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石油化工设备油垢焦垢化学清洗技术


石油化工设备油垢焦垢化学清洗技术

石化设备油垢焦垢化学清洗技术 石化设备油垢焦垢化学清洗技术
石油化工生产中主要是炼油生产常减压蒸馏装置及其深度加工的后续装置,如乙烯裂解、催化裂化、 延迟焦化、芳烃联合、加氢精制等装置的较多设备会积聚和生成油垢焦垢。化纤生产中某些炉子与管道由 于接触热媒油也会产生油垢焦垢。化肥生产中某些炉子、换热器、塔器同样存在油垢焦垢。甚至一些压缩 机采用润滑油因泄漏也会产生油垢。还有原油罐沉积淤垢及输油管道壁粘附油垢等。因而石化生产中普遍 存在油垢焦垢问题。 油垢焦垢可使管壁热阻增加,生产过程能耗增加,设备寿命缩短,垢层也使设备内径变小,物料流 动压降增大,收率降低,操作周期缩短,严重影响生产,为此必须进行清洗除垢。由于设备工艺条件千差 万别,导致结垢情况也不尽一致,因而应根据设备不同结垢情况,采用不同的清洗方法与工艺。 1.油垢类型与形成原因 石化生产由于采用原油为原料,其主要成分为烃(w=98%),还有少量含氮、硫、氧等化合物。 通过常减压蒸馏生成汽油、煤油、柴油、润滑油、石蜡与沥青等。对煤柴油进行热裂解生成烯烃, 随后进行去氢、聚合、加成、异构化、烷基化等工艺反应,生产出化工、化纤、化肥、塑料、橡胶等多种 产品。在这些生产过程中,设备与管道难免会生成与积聚各类油垢,由于处于不同生产装置与不同工艺环 境,从常温至高温,故形成不同类型油垢。这里统称“油垢”,实际上根据形态与组成可分为轻油垢、重 油垢、胶油垢、焦油垢、焦碳垢、含硫化铁油垢、含催化剂油垢等。油垢主要由蜡质、胶质、焦质、沥青、 碳化物、炭分、硫化铁、氧化铁、无机盐、有机聚合物、催化剂等组成。根据上述组成配比的不同,形成 不同类型的油垢,油垢属憎水型有机混合物膜状污垢。 1.1 轻油垢 轻油垢指金属表面上附着一层较薄的油脂与蜡膜,并混有少量其它杂质与灰尘,一般是在低温(< 100℃)下形成的。如新设备内壁制造后涂刷了防锈油膏,投运前安放在外氧化而形成轻油垢。 1.2 重油垢 重油垢指金属表面上有一层附着力强的渣油蜡油层,其中含有一些焦油沥青,并混有一些其它杂质, 一般是在 100~300℃时形成的。 1.3 胶油垢 胶油垢指附着力较强的高分子粘结体油垢,既含有焦油沥青,又含有较多的有机聚合物。某些胶油 垢有弹性。这是在高温条件(100~300℃)下的烷烃、烯烃、芳烃与氧发生反应,生成游离基聚合母体,并 进一步聚合缩合,生成结构复杂的高分子胶体,粘结于设备表面。

