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煤油加氢原料油过滤器滤芯结垢原因分析及清洗再生
黄琦 中化泉州石化有限公司
摘要：针对煤油加氢装置原料油过滤器滤芯的结垢现象，通过对污垢成分及原料油性质分析，找到了滤芯结垢原因。采用除油清洗、转型除胶、除垢清洗和超声波清洗的清洗工艺可实现过滤器滤芯的清洗再生。清洗后滤芯表面光亮，孔隙清晰可见，压降检测与新滤芯基本一致。
关键词：煤油加氢 原料油 滤芯 结垢 清洗再生
1、前言
原料油过滤器是煤油加氢装置的重要设备，主要去除原料油中所含的颗粒状沉积物、机械杂质等。如果过滤处理不干净，这些杂质进入装置后会使换热器或其它设备发生结垢或堵塞，增加设备的压力降及降低换热器的换热效果；机械杂质的存在大大影响各机泵机械密封的运转寿命；进入加氢反应器内，使催化剂污染、中毒、降低活性，致使催化剂床层压差上升，进而影响催化剂的使用寿命和装置的运行周期[1～3]。
某公司1200 万吨/年炼油项目煤油加氢精制装置采用抚顺石油化工研究院(FRIPP)工艺包，规模为 140 万吨/年。该装置以科威特原油直馏航煤馏分为原料，经过加氢脱硫、脱氮，生产精制航煤产品，同时副产少量酸性气。装置主要由反应部分、产品分馏部分及公用工程设施组成，反应部分包括新鲜原料油的预处理、补充氢和循环氢系统、反应加热炉、高压换热(加热)与冷却、加氢精制反应、气液分离等；产品分馏部分包括低压换热(加热)与冷却、产品分馏塔、分馏塔底重沸炉等部分组成。
装置反应部分采用炉前混氢、冷低分流程；分馏部分采用带塔底重沸炉的单塔汽提流程，酸性气组分在分馏塔顶分出，塔底为优质航煤产品。所用的主催化剂为 FH-40B催化剂，采用DMDS进行预硫化处理；催化剂再生采用器外再生的方式。
装置采用两台原料油过滤器，其规格型号DN1000×4636，每台有199根滤芯，滤芯规格为Ф40×1550，材质304，过滤精度>25μm的颗粒去除率不小于98%。运行压差控制在140～160kpa，当压差达到180kpa时采用蒸汽进行反冲洗。投用初期，原料油中杂质去除效果明显，保障了加氢装置的稳定、安全运行。为了提高经济效益，公司逐渐掺炼了加氢裂化煤油、储罐杂油以增产煤油。运行中出现了问题：（1）过滤器的进出口压差上升较快，两台过滤器频繁切换，单台运行周期缩短；（2）反冲洗频率增加，影响装置正常运行。
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为了保障装置的长周期稳定运行，检修期间拆开过滤器滤芯，对污垢进行分析，查找滤芯结垢原因，并对滤芯进行清洗再生。
2、滤芯结垢原因分析
2.1 污垢组成分析
检修期间，打开原料油过滤器，发现滤芯外壁有大量黑色沉积物。采集黑色污垢样品，对其进行灼烧失重试验、元素分析试验，结果如表1、表2所示。
表1 污垢灼烧失重分析结果
样品名称 | 450℃失重(%) | 1000℃失重(%) |
滤芯污垢 | 45.48 | 63.20 |
表2 污垢元素分析结果（%）
样品名称 | C | S | Cr | Zn | Ni | Fe | SiO2 | Mn | Mg | Al |
滤芯污垢 | 20.5 | 18.4 | 0.03 | 0.22 | 0.08 | 19.4 | 0.19 | 0.31 | 0.35 | 0.13 |
由表1可知，滤芯污垢450℃灼烧失重约45%，1000℃灼烧失量63%以上，说明污垢主要由有机物和无机物组成，有机物含量略高于无机物含量，无机组分约占37％。从表2看出，污垢中有机成分主要为C、S，无机成分主要为Fe，另外含有少量Mn、Zn、Mg、Al、Si等元素。由此判断，污垢中有机物组分来源于原料油中的重组分、胶质等，而无机组分为Fe、O、S的化合物，如Fe2O3、FeS、FeS2等形式，来源于H2S腐蚀产物、催化剂粉尘、铁锈等。
