非加氢酸性水汽提塔塔顶空冷器腐蚀改造对策

严科辉 朱元彪 姚 炳 黄卫存

(镇海石化工程股份有限公司，浙江 宁波 315042)

某炼厂200 t/h非加氢酸性水汽提装置处理的酸性水主要来源于常减压、延迟焦化、4 500 kt/a重油催化裂化、芳烃抽提、歧化、对二甲苯、轻烃回收、C3～C4分离等装置，酸性水中主要含有硫化氢和氨等成分。采用单塔低压汽提工艺，原料水经脱气、脱油、换热后进入汽提塔上部，汽提塔塔顶酸性气经空气冷却器(以下简称空冷器)冷却后，进入塔顶回流罐，酸性气送至硫磺回收装置，凝液返塔回流。2019年9月正式投用，2021年2月发现酸性水汽提塔塔顶空冷器腐蚀严重，管束泄露严重，影响装置安全运行。

1 汽提塔工艺流程

某炼厂非加氢酸性水汽提塔塔顶的酸性气(115～119 ℃、0.13 MPa)经空冷器冷却至90 ℃后进入回流罐，气液二相通过回流罐分离，液相经回流泵加压返回至汽提塔上部，含氨酸性气送至硫磺装置处理。工艺流程见图1。

图1 汽提塔酸性气空冷器冷却流程

2 腐蚀现状及原因分析

2.1 腐蚀现状

某炼厂非加氢酸性水汽提装置酸性气空冷器管束材质为316L，共4片空冷，于开车一年后发现酸性气空冷器管束出现泄露情况，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 腐蚀部位定位

装置对空冷器腐蚀部位进行了统计分析，结果见表1。

表1 空冷器泄露情况

从表1中可以看出：53根泄漏管束主要集中在第5排，且除6根是在管头胀焊部位腐蚀外，其他均在管束的中间段减薄穿孔。由于管束的翅片是采用外套铝管轧制而成，管束减薄穿孔后介质从铝翅片管两端漏出，通过内窥镜对6排管束进行了检查，发现半环形波纹状腐蚀减薄主要集中在下三排管束的出口端，其中第五排最为严重，第五排上半部半环波纹状腐蚀迹象明显，下半部液相浸泡部位腐蚀减薄少。

2.3 腐蚀部位温度

为了研究温度对腐蚀的影响，装置对空冷器外壁温度进行了测量，通过对数据的分析，发现管束外壁温度越低的部位，腐蚀越严重，两者间存在较高的对应性。

2.4 腐蚀原因分析

从泄漏管束的情况来看，腐蚀部位是均匀减薄，没有局部腐蚀坑，是冲刷腐蚀的宏观表现。硫化氢铵(NH4HS)的结晶温度一般在水的露点温度以下，汽提塔塔顶空冷器在目前操作条件下，水先于NH4HS冷凝，且第五、第六管程水量相对较大，NH4HS也开始大量溶解于水中。随着空冷器温度的降低，特别是一些局部冷态区(如两台风机的中间位置)，NH4HS结晶析出，造成液态水相携带NH4HS盐固体颗粒，进一步造成冲刷腐蚀。在距离管板出口端受塔顶气入口位置热辐射温度相对较高的影响，第五、第六管程结晶析出的NH4HS温度升高再次溶解在水中，腐蚀降低。

3 改造方案

3.1 低温热利用方案

3.1.1 工艺流程

汽提塔塔顶的酸性气(119 ℃、0.13 MPa)通过蒸汽发生器冷却至90 ℃，汽液二相通过回流罐分离，液相经过回流泵加压返回至汽提塔上部，含氨酸性气送至硫磺装置处理。蒸汽发生器产生0.047 MPa(绝对压力)、80 ℃蒸汽，然后用热泵机组(SER)3级升压至0.17 MPa、130 ℃蒸汽，再用热泵机组(SER)1级升压至0.4 MPa、160 ℃蒸汽，此蒸汽可作为汽提重沸器能源。具体流程见图2。

图2 低温热利用方案流程

3.1.2 改造可行性分析

(1)该炼厂非加氢酸性水汽提装置(200 t/h)核算结果如下：产蒸汽量14 t/h，一次增压(3级)用电量2 059 kWh，设备占地约9 m×4 m，仅低温热设备投资约1 100万元；二次增压(1级)用电量777 kWh，设备占地约3 m×4 m，需增加设备投资506万元。

