SDMP塔盘脱硫塔压差高、 气相带液原因分析及解决对策

赵闯

(中国石化广州分公司，广东广州 510726)

1 脱硫系统介绍及塔盘改造前存在的问题

某企业柴油加氢改质装置脱硫系统由循环氢脱硫和低分气脱硫两部分组成，其工艺流程分别见图1和图2。

图1 循环氢脱硫工艺流程

图2 低分气脱硫工艺流程

冷高分气经循环氢旋流脱烃器（V-9106）分液后，进入循环氢脱硫塔（T-9101）底部。贫胺液经循环氢脱硫塔贫胺液泵（P-9103A/B）升压后进入T-9101顶部与循环氢进行逆流传质，脱硫后的循环氢经T-9101塔顶内部循环氢旋流脱烃器分液后自塔顶送出，经循环氢压缩机入口分液罐（V-9107）后进入循环氢压缩机（C-9101）升压。

自V-9105来的含硫低分气、废氢进入低分气冷却器（E-9208）冷却后进入低分气分液罐（V-9203）分液。分液后的气体进入低分气脱硫塔（T-9203）底部。贫胺液经低分气脱硫塔贫胺液泵（P-9206A/B）升压后进入T-9203顶部。自塔顶出来的脱硫后低分气进入干气分液罐（V-9204）分液后出装置。

自装置进入第二运行周期末期，循环氢脱硫塔及低分气脱硫塔出现塔压差高、气相频繁带液的异常工况，导致原料气脱硫效果变差、脱硫塔运行不稳定。尤其是循环氢脱硫塔带液存在联锁停循环氢压缩机的风险，严重威胁着装置的安全平稳连续运行。经分析研究认为，造成上述异常工况的主要原因是脱硫塔浮阀塔板堵塞。为确保下一运行周期末期脱硫塔能够安全平稳运行，决定引进新型高效抗堵型喷射态塔盘（SDMP）技术，在大修期间对装置脱硫塔塔盘进行升级改造。

2 SDMP塔盘介绍及脱硫塔塔盘改造

SDMP塔盘结构及实物分别如图3、4所示，该塔盘对气液传质过程进行优化设计，规定塔盘上气相及液相的流动路径，气液流动互不干扰。塔盘上设计的帽罩为气液两相喷射传质的空间，气体高速流动状态下带动液体形成喷射状态。帽罩内液体被高速流动的气体粉碎为细小的液滴、液丝、液沫等，液体表面不断更新并实现气液两相传质过程。经过传质后的气液两相物质在帽罩顶部气液分离挡板作用下实现分离，液体返回塔板液层，气体进入下一层塔板。

图3 SDMP塔盘结构

柴油加氢改质装置T-9101、T-9203均采用SDMP技术进行改造，提高脱硫塔的抗堵塞性能，并高效脱除循环氢和低分气中的H2S气体。并以T-9101、T9203的原内件水力学计算数据、脱硫塔运行的DCS历史数据及进出脱硫塔物流的化验清单作为模拟计算及塔内件水力学计算的设计基础，设计改造内容及参数如表1所示。

图4 SDMP塔盘

表1 T-9101、T-9203改造内容及参数

3 塔盘改造后脱硫塔运行情况

T-9101及T-9203 SDMP塔盘改造完成后至2020年8月前，两脱硫塔均未出现塔压差高、气相带液及净化气指标不合格的现象。但T-9203自2020年8月初开始断续出现塔内差压升高现象，压差由10 kPa 升高至42 kPa左右，净化气中H2S含量小于5 mg/m3， 未超工艺指标。经操作调整后，低分气脱硫塔随后恢复正常。在此期间，T-9101运行稳定，未出现异常。10月3日晚，T-9203突然出现塔内压差升高现象（最高45 kPa），且低分气中H2S含量超标（大于 20 mg/m3）。经调整工艺参数后指标仍未恢复正常。2 h后，循环氢脱硫塔突然出现压差升高（最高105 kPa，正常运行时为55 kPa）、气相带液引起V-9107液位突升及脱后H2S含量超标现象，经操作调整工艺参数后异常工况并未恢复正常。