1.4 焦油垢 焦油垢指附着力强的结焦与碳化的油垢,大部分是焦质与沥青,并含有少量有机聚合物与腐蚀产物。 这是在高温(200~400℃)条件下或在冷却冷凝时,烷烃烯烃发生自聚环化,并逐步脱氢缩合,由低级芳烃 转化为多环芳烃,进而转化为稠环芳烃,由液状焦油转化为固体沥青,并进而形成焦垢;或在工艺物料中 的自由基(甲基、乙基与苯基)与烯炔自身聚合成微粒,反应生成多环芳烃,再进一步脱氢缩合而形成结焦。 1.5 焦碳垢 焦碳垢指金属器壁上有一层附着力很强的积炭,这是在更高温度(>400℃)下,上述通过脱氢缩合的 焦油垢继续脱氢缩合,逐步石墨化,从疏松的积炭,逐步转化成较硬的碳垢。当然设备表面上由于 Fe、Ni 离子起催化作用,可先生成金属碳化物,再逐步转变成焦垢与碳垢。 1.6 含硫化铁油垢 随着采用原油含硫量增加,物料中硫化氢、硫醇在一定条件下与钢铁器壁发生腐蚀反应生成硫化铁。 这些硫化铁针对不同设备不同环境可分别与轻油、重油、蜡油、焦油混杂一起,形成含硫油垢。 1.7 含催化剂油垢 炼油及后续深加工生产过程中均需要油浆中加入催化剂,催化剂能促进聚合反应进行,并在设备表 面上聚合沉积粘稠状油垢。另外,由催化剂微粒形成的沉积物,也可在热交换过程中在管壁上形成焦油垢。 实际上石化装置不同设备中生成的油垢,并不总是上述单一类型油垢,很多是两种以上类型油垢组 成,如高温换热器管壁外层是重油垢,中层是焦油垢,内层是焦碳垢。如需进行多层次清洗,就会给制定 清洗工艺增加困难。 2.化学清洗剂选用 根据被清洗设备结构及所生成的油垢情况,可以选用物理清洗与化学清洗,本文重点讨论化学清洗。 2.1 碱性水溶液 常用碱性物有氢氧化钠、碳酸钠、磷酸钠与硅酸钠等,一般有几种碱性物组成碱性清洗剂. 但碱性 清洗剂对动植物油起皂化反应清除能力好,而除硅酸钠外对矿物油清除能力大多较差,因而常作传统的日 用除油剂,工业上仅用于一般脱脂。 碱性清洗剂价格便宜,缺点是强碱会使机械部件受到损伤,有色金属部件只能使用硅酸钠等配成的 水溶液。 2.2 有机溶剂 常用石油类溶剂、卤代烃溶剂与醇类溶剂等,靠对油类较强的溶解反应以清除重油垢、焦油垢与焦 碳垢。

低沸点石油类溶剂汽油对矿物油垢溶解性好,但易燃,应用受到限制,高沸点石油类溶剂煤油、柴 油对矿物油垢清洗力稍差,但价廉、不易燃,应用较广。 卤代烃四氯化碳、三氯乙烯等,不燃或难燃,但易挥发且有毒,因对油垢溶解力大,脱脂力比石油 溶剂强 10 倍,虽价贵,但仍有应用。 氯氟烃对大气臭氧有破坏作用。虽去油能力强,但应慎用。 醇类溶剂多用乙醇、异丙醇,除亲水外,对油脂溶解力强、对表面活性剂溶解力也大。 一些特殊溶剂 N-甲基吡咯烷酮,二甲基甲酰胺等具有选择性高、溶解力强的特点,在国外清洗剂专 利中常用。 有机溶剂除单用外,常混合使用。如 CN1056524 的焦油去除剂组成为:

成分 质量分数/%

苯乙烯 10~50

柴油 30~60

对苯二酚 0.01~3

三氯甲烷 10~30

香精 0.05~1

2.3 表面活性剂溶液 表面活性剂(简称 SAA)由于具有两亲结构(亲油基与亲水基),因而其低浓度水溶液具有减少表面张 力,润湿渗透,乳化分散与增溶等独特作用,故对液态油垢有良好清除能力,但对固态油垢去除能力差。 常应用阴离子表面活性剂(a-SAA),如烷基苯磺酸钠,与非离子表面活性剂(n-SAA),如烷基酚聚氧 乙烯醚,脂肪醇聚氧乙烯醚。商品金属清洗剂常用一种或多种 SAA 配伍,如 6501,即为椰子酸二乙醇酰胺 或称尼纳尔;而 105,由 24%脂肪醇聚氧乙烯醚,12%的烷基酚聚氧乙烯醚与 24%的 6501 组成。SP-1 由聚醚 (2040、2070、2020)25%+1.5%+1.5%,烷基酚聚氧乙烯醚 3%,亚硝酸钠 3%组成。〖JP2〗由于纺织工业通用 的匀整剂(平平加),即是脂肪醇聚氧乙烯醚;乳化剂(OP-10 或 TX-10),即为烷基酚聚氧乙烯醚;渗透剂 JFC,即为仲辛醇聚氧乙烯醚较易在市场上买到,因而上述几种 SAA 最为常用。 2.4 碱与表面活性剂的混合溶液 为了改善单一碱与 SAA 溶液清洗能力的不足,适应多种油垢的清洗,往往把碱性物与 SAA 复配,通 过它们的协同效应,使润湿渗透、分散乳化与增溶能力倍增,它广泛的代替石油溶剂清洗轻油垢与重油垢, 但对粘性更强的焦油垢、胶油垢、含催化剂或硫化铁油垢清洗能力差。 国内商品清洗剂中多是这类产品。国外专利报道也不少.如前苏联专利 1273390,组成为:

成分

三聚磷 酸钠

纯碱 2~2.5

烷基苯 磺酸钠 5~10

三乙醇 胺 0.3~1

亚硝酸 钠 0.3~ 0.6

糊精 0.01~ 0.1

水 余量

质量分数/% 1.5~2

2.5 有机溶剂与表面活性剂溶液

由于单一有机溶剂仅能去除油垢,为了弥补清除非油溶性污垢的不足,把有机溶剂与 SAA 混合复配, 能产生更强更有效的清洗剂。可分为两类,一类是两相清洗剂,以乳化或增溶状态存在,发挥两者的协同 效应,使对粘附性强的重油垢、焦油垢、胶油垢及积炭有良好的清洗能力,并且能同时去除水溶性与油溶 性污垢。由于加入 SAA 水溶液,就可减少较贵的有机溶剂用量,也可减少挥发,且不易燃烧,可在常温下 清洗。另一类是由醇醚类溶剂加 SAA 水溶液称含有两亲溶剂的清洗剂,由于增大了 SAA 与某些添加剂在水 中的溶解度,除油垢能力比 SAA 水溶液大有提高。 如罗专利 93275 用于槽车残油清洗,组成为:

成分 质量分数/%

煤焦油蒸馏物 90

乳化剂 APE 10

美专利 4854973 用于发动机除炭与脱漆,组成为:

成分 质量分数/%

二氯甲烷 75

二甲基甲酰胺 5

n-SAA 与 a-SAA 混合 物 5

水 15

2.6 有机溶剂与碱混合溶液 通常在醇醚类两亲溶剂的水溶液中加入少量碱形成的清洗剂,其去油垢能力比原来溶剂水溶液大有 提高。 另外在所报导的除炭剂中,有较多的是在有机溶剂中加入氨类与胺类,因氨、胺类具有弧对电子, 对带正电性的炭分子具有较强的吸附作用。如美专利 4992187 用于发动机除灰与脱漆,组成为:

成分 质量分数/%

N-甲基-2 吡咯烷酮 4~96

联氨 4~96

2.7 碱、表面活性剂与有机溶剂混合溶液 碱性 SAA 溶液虽具有润湿乳化分散与增溶等性能,对去除轻油垢、重油垢有较大能力,但对含积炭 沥青较多的焦油垢能力较差,这时应加入有机溶剂,一种是两亲的醇类,如异丙醇,会使胶束增大,有利 于非极性有机物插入胶束“栅栏”间,使清除焦油垢能力大大增强。另一种是加入亲油性有机溶剂如卤代 烃、酚类、二甲基甲酰胺等,对去除积炭、剥离涂层有较大作用。 如 CN1095756(1944)用于清洗油垢,组成为:

成分 质量分数/% 成分 质量分数/% 成分

烷基苯磺酸 6~12 SP-1 1~5 C11-13 脂肪硫酸

40%NaOH 4~8 CMC 0.5~1.5 Aeone

硅酸钠 1~2 分子筛 1~1.5 香精颜料

三聚磷酸钠 0~0.5 异丙醇 0.5~1 水

酯盐 质量分数/% 0.01~0.05 0.5~1.5 少量 余量

又如 CN1101384A(1995)用于内燃机清洗,组成为:

成分 质量分数/% 成分 质量分数/%

丁醇 8~12 煤油 20~30

平平加 6~9 机油 10~30

油酸 10~14 乙二醇丁醚 6~15

乙醇胺 4~6 水 8~10

氨水 6~10

络合剂与碱、表面活性剂和/或有机溶剂混合溶液 2.8 络合剂与碱、表面活性剂和/或有机溶剂混合溶液 碱、 和/或有机溶剂混合溶液虽对一些油垢与积炭清洗能力强, SAA 但对含腐蚀产物(硫化铁, 氧化铁)、 催化剂及某些非油溶性污垢的混合油垢焦垢清洗,还需添加络合剂或螯合剂,由于这些垢物多含金属离子, 通过 EDTA、 NTA、柠檬酸与葡萄糖酸及其盐类等加入产生络合作用,同时还由于碱+SAA+有机溶剂协同作用, 促使焦质与沥青质乳化与增溶,能加速这种混合油垢的清洗,如果仅有碱性络合剂溶液清洗,由于上述垢 物中金属离子微粒被粘附性强的焦油层包裹而不易作用。 如波兰专利 151165 用于油垢与积炭清洗,组成为:

成分 质量分数/% 成分 质量分数/%

NaOH 28 煤油 2.5

Na2CO3 14.5

Na2SiO3 32

葡萄糖酸钠 15

EDTA-Na4 3

环氧乙烷-环 聚乙二醇烷 脂肪酸乙氧 氧丙烷嵌段 基苯基醚 基化酰胺 共聚物 1.5 3 0.5

该复配物采用 5%浓度水溶液。 又如 JP85-120800,组成为:

成分 质量分数/%

NaOH 5~30

葡萄糖酸钠 或 EDTA-Na 2~20

多元醇 5~60

β-丙氨酸型 SAA 或磷酸酯型 SAA 0.1~10

水 余量

2.9 氧化剂与碱、表面活性剂的混合溶液 氧化剂与碱、表面活性剂的混合溶液 在碱性 SAA 水溶液中再加入一定量的氧化剂,如过氧化氢、过碳酸钠、过硼酸钠与高锰酸钾等,使 重油垢焦油垢中某些基团发生氧化反应,使其分子间的链键断裂,或促进垢中有机物分解,如使硫化铁转 化为可溶性的氧化铁与硫,使 H2S 释放量减少,这对含硫油垢清洗特别有利。 实践证明,加氧化剂的水基清洗剂比不加氧化剂的水基清洗剂效果好得多。如长岭炼厂 CN88-105662 清除重油垢的碱性清洗剂配方为:

成分 质量分数/%

NaOH 0.1~1

Na2CO3 1~10

H 2O 2 0.2~5

SP-1 0.1~1

又如 JP88-207899,废汽节热器清洗剂,组成为 97%过碳酸钠,3%a-SAA(5%水溶液) 2.10 酸 对某些焦油垢、胶油垢与软积炭及含 FeS 的油垢,可以选用大于 98%(质量分数)浓硫酸,大于 65%(质 量分数)浓硝酸或浓硫酸+少量浓硝酸,或 10%(质量分数)铬酸等强氧化性酸进行清洗有较好效果,但操作 不慎,就易出事故。 对某些由于采用含镍、铁、钒等金属离子油浆、经高温处理而沉积的基本无油的混合炭垢,可以采 用稀盐酸或硫酸的还原性酸溶液,并加热到一定温度,通过与金属离子反应使垢层分离,再借助较高的泵 流速使炭粒冲刷出来 2.11 其它添加剂 在上述配伍的清洗剂中有时还应添加缓蚀剂。如对加有 NaOH 的碳钢而言,应加少量硝酸钠,以防碱 脆.对在 80~120℃加有柠檬酸或 EDTA 等络合剂的清洗中,应加邻二甲苯硫脲、MBT 等缓蚀剂。一般碱性清 洗剂最好加硅酸钠,因为它能在金属表面沉积一种硅凝胶保护膜,对钢,尤其对有色金属有显著缓蚀作用。 当然亚硝酸钠在一些水基清洗剂中也作缓蚀剂或防锈剂。三聚磷酸钠在水基清洗剂中除可形成可溶 络合物,使水软化并能促进污垢分散外,还是钢的缓蚀剂。另外还可添加吸附剂,如分子筛、硅藻土、防 沉积剂〔如羧甲基纤维素(CMC)〕及摩擦剂(如细石英砂)等。 3.按设备与油垢类型确定清洗方法 设备与油垢的清洗方法见表 1、2(省略)。 4.石化设备油垢清洗实例 4.1 常减压热交换器重质油垢清洗 常减压热交换器油垢清除多采用高压水射流,但这需在停车并抽芯条件下进行。日挥集团开发出 ACS 法,这是不停车检修热交换器的高效清洗技术。经对油垢分析后开发出 ACSKI 清洗剂,该剂能把垢中重质 油分强烈溶解,不溶的无机垢及碳分由于重质油分溶解而丧失粘着性,通过泵流体冲刷而剥离。通过把欲 清洗的热交换器分流,连接泵、滤网、槽组成循环清洗系统。先通过轻油清洗与氮气冲洗、排除滞油,再 把 80%轻油和 20%ACSKI 组成清洗剂作循环清洗。洗后使设备导热性能恢复。废液与原油混合处理而分解, 无排放污染。 ACSKI 成分未透露,估计是二甲基甲酰胺(C3H7NO)或 N-甲基吡咯烷酮(C5H9NO)之类特殊溶剂 4.2 芳烃联合装置换热器重质焦油垢清洗

某芳烃厂 2 台换热器壳程沉积重质焦油垢需清洗,委托长炼进行,所用水基清洗剂保密。安置临时 金属配管,与槽泵组成循环系统,蒸汽加热至 85~95℃,经反复几次清洗,基本达到预期目的。经调研, 确认上述清洗剂系 CN88-105662(见 2.9),适用于炼油化工厂清除重质油垢。 该厂另两台 18-8 钢制石脑油/VGO 换热器,壳程沉积重焦油垢。由某院提出用 98%(质量分 数)H2SO4·95%+68%(质量分数)HNO3·5%组成的强氧化性酸清洗,曾在兰州与南京炼厂成功地对换热器重 焦油垢作过多次清洗。因常温酸洗,该混酸对钢不腐蚀。但清洗过程中会冒出棕烟,操作危险性较大。酸 洗后要用碳酸钠脱盐水溶液中和冲洗。 几年来共用此法清洗 3 次。最后一次清洗后发现排污口应力腐蚀破裂,开裂原因估计是多次清洗未 排尽死角残液,积聚有害离子 Cl 、S 所致。 4.3 锅炉燃料油加热器重质焦油垢清洗 某化肥厂水汽车间 2 台燃料油加热器供锅炉燃烧用重油。材质为碳钢,由于温度高达 200~365℃, 壳程沉积焦油垢及焦碳垢,只有彻底清洗除垢,才能避免非计划停车。 采用如下清洗工艺: 蒸汽吹扫除滞油柴油→四氯化碳(4∶1)清洗除焦油碱+SAA+氧化剂混合液 90℃清 洗除焦油垢抽芯对管束间焦碳垢高压水力冲洗复位用 4%(质量分数)HCl+0.3%(质量分数)Lan-826 常温循环 清洗除残余铁垢→水冲洗→钝化。经多步清洗,达到预期目的。 4.4 重整高压空冷器含硫化铁油垢清洗 某炼油厂重整高压空冷器,材质为碳钢,管内走反应生成油,从高温急冷,促使管壁沉积一层较厚 的含硫化铁的蜡油垢。 为此,采用如下清洗工艺:先用水基清洗剂除油,组成为:
-