(2)该方案产蒸汽量14 t/h，计算成标准能耗为-38.682 GJ/h；耗电2 836 kWh，计算成标准能耗30.884 GJ/h，合计节约能耗-7.402 GJ/h。

(3)该方案产蒸汽流量14 t/h，年经济效益约为1 764万元；新增设备耗电2 836 kWh，每年增加电费约1 668万元。两项合计经济效益每年约为96万元，但一次性增加投资1 606万元(仅低温热设备)。

(4)根据投资和产生效益数据对比，本方案虽然解决了空冷器腐蚀问题，但投资总额过高，经济效益低，不建议实施。

3.2 汽提塔塔顶内循环冷却方案

3.2.1 工艺流程

汽提塔上部的集液箱引出一股酸性水(95 ℃)，通过泵加压，再经过空冷器冷却至70 ℃左右，返回至汽提塔顶部，汽提塔顶部直接引出含氨酸性气(90 ℃)，经过缓冲罐后送至硫磺装置处理，具体流程见图3。

图3 汽提塔塔顶内循环冷却流程

3.2.2 与原工艺比较

(1)两种工艺流程的回流液及循环液的组成基本相同，如果腐蚀是由于相变引起，汽提塔塔顶内循环冷却流程可以有效解决腐蚀问题。

(2)回流液和循环液的流量相差很大。某炼厂非加氢酸性气塔塔顶回流液流量为20 t/h，如改为汽提塔塔顶内循环冷却流程，循环液流量为400 t/h，需要增加两台大功率的泵，用电消耗将大幅增加。

(3)酸性气和循环液的温差大。某炼厂非加氢酸性气塔塔顶酸性气温度由119 ℃降至90 ℃，改为汽提塔塔顶内循环冷却流程，导致循环液温度由95 ℃降至70 ℃，空冷器效率下降，空冷器传热面积严重不足(差约30%)。

3.2.3 改造实施可行性分析

(1)汽提塔的上部填料层、分布器、集液槽等内件需要更换。

(2)汽提塔的直径和高度保持不变，但是汽提塔的上下部需增加开口，塔采用复合板，改造不需要热处理，但循环液的腐蚀性强且温度下降，会对汽提塔上部内壁引起腐蚀(内壁材质为13Cr)。

(3)改造实施时，电气、仪表、配管、设备平面布置等方面都有一定难度。

3.3 酸性气与酸性水换热方案

3.3.1 改造方案

非加氢型汽提塔取消空冷器，增加原料水塔塔顶换热器，塔顶气通过与原料水换热到90 ℃后进入回流罐，解决空冷局部过冷段腐蚀严重问题，改造流程如图4。由于原料水换热后温度大幅度上升，导致原来塔底的净化水冷却不足，故原取消的酸性水空冷器其中两片原位利旧给净化水空冷器，以便于保证净化水的温度。

图4 酸性气与酸性水换热方案流程

3.3.2 换热器

新增塔顶气原料水换热器,型号为BJU1400-2.5-840-6/19-4I，两台并联，具体参数见表2。

表2 换热器参数

3.3.3 换热器管束管壁温度分析

根据换热器计算软件分析结果，管束外壁温度最低为58.21 ℃，酸性气在此温度下可以有效地防止NH4HS结晶，从而减少管束腐蚀的发生。

3.3.4 改造可行性分析

(1)此流程利用了塔顶酸性气的低温热来加热进塔的酸性水，达到回收部分热量的目的，从而降低装置的能耗。酸性气与酸性水采用U形管换热器，介质通过并流的方式，可以防止管束出现过冷的情况；酸性气走壳程，介质从上往下流，冷却过程可以避免管束出现干湿界面，防止引起管束局部腐蚀；如果设备出现管束腐蚀情况，其危险性较小；酸性水进出换热器设跨线和温控流程，操作灵活性大。

(2)此改造方案增加设备、管线、仪表等投资约250万元，总投资约400万元，投资相对较少，每年节约用电产生效益约为40万元，每年节约重沸器蒸汽效益约15万元。

4 结语

针对非加氢汽提塔塔顶空气冷却器在目前操作条件下因NH4HS大量溶解于水中，随着空冷器温度的降低，特别是一些局部冷态区由于随着NH4HS结晶析出，并随着高速气相的带动造成管束冲刷腐蚀的问题，建议采用酸性气与酸性水换热改造方案，不仅解决了酸性气空冷器管束的腐蚀问题，还利用了酸性气的低温热，增加了酸性水的入塔温度，从而降低装置能耗。