原位更換。     3·E-302內漏原因分析     2003年6月,硫磺停工檢修,首次更換尾氣換熱器E-302,將舊換熱器拆下,發現換熱器兩端陶瓷套管大部分已經破損,端面密封膠泥有向外凸起跡象;打開殼程手孔,發現有大量的金屬粉末和熔融物,用強光自手孔照射觀察,發現材質為0Cr18Ni9不銹鋼管束部分已經熔斷,經設備技術人員鑒定, E-302整體報廢。     通過現場檢查分析,可以判斷此次換熱器內漏的主要原因是換熱器管束在高溫下熔化,導致尾氣與煙氣互串,在正常生產時尾氣壓力較高,煙囪冒黃煙;尾氣換熱器用空氣?;な?當焚燒爐爐膛壓力波動,則有煙氣串入尾氣換熱器殼程,導致?;た掌隹謨屑潿锨嘌堂俺?。具體數據見表1~表3。                     尾氣換熱器在硫磺回收裝置中具有特殊的地位,其工作環境惡劣,溫度、進出物料組分變化很大,接觸的介質含硫量高,硫化氫腐蝕、高溫硫腐蝕和晶間腐蝕均較為嚴重。0Cr18Ni9材質的管束具有良好的耐腐蝕性和耐熱性,但作為硫磺尾氣換熱器的換熱管,高溫抗蠕變性能差,在硫化氫氛圍下,抗晶間腐蝕能力差。晶間腐蝕是一種有選擇性的腐蝕破壞,在腐蝕介質作用下,奧氏體不銹鋼都有一定的晶間腐蝕傾向。其腐蝕的基本原理如下:奧氏體不銹鋼加熱到600~800℃溫度區發生敏化,過飽和固溶的碳向晶粒邊界擴散,與晶界附近的鉻結合形成鉻的碳化物(CrFe)23C6并在晶界沉淀析出,由于碳比鉻的擴散速度快的多,鉻來不及從晶內補充到晶界附近,因而晶界區貧鉻形成晶間腐蝕。硫磺尾氣換熱器E-302工作溫度為500~650℃,正好處于奧氏體不銹鋼敏化溫度區范圍內,很容易發生晶間腐蝕導致管束管壁變薄而被燒穿。本裝置尾氣換熱器使用的管束規格為Ф38×3. 5 mm,管壁較薄,在高溫含硫工況下極易發生管束穿孔現象。另外,即使再理想的合金鋼,也會不可避免的發生濕H2S電化腐蝕,只是腐蝕速度較慢,但是,當管子由于其他原因出現裂縫或點坑時,這種腐蝕的速度就會加大,具體反應式如下:                    有了這樣的誘發因素,就會發生SSCC(應力腐蝕開裂)現象??梢耘卸螮-302的第一次內漏就是在高溫硫化氫氛圍下發生的晶間腐蝕和應力腐蝕共同作用造成的。     2006年4月,硫磺擴能改造,E-302拆卸下來后,發現換熱器兩邊的耐溫膠泥與管束間的陶瓷管被拉裂,換熱器端面耐溫膠泥向外明顯凸起,陶瓷套管呈斷裂性界面,斷裂處顏色深褐色;打開殼程手孔,發現換熱器管束完好,有金屬光澤,換熱器管束基本完好。     通過對拆卸后換熱器的現場觀察和查閱相關資料,金屬的熱膨脹率一般為非金屬(耐熱澆注料)的3~10倍,當F-301非正常熄火后,爐膛溫度短時間驟然下降,金屬管束和相連的耐火澆注料均急劇收縮,因線性膨脹系數不同,抗拉強度不同,導致金屬與非金屬之間出現裂痕或斷面??梢耘卸銜財蝗繞鱁-302第二次內漏的主要原因是管束及襯里在熱膨脹狀態下遇冷,短時間內溫度梯度過大,導致陶瓷套管脆裂,金屬管束軸向收縮,將兩端的密封膠泥拉裂,造成管殼程連通而內漏。     4·E-302內漏對裝置產生的影響     4.1安全環保方面的影響     原有的尾氣加熱器E-302在2006年3月發現內漏,使得部分尾氣漏入煙囪煙氣。發現內漏后及時向廠部匯報,制做了新的換熱器, 2006年5月擴能改造期間,對E-302進行更換。更換后運行正常,保證了裝置長周期運行,同時也杜絕了部分尾氣竄入煙囪,降低了煙囪煙氣硫化物。表4為E-302更換前后煙囪煙氣二氧化硫含量監測結果。                    