石油化工裝置火炬系統(tǒng)堵塞風(fēng)險分析

石油化工裝置火炬系統(tǒng)堵塞風(fēng)險分析

酸性氣火炬筒體堵塞火炬系統(tǒng)用于處理交通事故中不能回收或再處理的燃料、天然氣和蒸汽。這是一種特殊的燃燒設(shè)備。管道的暢通程度與工廠的安全生產(chǎn)和污染物的釋放有關(guān)。而某石化企業(yè)酸性氣火炬系統(tǒng)于某一年12月底出現(xiàn)火炬總管壓力高，裝置排放后路不暢的問題，將酸性氣后路改至煉油火炬后，裝置排放后路暢通，初步判斷其堵塞發(fā)生在酸性氣水封罐后的管路上。經(jīng)過相關(guān)專業(yè)人員的進一步分析和排查最終確定其后路不暢的原因為酸性氣火炬筒體堵塞所致。隨后，經(jīng)過拆卸酸性氣火炬筒體檢修發(fā)現(xiàn)6節(jié)火炬筒體中的第4、5、6節(jié)筒體從底部向頂部均出現(xiàn)大量的白色結(jié)晶物，此外1臺火炬頭也被白色結(jié)晶物堵塞，初步判斷白色結(jié)晶物為銨鹽結(jié)晶，經(jīng)過處置后酸性氣火炬恢復(fù)正常。本文針對該現(xiàn)象分析了酸性氣火炬筒體內(nèi)結(jié)晶物形成的機理和過程，總結(jié)了結(jié)晶物堵塞筒體的處理經(jīng)驗，并提出了改進建議，以確保該石化企業(yè)相關(guān)生產(chǎn)裝置安全、環(huán)保地運行。1國內(nèi)外影響教學(xué)系統(tǒng)資源研究隨著高硫、高酸、含氯等劣質(zhì)原油的加工，諸多石化企業(yè)出現(xiàn)由于銨鹽結(jié)晶帶來的管道堵塞和腐蝕，已成為影響裝置長周期安全平穩(wěn)運行的重要因素。2結(jié)晶物形成單元該石化企業(yè)的酸性氣火炬系統(tǒng)主要接收汽電聯(lián)產(chǎn)、輕烴回收、新污水汽提、硫磺回收及溶劑再生裝置異常工況下排放的酸性氣。酸性氣主要由氨氣、硫化氫和二氧化碳等組成，其出裝置后匯集進入酸性氣總管，后經(jīng)火炬分液罐分液后再送至水封罐，然后排放至酸性氣火炬燃燒。酸性氣火炬系統(tǒng)出現(xiàn)不暢情況后，該石化企業(yè)相關(guān)負責(zé)部門安排對火炬筒體進行了拆卸檢修，在現(xiàn)場拆卸下的各節(jié)筒體和火炬頭內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量的結(jié)晶物堵塞了火炬筒體。取結(jié)晶物進行化驗分析，化驗結(jié)果表明該結(jié)晶物主要成分為銨鹽結(jié)晶物，組成為0.8%(wt)的硫化銨、0.9%(wt)的氯化銨、90%(wt)的碳酸氫銨。針對該結(jié)晶物的組成，接下來結(jié)合酸性氣火炬系統(tǒng)存在的化學(xué)、物料變化對銨鹽結(jié)晶物形成的機理、結(jié)晶量及其相關(guān)物料消耗的估算、反應(yīng)物的來源及結(jié)晶物對管路堵塞現(xiàn)象的過程分析等方面進行闡述。2.1氯化銨的合成酸性氣中含有氨氣、硫化氫和二氧化碳等多種物質(zhì)，酸性氣接觸液態(tài)水后，易發(fā)生反應(yīng)形成銨鹽溶液，其具體的反應(yīng)方程式如下：該反應(yīng)在常溫和常壓下為可逆反應(yīng)，即氨氣與水、過量的二氧化碳反應(yīng)后，可得碳酸氫銨，反應(yīng)按照反應(yīng)方程式(1)向右進行；當反應(yīng)體系的溫度高于36℃時，碳酸氫銨發(fā)生分解反應(yīng)，生成氨及二氧化碳，反應(yīng)按照反應(yīng)方程式(1)向左進行。