10月4日，对T-9101、T-9203进行切塔水洗操作，T-9101水洗时间4 h，T-9203水洗时间6 h。水洗之后两台塔重新开车，重新开车后低分气脱硫塔压降恢复正常，循环氢脱硫塔塔压降相较之前正常工况下略有增加，但开车后两台塔的净化气指标均恢复正常，说明水洗过程对降低塔压差起到明显作用。T-9101、T-9203于10月5日恢复正常运行，之后均未出现压差高、气相带液现象。

4 SDMP塔盘脱硫塔压差高影响因素分析

4.1 塔盘结构设计的影响

塔盘上气液传质过程如图5所示，帽罩下端与塔盘板之间设置底隙并作为液体进入帽罩的通道，底隙高度为60 mm，是传统浮阀塔盘设计值的6倍。当塔盘上固体杂质沉积厚度小于60 mm，不会堵塞液相进入帽罩的通道，如果液相通道堵塞，则塔板效率显著降低，但液相通道堵塞时气相通道不会发生堵塞，塔板压降不会增大。

图5 塔盘上气液传质过程

两脱硫塔塔板传质单元结构相同，见图6。单个传质单元的整体高度在240 mm左右，套筒的下部开孔高度在50 mm左右，升气管的高度在60 mm左右。从图6可知，T-9101的降液管底隙为40 mm，T-9203的降液管底隙高度为30 mm。一方面，由于塔板上喷嘴的高度相较降液管底隙更高，因此喷嘴的抗堵能力强于降液管底隙；另一方面，由于喷嘴内有连续气体喷出，对喷嘴上部的沉淀物有一定的冲刷作用，因此其抗堵能力要优于降液管底隙。同时，若套筒下隙被堵住，会导致板上液层无法进入套筒，使得喷嘴上没有液相流体，从而会出现压降低于 正常值的情况，但该次出现的是压降升高的现象，故导致此次塔压差高的原因不是套筒下隙堵塞。

图6 塔板传质单元结构

综合以上分析，可以判断发生堵塞的位置为降液管底隙。降液管底隙堵塞导致上层塔板液流无法顺利通过降液管朝下层塔板流动，当降液管内积满液相流体后会逐渐推高上层塔板液相高度，直至浸没塔板传质结构，从而导致气相压差变大、气相带液。

4.2 塔盘改造前后循环氢、低分气组成变化的影响

通过气相色谱仪分析测得塔盘改造前后循环氢、低分气组成见表2。从表中可看出，循环氢脱硫塔在SDMP塔盘改造前后，循环氢组成未见明显变化。且在整个运行期间内循环氢气量始终维持在210 000~250 000 m3/h之间，处于塔正常操作范围内；低分气脱硫塔在SDMP塔盘改造前后，低分气组成也未见明显变化，且在整个运行期内，低分气量始终维持在5 000~9 500 m3/h之间，处于塔正常操作范围内。循环氢脱硫塔及低分气脱硫塔内件设计满足工况运行条件，塔盘改造前后循环氢、低分气组成变化不是造成脱硫塔塔压差高、气相带液的原因所在。

表2 塔盘改造前后循环氢、低分气成分对比 %（φ）

4.3 塔盘改造前后胺液组成变化的影响

表3为塔盘改造前后胺液质量分析数据。

表3 塔盘改造前后胺液质量分析数据对比

从表3可以看出，胺液中热稳定盐浓度由2019年的4.61%升高至2020年的5.27%；铁离子浓度由33.83 mg/L升高至48.62 mg/L。上述数据表明运行胺液有比较严重的胺液降解问题，胺液输送管道系统腐蚀情况严重。塔盘改造后胺液理化性质与改造前相比有显著的恶化趋势。