2.2 各原料油性质分析
由于采用常减压直溜煤油、加氢裂化煤油、储罐杂油为原料油，于是对各原料油进行组分分析，如表3所示。
表3 原料油分析结果
分析项目 | 直溜煤油 | 加氢裂化煤油 | 储罐杂油 | 混合煤油 |
溜程/℃ | 初馏点 | 137.2 | 148.3 | 143.1 | 140.5 |
50% | 196.2 | 201.5 | 208.7 | 202.4 |
终馏点 | 243.4 | 251.4 | 260.8 | 253.3 |
外观 | 略浑浊 | 浑浊 | 浑浊 | 浑浊 |
黏度/（mm2·s-1） | 1.434 | 1.521 | 1.593 | 1.522 |
密度（20℃）/（Kg·m-3） | 784.7 | 805.7 | 811.2 | 804.6 |
w（芳烃）/% | 14.2 | 15.1 | 15.9 | 15.0 |
w（硫）/% | 0.074 | 0.083 | 0.089 | 0.083 |
硫醇硫含量/（μg·g-1） | 0.007 | 0.007 | 0.007 | 0.007 |
碱氮含量/（mg·Kg-1） | 6 | 5 | 5 | 6 |
酸值/（mgKOH·g-1） | 0.010 | 0.015 | 0.018 | 0.015 |
闪点/℃ | 42 | 45 | 45 | 43 |
冰点/℃ | -53 | -48 | -47 | -50 |
从表3看出：
（1）储罐杂油的溜程温度高于加氢裂化煤油，直溜煤油的最小。油品溜程中的初馏点、50%、终馏点温度越高，表明其含有重组分或分子量较大组分的含量较高，这些组分造成了煤油的密度、黏度偏高。
（2）储罐杂油和加氢裂化煤油的硫含量高于直溜煤油，说明其对设备、管线的腐蚀性强，易生成FeS等腐蚀产物。
（3）储罐杂油和加氢裂化煤油的酸值高于直溜煤油，说明其环烷酸组分含量较高。
（4）储罐杂油、加氢裂化煤油的外观浑浊，说明含有部分不溶物。
储罐杂油、加氢裂化煤油和直溜煤油混合后，原料油的分析指标处于工艺卡边上限位置，给后续工艺带来不确定因素。
2.3 结垢原因分析
分别采取储罐杂油、加氢裂化煤油、直溜煤油三种样品，进行自然沉降试验和25μm过滤试验，结果如表4所示。
表4 沉降和过滤试验结果
油品类型 | 实验现象 |
静置24h | 过滤试验 |
直溜煤油 | 无沉积物，颜色基本不变 | 无滤渣 |
加氢裂化煤油 | 少量沉积物，粉末、絮体混合物，颜色变深 | 极少量粉末 |
储罐杂油 | 少量沉积物，细颗粒、絮体混合物，颜色变深 | 极少量颗粒、絮体 |
混合煤油 | 少量沉积物，细颗粒、絮体混合物，颜色变深 | 极少量颗粒、絮体 |
从表4看出，静置沉降24h后，加氢裂化煤油、储罐杂油均有少量沉积物析出，而直溜煤油无沉积物，说明加氢裂化煤油、储罐杂油中含有细小粉末状和颗粒状杂质。由于其外观呈浑浊，细小粉末状和颗粒状杂质肉眼不能看见。25μm过滤试验进一步表明，加氢裂化煤油、储罐杂油中细小粉末状和颗粒状杂质的存在。还可以看出，静置沉降24h后，加氢裂化煤油、储罐杂油的颜色变深，其原因是硫醇、环烷酸、活性氮化合物、不饱和烃等组分不安定引起变色，而直溜煤油不变色与这些不安定组分含量低有关。
通过对污垢组分、原料油性质分析和相关实验研究，认为过滤器滤芯结垢的主要原因有以下几个方面：
（1）加氢裂化煤油、储罐杂油中含有少量的细小颗粒、机械杂质等，其粒径大于25μm，大于原料油过滤器滤芯的孔径，使这些杂质沉积于滤芯的通道内，从而堵塞滤芯的过滤通道；
（2）滤芯外壁上污垢中含有约20%的氧化铁，而氧化铁主要来源于腐蚀产物，说明原料油中硫、环烷酸对设备、管线的腐蚀是引起结垢的又一原因。