若反應(yīng)物中存在氯化氫，則還可能存在下述反應(yīng)：該反應(yīng)在常壓下為可逆反應(yīng)，常溫下氨氣和氯化氫反應(yīng)，可得氯化銨，反應(yīng)按照反應(yīng)方程式(2)的方式向右進行；氯化銨受熱易分解，加熱后發(fā)生分解反應(yīng)，生成氨及氯化氫，反應(yīng)按照反應(yīng)方程式(2)的方式向左進行。此外，根據(jù)酸性氣中的成分還可能發(fā)生如下反應(yīng)：即常溫和常壓下，氨氣和硫化氫反應(yīng)生成硫化銨。上述反應(yīng)(1)和(2)在常壓常壓條件下在水溶液中進行時，生成的銨鹽均溶于水，反應(yīng)體系溫度的高低決定了反應(yīng)(1)和(2)進行的方向：溫度升高時，反應(yīng)(1)和(2)的化學(xué)平衡均向左進行，即化學(xué)平衡向生成的游離的氨氣、二氧化碳和氯氣方向移動，若氨氣、二氧化碳和氯氣在水相中游離的分子增多，其分子將從水相中逸出進入氣相；而溫度降低時，反應(yīng)(1)和(2)則反過來向右進行，即化學(xué)平衡向生成碳酸氫銨和氯化銨的方向移動，且隨著溫度降低，碳酸氫銨和硫氫化銨的溶解度降低，當溶液達到過飽和狀態(tài)，銨鹽則以結(jié)晶形式從溶液中析出。為防止溫度過低造成銨鹽的形成而引起管線的堵塞，酸性氣火炬的管線均設(shè)置了伴熱和保溫，熱源采用1.0MPa蒸汽雙伴熱的形式，并且每隔70m進行一次疏水，保證伴熱的效果。2.2銨鹽結(jié)晶量的計算根據(jù)現(xiàn)場銨鹽結(jié)晶的分布情況，測量其第4、5、6節(jié)頂部和底部的銨鹽結(jié)晶尺寸，假設(shè)銨鹽在筒體和火炬頭內(nèi)的銨鹽結(jié)晶的形狀為兩個內(nèi)部掏空圓錐體的圓柱體相對。于是，可以估算出每節(jié)筒體銨鹽結(jié)晶的體積，從而得到銨鹽結(jié)晶的總體積，如表1所示。由于銨鹽結(jié)晶中從水溶液析出晶體時，含有結(jié)晶水，根據(jù)化驗分析結(jié)果以及查詢相關(guān)物質(zhì)CAS號，可以得到結(jié)晶物組成及其物理性質(zhì)，如表2所示。由表2可知碳酸氫銨與氯化銨密度相近，而硫化銨和結(jié)晶水的密度數(shù)據(jù)無法查到，由表1和表2的數(shù)據(jù)推測結(jié)晶物主要組成為碳酸氫銨，其他組分所占比例較小。因此采用碳酸氫銨的密度作為結(jié)晶物的密度進行估算，估算結(jié)果如表3所示，即銨鹽結(jié)晶量約41.19噸。2.3生成銨鹽的反應(yīng)物消耗量根據(jù)反應(yīng)方程式(1)、(2)、(3)以及表3數(shù)據(jù)，可以計算得到生成銨鹽結(jié)晶至少需要消耗氨氣8.27噸、二氧化碳20.64噸、硫化氫0.16噸和氯化氫0.25噸。2.4污水中的酸性氣、二氧化碳和硫化氫經(jīng)過現(xiàn)場排查并由相關(guān)專業(yè)人員確認，酸性氣主要來源為廢水汽提裝置、低溫甲醇洗裝置和污水汽提裝置，其他裝置未發(fā)現(xiàn)有排放記錄。其中，廢水汽提裝置排放的酸性氣中含14.34%(wt)的氨氣、22.50%(wt)的二氧化碳和21.60%(wt)的水，低溫甲醇洗裝置排放的酸性氣中含50.10%(wt)的硫化氫和47.10%(wt)的二氧化碳，污水氣體裝置排放的酸性氣中含99.30%(wt)的硫化氫和0.70%(wt)的氨氣。