因車間無監測手段, 2006年3月未進行監測,可對比2004年5月20日裝置標定時的數據,煙囪煙氣二氧化硫含量最高達1 507 mg/m3,最低達1 258 mg/m3,不達標。裝置開工正常后,2006年8月5日標定時監測煙囪煙氣中硫化物含量只在550mg/m3,遠低于國標960 mg/m3,說明E-302內漏對區域環境污染影響明顯。E-302內漏進行原位更換,因無法切除設備,裝置被迫停工20多天,按照擴能前硫磺回收裝置處理能力3 000t/年計算,全廠在硫磺裝置檢修期間向大氣排放SO2的數量為:3 000÷365×25×2=411(t),超過400 t噸,潛在環境污染巨大。     4.2 經濟效益方面的影響     尾氣加熱器E-302的泄漏,部分尾氣通過E-302泄漏進煙氣中,一方面增加了煙氣中的硫化物含量,導致裝置煙氣指標不達標,同時也降低了硫的轉化率,增加了裝置檢維修費用。經測算,對E-302進行原位更換,需投資約25萬元, E-302自開工以來已經因內漏原因更換了2次,設備更換的直接經濟損失50萬元以上,且因設備更換造成裝置停工20多天,少回收硫磺約200 t,按照硫磺均價1 000元/t計算,直接經濟損失為200×1 000=20(萬元),潛在經濟損失更大。     5·對 策     5.1 改造流程     查閱相關資料,發現國內硫磺裝置尾氣換熱器內漏情況也是時有發生,參考同類裝置成功改造經驗,建議將尾氣換熱器進行旁置改造,如圖4。將尾氣換熱器從在線流程獨立出來后,因尾氣換熱器處于旁通位置,兩端自由,可最大限度的消除溫度急劇變化帶來的熱膨脹問題,減少金屬管束與非金屬襯里之間因膨脹率不同造成拉裂的現象。另外使得E-302檢修更方便自由,避免了檢修E-302必須全裝置停工的問題。                                 5.2 升級換熱管材質     選擇適合硫磺尾氣換熱器工況的換熱管材質,是減少或消除內漏的重要途徑。     0Cr18Ni9作為硫磺尾氣換熱器的換熱管,高溫抗蠕變性能差,抗晶間腐蝕能力差,存在一定的材質缺陷,建議更換為1Cr5Mo。     1Cr5Mo屬鐵素體耐熱鋼,在高溫狀態下它能夠保持化學穩定性(耐腐蝕、不氧化)、熱穩定性和強度。加入Mo元素可以提高該鋼的再結晶溫度和高溫抗蠕變性能,可用于管壁溫度400~600℃、管內介質溫度約500℃的工況。查閱相關資料,國內硫磺裝置尾氣換熱器管束也有使用1Cr5Mo的先例,并且故障率較少。2009年建成開工的獨石化新區煉油廠5萬t/a硫磺裝置尾氣加熱器管束材質亦采用1Cr5Mo,目前運行十分穩定。     5.3 嚴格執行工藝紀律,加強操作平穩     從兩次更換換熱器的原因來看,尾氣焚燒爐F-301操作波動大和誤操作也是導致尾氣換熱器內漏的原因之一,提高操作平穩性是?;ど璞傅鬧匾揪?。     在裝置開工后的2年中,尾氣焚燒爐F-301熄火次數為51次,熄火率達2. 1次/月。尾氣爐F-301熄火直接造成尾氣加氫單元停工,同時留下不安全隱患,影響裝置長周期運行。尾氣爐F-301熄火,造成尾氣換熱器E-302溫度急劇變化,金屬材料和非金屬襯里在短時間的膨脹收縮過程中出現不融合,造成接口開裂或襯里破壞等后果。     6·結 論     硫磺裝置尾氣換熱器內漏的原因是多方面的,工藝流程設計不合理、換熱器管束材質缺陷是導致尾氣換熱器內漏的主要因素。通過改造工藝流程、升級換熱器管束材質,可有效防止硫磺裝置尾氣換熱器內漏現象。     參考文獻     [1]刁玉瑋,王立業.化工設備機械基礎[M].大連:大連理工大學出版, 2000: 21-30.
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