论硫回收装置管道设计和选材

2022-09-10

随着国际石油价格的不断攀升, 甲醇制烯烃 (MTO/MTP) 项目逐渐浮出水面, 并成为各国为解决化工原料和能源短缺的希望所在。中国的能源结构是“富煤、缺油、少气”, 石油资源短缺已成为中国烯烃工业发展的主要瓶颈之一。硫回收装置作为MTP领域发展的关键性装置, 对于烯烃工业的发展具有重大的意义。而对于硫回收装置来说, 只有做好管道的设计与选材, 才能更好的发挥这一装置的作用。笔者作为曾参与到神华宁煤集团硫回收装置工作中的一员, 将在本文对硫回收装置的管道设计与选材进行分析与研究。

一、对尾气进行硫回收时的管道设计与选材分析

1. 腐蚀环境

尾气主要来自硫的冷凝冷却器, 其主要成分为硫化氢、二氧化硫、水, 而当对尾气进行加热处理后, 尾气中的氢气会与二氧化硫发生反应生成大量的硫化氢气体。该管道中的环境温度大致在一百七十摄氏度左右, 在经过冷凝处理后, 会形成相应的湿硫化氢腐蚀环境。

2. 选材原则

(1) 进入加氢反应器之前

在尾气进入到加氢反应器中之前, 其主要的成分为氢气与硫化氢, 管道温度在三百摄氏度左右, 主要为高温氢与硫化氢相结合的腐蚀环境, 在对管材进行选择时需要对硫化氢含量、氢气的分压情况等进行综合考量之后再进行最终的决定[1]。通常情况下, 人们往往采用不锈钢作为该部分的管道材料。

(2) 进行加氢反应之后

当对尾气进行加氢反应之后, 管道内的氢气含量会大大减少, 而硫化氢的浓度则会增强, 并且由于管道内的环境温度高于三百摄氏度, 为了节省能源, 人们会利用这一热源对混氢之前的尾气进行加热。而在这一过程完成后管道内的温度会大幅下降, 下降至二百摄氏度左右。该阶段内的腐蚀环境为高温氢与硫化氢联合腐蚀。该阶段的硫回收装置管材主要选择为不锈钢。

(3) 塔顶管道的选材

塔顶尾气管道主要包括的是从极冷塔顶到尾气焚烧炉之间的管道部分, 该部分管道内的尾气成分主要为硫化氢、二氧化硫、二氧化碳、水、氨气和一氧化碳等。温度主要为四十摄氏度左右。该部分的管道材料主要应选择加大腐蚀裕量后的碳钢材, 并且需要在焊接之后进行热处理。

二、对酸性气进行硫回收时的管道设计与选材分析

1. 腐蚀环境

硫回收装置中的分液罐与燃烧炉中大量存在的酸性气的主要化学成分为硫化氢、二氧化碳、水、氨气, 其中硫化氢的成分大约占所有成分的七成左右。而该环境中的温度大约在五十摄氏度到一百六十摄氏度之间。酸性气大量存在的管道中主要的腐蚀因素是湿硫化氢腐蚀。在这种环境下, 硫化氢中的腐蚀因子会逐渐深入到金属管道内部, 当一定的应力作用形成时, 可能会引起碳钢管材的腐蚀开裂, 从而引发相应的化工生产事故。而常见的腐蚀开裂情况主要包括三种, 即硫化物应力腐蚀开裂、氢致开裂与应力导向氢致开裂这三种形式[2]。

2. 选材原则

在湿硫化氢环境下, 要十分注意对硫回收装置管材的选择, 通常情况下来说, 在此种情况下对硫回收装置的管材进行选择时应该在对工程师的设计经验与具体情况进行考虑的基础上, 严格的按照国家相关的化工生产选材标准条列来做。例如, 为了防止硫化物应力腐蚀开裂现象的发生, 应该选用那些具有较低强度的管道材料, 并且需要在焊接之后对其进行相应的热处理措施, 以最大限度的降低管道材料的应力。然而氢致开裂情况即使在管道材料无应力的情况下也有可能发生, 因此要十分注意对管道钢材料本身质量的鉴别与选择, 钢材料的质量越好, 氢致开裂发生的几率越低。一般来说, 16Mn (R-HIC) 型号的纯净钢是管道材料的最好选择。在管道焊接口处的热影响区域内, 应力导向氢致开裂情况发生的几率较高, 这是因为在这一区域内, 往往在焊接时由于不注意而使得杂物混进从而导致管道焊接处留有缺陷, 当温度升高时, 氢原子会发生集聚, 而由于氢原子集聚导致的横排细微裂纹会在垂直应力的作用下开裂。因此, 在对管道材料进行选择时不仅需要对钢材料的纯度进行挑选, 还需要对管道焊接的方式与焊后热处理的形式等进行选择, 以降低管道焊接口区域的应力, 最大限度的避免应力导向氢致开裂状况的发生。综上所述, 在对酸性气大量存在的管道材料进行选择时, 应尽量选择20R型号的钢材, 并且在焊接之后要相应的采取热处理措施。