檢查廢水汽提裝置的火炬排放記錄，以堵塞發(fā)生時年份為Y，從(Y-3)年10月至火炬堵塞時非正常工況下共排放了454.3噸酸性氣，其組成為287噸硫化氫、65.1噸氨氣和102.2噸二氧化碳，排放主要原因為酸性氣送硫磺回收的酸性氣管線穿孔泄露、硫磺回收裝置異常等，廢水汽提裝置排放記錄可以得知，11月份至3月份氣溫較低的季節(jié)，廢水汽提裝置可記錄的酸性氣排放量為302.2噸。檢查低溫甲醇洗裝置的火炬排放記錄，從(Y-3)年10月至火炬堵塞時非正常工況下共排放了1277噸酸性氣，其組成為677噸硫化氫、600噸二氧化碳，排放主要原因為低溫甲醇洗裝置檢修、硫磺回收裝置異常等，低溫甲醇洗裝置排放記錄可以得知看出，11月份至3月份氣溫較低的季節(jié)，低溫甲醇洗裝置可記錄的酸性氣排放量為440噸。污水汽提裝置脫水罐長期往火炬排閃蒸汽，流量約1.15噸/天，即從(Y-3)年10月至火炬堵塞時約排放超過1679噸閃蒸汽，其組成為1667.25噸硫化氫和11.75噸氨氣。于是，裝置排放的氨氣、二氧化碳和硫化氫的可記錄數(shù)量如表4所示。除上述有記錄可追溯的情況，如果裝置排放酸性氣火炬的泄放閥內(nèi)漏時，也會有酸性氣往火炬排放，例如(Y+1)年2月現(xiàn)場查漏時發(fā)現(xiàn)廢水汽提裝置酸性氣往火炬的調(diào)節(jié)閥旁路閥內(nèi)漏。2.5火炬筒體的溫度變化上述裝置排放的含氨氣、二氧化碳和硫化氫的酸性氣體到達酸性氣水封罐時，一部分溶于水封水后形成銨鹽，另一部分突破水封同時攜帶著水蒸氣進入火炬筒體。在氣溫較低的時候，由于火炬筒體無保溫伴熱，酸性氣從底部進入筒體上升到火炬頂部的過程中，溫度逐漸降低，酸性氣中的水蒸氣冷凝并附著在筒壁上形成凝結(jié)水滴。酸性氣中氨氣、二氧化碳和硫化氫溶于凝結(jié)水滴中，由于氨氣、二氧化碳和硫化氫的量明顯較水量大，不飽和銨鹽溶液逐漸飽和，由于碳酸酸性較硫化氫酸性強，而二氧化碳較氨氣過量且碳酸銨穩(wěn)定性較碳酸氫銨差3蒸汽加壓處理火炬筒體的工藝研究該石化企業(yè)于次年3月中旬開始安排對火炬筒體進行拆卸作業(yè)，于3月底完成全部6節(jié)筒體及火炬頭的拆卸及放落工作。由于碳酸氫銨結(jié)晶和溶液受熱均易分解，采用蒸汽加溫處理過程中有氨氣和硫化氫氣體逸散出，對人員健康、現(xiàn)場安全和環(huán)境保護造成影響，因此，在處理火炬筒體前，相關(guān)負責(zé)部門組織各個專業(yè)召開了專題協(xié)調(diào)會，制定了合理穩(wěn)妥的處理方案。隨后，依次對第4至6節(jié)火炬筒體及火炬頭進行處理，于4月初將全部筒體內(nèi)全部結(jié)晶物清理完畢并恢復(fù)投用酸性氣火炬。3.1排液口、排氣口制作兩個直徑750mm的盲蓋，安裝在每節(jié)筒體A、B兩端并將其封閉。A端設(shè)有排液口和排氣口。密閉水槽注入三分之二高度水槽的新鮮水，將排液管線浸沒在密閉水槽中，密閉水槽旁設(shè)置一臺隔膜泵用于抽水，隔膜的入口管線浸沒在密閉水槽底部，出口管線與含硫污水罐連接。排氣口管線連接至集水坑，并浸沒在水中。B端連接蒸汽、壓力指示儀和排液口。開始執(zhí)行作業(yè)前，需要提前聯(lián)系消防、氣防人員到現(xiàn)場監(jiān)護，并配備齊全的氣體分析報警儀。3.2污水罐的管道體密封處理過程按照以下步驟執(zhí)行：第一步，恒溫蒸煮：從B端緩慢通入蒸汽對筒體進行加熱。在給汽初期，稍微打開A端排氣口閥門進行排氣，當集水坑見到蒸汽排出后，立即關(guān)閉A端排氣閥。