（3）加氢裂化煤油、储罐杂油含有硫醇、环烷酸、含氮化合物、不饱和烃等不安定组分，易发生聚合、酯化等反应，从而生成絮状物，粘附于滤芯表面。这些絮状物与细颗粒、机械杂质、腐蚀产物等杂质相互作用，形成结构致密、粘附性强的混合污垢，造成滤芯滤孔堵塞，运行压降升高。
3、清洗再生
原料油过滤器滤芯结垢后，通常采用蒸汽反冲洗、氮气反冲洗、溶剂反冲洗、走跨线等方式[4]。蒸汽反冲洗只能对污垢进行少量冲洗，不能完全冲洗干净。且随着自动反冲洗频率增加，滤芯在不断变化的压力作用下，各滤网层间会产生细微的变形，部分固体颗粒被嵌附在滤网层间，无法随着反冲洗液排出过滤器,进而堵塞滤芯孔隙,导致过滤面积不断减少。溶剂反冲洗对污垢有较好的溶解能力，可去除大部分污垢，但也存在反冲洗废液量大和难处理的问题。
为保证装置的正常运行，对滤芯进行清洗再生是非常必要的[5～6]。针对滤芯表面上污垢特点，采用除油清洗、转型除胶、除垢清洗和超声波清洗相结合的清洗工艺，对原料油过滤器的滤芯有较好清洗效果。
3.1 清洗工艺及条件
（1）除油清洗
污垢主要成分为芳烃、环烷酸、粉末、机械杂质和腐蚀产物，相对密度大，黏度高，常温下不流动。清洗前，应先进行除油清洗，采用除油清洗剂对滤芯表面的污垢进行了软化、溶解，结果如5所示。
表5除油清洗效果
药剂名称 | 温度，℃ | 清洗时间，h | 效果 |
YX-103除油清洗剂 | 60 | 4 | 大量污垢溶解 |
60 | 8 | 管内壁存在少量污垢 |
60 | 12 | 污垢基本清除干净 |
从表5可以看出，控制清洗温度60℃，清洗12h，滤芯表面污垢基本清洗干净。
（2）转型除胶
除油清洗后，滤芯表面污垢中大部分油泥已清除干净，但污垢中的重组分、胶质由于发生了简单的聚合、酯化等反应，已无法直接溶解或软化在除油清洗剂中，考虑到过滤器操作温度、压降及原料油特点，再根据目测滤芯表面残余污垢未见碳化物等情况，采用除胶清洗剂YX-203对滤芯表面残余污垢进行了催化转型、溶胀剥离，并采用简易通水方式检测滤芯通透性。结果如6所示。
表6 转型除胶效果
序号 | 温度℃ | 时间h | 现象 | 通水试验水流量（ml/min） |
1 | 95 | 1 | 有黑色块状垢掉下来 | 有水渗出 |
2 | 95 | 2 | 有粘性胶质分散开 | 300～500 |
3 | 95 | 4 | 粘性胶质分散漂浮 | 500～1000 |
4 | 95 | 8 | 粘性胶质分散漂浮 | 500～1000 |
注：通水试验工艺控制：压力3kg/cm2，流量16.67L/min
从表6看出，在加入除胶清洗剂4h后，滤芯中的重组分、胶质基本被清理干净，简易通水试验已能达到一般的效果。剩余的主要是粉末污垢。
（3）除垢清洗
滤芯经过除油清洗、转型除胶后有机物已基本清除干净，残留的粉末污垢黏附在滤芯夹层中，仍堵塞滤芯孔隙。还需对粉末污垢进行除垢处理，进一步提高滤芯的清洁度。将滤芯放入YX-303除垢清洗剂中浸泡，除去粉末污垢，并采用简易通水方式检测滤芯通透性。结果如7所示。
表7 除垢清洗效果
序号 | 温度℃ | 时间h | 现象 | 通水试验水流量（ml/min） |
1 | 70 | 1 | 清洗液由无色至淡白色 | 1000-1500 |
2 | 70 | 2 | 清洗液呈乳白色 | 2000～3000 |
3 | 70 | 4 | 清洗液呈乳白色，有可见颗粒杂质 | 3000～5000 |
4 | 70 | 8 | 清洗液呈乳白色，有可见颗粒杂质 | 5000～8000 |
注：通水试验工艺控制：压力3kg/cm2，流量16.67L/min
从表7看出，在加入除垢清洗剂8h后，滤芯中的粉末污垢基本被清理干净，简易通水试验已能达到较好的效果。
（4）超声波清洗
滤芯通水量仍小于10L/min（波尔滤芯的技术标准），说明滤芯孔隙内还残留少量微颗粒不溶污垢。将过滤器滤芯放入加有清洗液的超声波清洗机槽内，利用超声波的“空化”效应，使滤芯孔隙内残留微颗粒不溶污垢疏松，从而被清洗液剥离干净。通过超声波清洗后，滤芯通水量达到10L/min，与新滤芯基本一致，说明污垢清洗完全。