成分 质量分数/% 成分 质量分数/%

NaOH 1~2 OP-10 0.5

Na2CO3 0.1 Na2SiO3 0.5

烷基苯磺酸钠 0.5 氧化剂 1~2

80~90℃循环与浸泡,再用碱性螯合剂除铁垢,组成(质量分数)为 EDTA 或柠檬酸 6%,缓蚀剂 0.5%, JFC0.5%,NaOH 加至 pH=9。 在 80~90℃温度下循环与浸泡,最后水冲洗与钝化。 4.5 热媒油炉管焦油垢积炭清洗 某化纤厂热媒炉,装多根 U 型碳钢管,管内电丝加热管外的国产导热油,温度达 350℃,经使用多年, 管外壁形成焦油垢与积炭。

采用如下清洗工艺: 抽出 U 形管用蒸汽吹扫→碱+SAA 溶液加温清洗除焦油→有机溶剂+SAA+氨溶液除 积炭→热水冲洗→稀硝酸+Lan-5+JFC 溶液清除残余碳垢→水冲洗→钝化。 4.6 甲醇合成设备蜡油垢清洗 某厂甲醇合成设备普遍沉积了一层含催化剂(Al2O3、ZnO、CuO)的蜡油垢。由于高压水射流清洗对塔 器、分离器及容器中内件无法实施,只能采用碱+SAA+络合剂混合液清洗。组成为: 乳化剂 T-80 山梨 渗透剂 S(琥珀酸 二仲辛酯磺酸钠)

成分 质量分数/%

NTA(氮三乙酸) 糖醇酐单油酸酯聚
氧乙烯醚

HF-003 缓蚀剂 0.6

10~30

2~3

1.0~1.5

以 NaOH 调 pH 值至 10~12,90~100℃静态泡煮清洗。 5.总结 1) 石化生产从炼油至后续深加工生产设备表面不可避免会沉积各种类型油垢,解决这个普遍存在的 问题是企业十分关注的课题。这些油垢应根据实际情况选用不同清洗方法与工艺,不能仅采用单一清洗方 法,而应采用交叉复合的清洗技术,包括化学清洗与物理清洗等方法 2) 石化设备油垢清除采用化学清洗是传统方法。如同中药方子系多种药品复合配伍那样,清洗剂主 要通过碱、有机溶剂与 SAA 这三种基本成分的组合,并加入络合剂、氧化剂、缓蚀剂、吸附剂与防沉积剂 等其它助剂,通过多种组分的配伍复合,是当今国内外清除油垢的发展趋向。再通过加温、机械冲刷等作 用,基本上能清除各类设备的油垢。但必须指出,某些设备上沉积的油垢,可能是多相或多层混合垢,靠 一步清洗法只能清除其中一相或一层,需要采用多层次清洗工艺,才能确保除去绝大部分垢物。 3) 随着科学技术的发展,希望能开发出更高效、节能、经济、安全、方便、可靠与无公害的清除油 垢焦垢的方法与工艺以及机械与装备.而化学清洗更寄托于高效清洗剂的开发,而这必须先开发更优良的 SAA 与更强力的有机溶剂。 4) 化学清洗应针对具体设备,还需通过溶垢试验、腐蚀试验以及选定排污处理,最终确定清洗剂组成与清 洗工艺进行清洗。


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