給蒸汽期間，需安排1人在B端監(jiān)控壓力表數(shù)值，并及時調(diào)整給汽閥開度，控制筒體壓力不超過0.4MPa，同時使用手持測溫槍，每小時檢測一次筒體溫度，控制筒體表面溫度在40℃至50℃范圍內(nèi)；第二步，氣液排空：保持筒體溫度在40℃至50℃范圍內(nèi)蒸煮2至3個小時后，關(guān)閉蒸汽閥停止給蒸汽，冷卻1小時，需要提高冷卻速度時，可以使用消防水對筒體表面進行噴淋降溫。筒體冷卻至常溫后，慢慢打開A端排氣閥，使其中的有害氣體通過自壓進入集水坑，由集水坑內(nèi)的水將其吸收。當筒體內(nèi)壓力不再下降后，關(guān)閉排氣閥，隨后打開A端排液閥將筒體內(nèi)存液相緩慢排出。排液過程中，需要特別關(guān)注氣體分析儀上有害氣體的濃度，若濃度超過報警值時應(yīng)立即關(guān)閉排液閥，然后開啟隔膜泵將接水槽中的污水輸送至含硫污水罐；第三步，檢查：打開A、B兩端盲蓋檢查筒體內(nèi)銨鹽結(jié)晶的情況，若無銨鹽結(jié)晶，則處理結(jié)束；假如仍有銨鹽結(jié)晶，則重復(fù)第一步和第二步的處理步驟，直至銨鹽結(jié)晶處理干凈。重復(fù)處理過程中，若含硫污水罐液位收滿，由內(nèi)操匯報公司調(diào)度后，遠程打開含硫污水泵將污水送往污水汽提裝置。若密閉水槽液位倒空，則需要關(guān)閉A端排液閥暫停排液，補充新鮮水至三分之二的高度后，才可繼續(xù)排液。4對酸性氣火炬筒體運行維護的建議銨鹽結(jié)晶堵塞酸性氣火炬筒體給該石化企業(yè)的安全平穩(wěn)生產(chǎn)和環(huán)保減排帶來風(fēng)險和隱患，處理酸性氣火炬筒體的過程中也耗費了大量能源和人力資源，為了避免再次發(fā)生類似的事件，給出如下改進建議。4.1加強設(shè)備排放的源管理對于計劃性的裝置開停工作業(yè)，制定開停工方案時，應(yīng)經(jīng)過相關(guān)專業(yè)充分討論，考慮從工藝流程和操作優(yōu)化上少排放或盡量不排放酸性氣的方案。4.2增加酸性氣處理系統(tǒng)和設(shè)備冗余硫磺回收裝置是處理酸性氣的重要裝置，但是由于酸性氣的腐蝕性強，相關(guān)管線和設(shè)備在實際運行中難免會出現(xiàn)腐蝕泄漏的情況，因此增加相應(yīng)酸性氣處理管道和設(shè)備冗余，能夠避免酸性氣火炬往火炬系統(tǒng)排放。4.3其他裝置異常排放當裝置運行出現(xiàn)不可避免的酸性氣排放時，管理火炬設(shè)施的相關(guān)單位應(yīng)在操作與維護規(guī)程中明確處理措施，并落實到操作人員的行為中，例如當相關(guān)裝置異常排放酸性氣結(jié)束后，與裝置溝通排放情況，尤其是夜間的酸性氣異常排放，需要立即對酸性氣火炬進行短時間的蒸汽吹掃，以提高火炬筒體溫度，避免銨鹽結(jié)晶產(chǎn)生。4.4改變火炬的材質(zhì)或結(jié)構(gòu)由于碳酸氫銨結(jié)晶熱穩(wěn)定性差，當加熱到50℃以上便開始大量分解，所以酸性氣火炬筒體增加伴熱及保溫是避免銨鹽結(jié)晶形成的有效方式。但是使用恒溫電伴熱在火炬筒體泄漏時危險性很大，而采用蒸汽夾套式伴熱或伴熱線，需要改變火炬的材質(zhì)或結(jié)構(gòu)，對火炬筒體的結(jié)構(gòu)和強度的影響是巨大的，改造量大而且改造的成本以及施工風(fēng)險高。因此，對于未建設(shè)投產(chǎn)的石化企業(yè)，