三、对过程气进行硫回收时的管道设计与选材分析

1. 腐蚀环境

过程气中的主要成分为硫化氢、二氧化硫、二氧化碳、水、硫、氮气以及一氧化碳。这些气体主要存在于硫回收装置的掺合阀到冷却器之间的管道中。环境温度大约在一百七十摄氏度到四百摄氏度之间, 高温硫腐蚀情况较为明显。

2. 选材原则

在高温环境中, 管道中的硫或含硫化合物会形成硫化氢物质, 而硫化氢会与金属管道发生化学反应, 致使管道腐蚀老化。而决定硫化氢对金属物质腐蚀程度的主要有三种因素, 即硫化物的多少、环境温度情况以及管道金属的合金成分。而这在很大程度上为管道材料的防腐提供了条件。

通常来说, 在温度高于两百四十摄氏度时, 钢材料与合金钢材料的腐蚀性会随着温度的升高而不断加剧。而钢与合金钢材料表面的硫化物保护膜是决定其抗腐蚀性能的主要因素。而硫化物保护膜的形成往往是由金属材质的流动性能来决定的。在经过相关的一系列实验研究过后, 笔者发现, 当管道内温度低于二百四十摄氏度时, 选用碳钢或者加厚碳钢作为管道材料最为合适;而当管道内的温度高于二百四十摄氏度时, 选用不锈钢作为管道材料最佳。

四、对贫富液进行硫回收时的管道设计与选材分析

1. 腐蚀环境

富液中的主要成分为硫化氢、二氧化碳、水以及二甲基二乙醇胺。当温度较低时, 二甲基二乙醇胺对硫化氢物质产生有较强的吸附力, 对二氧化碳也会产生一定的吸附力, 而未被吸附的二氧化碳气体则会跟随硫回收管道进入到尾气焚烧装置中。由于吸收塔塔底的温度一般在四十摄氏度左右, 二氧化碳在被水稀释后, 不会对硫回收管道的碳钢产生较强的腐蚀[3]。

而在贫液中, 再生后的二甲基二乙醇胺在经过降温之后, 能够吸附已经与水相溶的少量硫化氢。而存在于管道中的大量硫化氢气体将会对硫回收装置管道产生较强的腐蚀性。

2. 选材原则

对富液进行硫回收的装置来说, 由于硫化氢主要存在于湿化环境中, 以此具有较强的腐蚀性, 再加上氨盐腐蚀, 进一步加重了管道的腐蚀程度, 因此在对其管道的材料进行选择时最好采用腐蚀裕量较大的碳钢作为其管道材料, 并且在安装时, 工作人员需要对碳钢管材进行焊后热处理。而对贫液来说, 进行焊后热处理的碳钢就十分合适, 能够有效的避免硫化物应力腐蚀开裂与应力导向氢致开裂情况的发生。

结束语

硫回收装置作为神华宁煤集团煤基烯烃合成气制丙烯项目中十分重要的装置, 对于该项目的顺利进行具有重要的作用和意义。而硫回收装置管道设计与选材作为决定硫回收装置质量的重要因素, 必须要给予高度的重视。笔者对硫回收装置的管道设计与选材进行了细致的分析, 希望能够进一步提高硫回收装置的质量水平, 促进神华宁煤集团煤基烯烃合成气制丙烯项目的成功。

摘要：国民经济的持续健康发展要求中国企业必须依托本国资源优势发展石化基础原料生产, 国际油价的节节攀升使MTP项目的经济性更具竞争力。神华宁煤集团看准了这一发展契机, 从2004年起与鲁奇公司在MTP领域开始了技术合作谈判, 2005年11月18日在宁夏宁东能源重化工基地奠基, 2006年7月最终与鲁奇公司签订了变换、低温甲醇洗、硫回收、甲醇和MTP专利技术引进合同。硫回收装置作为宁煤烯烃项目的核心装置, 对于神华宁煤基团烯烃项目的成功具有重大意义。笔者作为神话宁煤项目硫回收装置工作中的一员, 深切的知道管道设计与选材对于神华宁煤硫回收装置工作的重要性。为此, 笔者将对硫回收装置管道设计和选材这一论题进行分析与研究。

关键词：硫回收装置,管道设计,选材