3.2 清洗再生效果
（1）外观检查
用30倍放大镜检查过滤器滤芯内外，可看到滤芯表面洁净如新，可见金属本色、无损坏。
（2）通水性检测
清洗后对原料油过滤器的199支滤芯，随机抽样10支滤芯进行通水性检测，结果如表8所示。
表8 通水性检测结果
编号 | 通水量（L/min） | 编号 | 通水量（L/min） |
1 | 9.9 | 6 | 9.8 |
2 | 10.2 | 7 | 10.1 |
3 | 10 | 8 | 10.1 |
4 | 10 | 9 | 10.1 |
5 | 9.9 | 10 | 9.9 |
新滤芯 | 10.1 |
|
|
注：通水试验工艺控制：压力3kg/cm2，流量16.67/min
从表8看出，随机抽样滤芯的通水性检测结果与新管基本一致，说明清洗完全达到波尔公司技术要求。
（3）滤芯压降气相检测
为了准确检测单根滤芯清洗效果，随机抽样滤芯上精密气相检测工作站，进行压降气相检测，结果如表9所示。
表9 单根滤芯压降气相检测结果
序号 | 检测压力（MPa) | 流量(Nm3/h) | 压降(KPa) | 结论 |
1 | 0.6 | 35 | 9.8 | 合格 |
2 | 0.6 | 35 | 9.8 | 合格 |
3 | 0.6 | 35 | 9.1 | 合格 |
4 | 0.6 | 35 | 8.4 | 合格 |
5 | 0.6 | 35 | 8.8 | 合格 |
6 | 0.6 | 35 | 8.4 | 合格 |
7 | 0.6 | 35 | 8.5 | 合格 |
8 | 0.6 | 35 | 8.1 | 合格 |
9 | 0.6 | 35 | 9.1 | 合格 |
10 | 0.6 | 35 | 8.9 | 合格 |
新滤芯 | 0.6 | 35 | 8.4 |
|
注：0.6MPa压力下，折合空气流量为5.833m3/h。
从表9看出，随机抽样滤芯的精密气相检测结果与新滤芯压降差基本上不超过10%，说明清洗完全达到生产运行要求。（一般情况下：清洗工艺要求比较新、旧两滤芯压降的数值，当压降数值的平均差在15%以内时，可以认为清洗后的滤芯达到清洗要求）
（4）清洗后应用效果
原料油过滤器清洗后回装，进行连续6个月的跟踪分析。过滤器两端压差较为稳定，基本控制在140～160kpa内，反冲洗频率明显减少，说明清洗后过滤器恢复了使用性能，达到了使用要求。
4、过滤芯（网）清洗再生技术
4.1 清洗工艺步骤
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4.2 清洗技术特点
工艺：采用除油除焦、除垢、钝化、超声波清洗等技术
效果：清洗全过程对金属无腐蚀、无破坏。
效果：清洗后外观与新管相比较基本一致。
成本：清洗费用不超过新滤芯的三分之一。
检测：采用气相、液相检测手段。
4.3清洗效果对比
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5、结论
原料油中含油少量细颗粒、机械杂质、腐蚀产物等杂质，粒径大于25μm，堵塞滤芯孔隙。原料油中硫醇、环烷酸、含氮化合物、不饱和烃等不安定组分，发生聚合、酯化等反应生成絮状物，粘附于滤芯表面。正是这些杂质与絮状物相互作用，形成结构致密、粘附性强的混合污垢，大于过滤器滤芯的孔径，堵塞滤芯的过滤通道，从而引起滤芯结垢。
采用除油清洗、转型除胶、除垢清洗和超声波清洗相结合的清洗工艺可实现过滤器滤芯的清洗再生。清洗后滤芯表面光亮，孔隙清晰可见，简易通水性实验与新管基本一致，精密气相检测与新滤芯压降差基本上不超过10%。
参考文献
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