水洗清塔后，对冲洗水进行取样分析，静置7天及静置6个月的样品如图7所示。从图7可以看到静置7天后瓶底聚集大量黑色固体杂质，静置6个月后冲洗水底部黑色固体杂质颜色由黑色变为红棕色。对静置7天后的冲洗水上部液体及其底部黑色固体杂质送检，检测结果如表4所示。从表中可看出冲洗水中硫离子含量最多，其次是铵根离子，再其次是硫酸根离子，冲洗水中也含有少量氯离子。有研究表明硫酸盐、硫代硫酸盐、氯盐为胺液系统中热稳态盐的主要成分[1]，由此说明胺液系统中存有大量热稳态盐，这与表3中热稳态盐含量升高的现象契合。底部黑色固体杂质检测结果见表5，由于X射线荧光光谱法是以各元素氧化物为标准品测定，该法仅能测定样品的元素组成及含量，由表5数据可看到黑色固体杂质的主要元素组成为铁和硫，还含有少量锰及磷，又因胺液输送金属管道中的铁易在H2S的腐蚀作用下生成黑色的FeS，为此，可初步推断黑色固体杂质的主要成分为FeS；实验表明FeS易被空气中的氧气氧化，生成红棕色的Fe2O3，而静置6个月后冲洗水底部黑色固体杂质变为红棕色固体。在以上元素检测数据及固体杂质颜色变化现象的支撑下，足以说明从塔中冲洗出来的黑色固体杂质的主要成分为FeS。大修期间对两脱硫塔进行开盖拆检，发现两塔浮阀塔板上均有黑色及红棕色固体的存在，见图8，且随着暴露在空气中的时间延长，塔板上黑色固体逐渐减少，红棕色固体逐渐增多，上述现象再次验证了塔板上沉积的黑色固体杂质的主要成分为硫化亚铁。

图8 T-9101、T-9203浮阀塔盘面貌

表4 冲洗水上部液层离子检测结果

表5 冲洗水底部固体杂质检测结果

图7 脱硫塔冲洗水取样样品

综合以上分析，可认定：在塔内气液两相传质传热的过程中，胺液输送管道H2S腐蚀产物—FeS在降液管内长期沉积，部分堵塞了降液管底隙，造成液相流体流动不畅，使得上层塔板液层高度不断增大，最终浸没塔板传质结构，导致气相压差增大、气相带液，而大量热稳态盐的存在易引起胺液发 泡，也会在较大程度上加剧上述异常工况的恶化。

5 SDMP塔盘脱硫塔压差高解决对策

综合以上分析，针对SDMP塔盘脱硫塔压差高问题提出以下4点切实有效的解决对策：

1）胺液系统中潜在的易腐蚀区域选用不锈钢材质

碳钢极易被H2S腐蚀，生成固态硫化亚铁，硫化亚铁在脱硫塔内长期积累易堵塞降液管底隙，造成塔压差高、气相带液的情况。为此最好在设计阶段将诸如吸收塔底部、再生塔顶部、贫液/富液换热器等部位材质选用不锈钢材料，以减轻高浓度H2S对上述易腐蚀区域设备管线的腐蚀。

2）稳定胺液系统操作

研究表明，当富胺液酸性气负载过大且温度较高时，溶剂中的H2S极易释放出来从而腐蚀设备管线。为此在日常工作中将脱硫塔气、液相负荷及贫液、富液温度控制在合理指标范围内极为重要。

3）在装置内或装置外增设胺液过滤器

由于胺液系统为循环再生系统，系统内杂质不能自清除，故应在装置内或装置外设置通量大、滤径小的高效过滤器，单独或集中清除胺液系统中的硫化亚铁、炭粉等固态杂质，以防止这些固态杂质在塔板沉积造成降液管底隙堵塞。

4）净化胺液，防止热稳态盐生成

采用先进的工艺方法，如离子交换树脂法[1]、电渗析法[2]脱除胺液中的稳态盐离子，减少热稳态盐的生成，防止胺液发泡。

6 结论

造成SDMP塔盘脱硫塔压差高、气相带液的主要原因是胺液系统中的H2S腐蚀产物FeS部分堵塞了降液管底隙。在塔内气液两相传质传热的过程中，胺液系统中的FeS在脱硫塔降液管内沉积，部分堵塞降了液管底隙，造成液相流体流动不畅，使得上层塔板液层高度不断增大，最终浸没塔板传质结构，导致气相压差增大、带液，而胺液系统中 大量热稳态盐的存在极易引起胺液发泡，也在较大程度上加剧了脱硫塔运行工况的恶化。通过用软化水对脱硫塔进行在线冲洗可带走部分塔板上长期积累的FeS固体杂质，从而可在短期内显著改善脱硫塔压差高、气相带液的情况。但水洗清塔治标不治本，不利于脱硫塔长周期安全平稳运行。通过对设备选材及胺液系统运行操作进行控制，防止FeS的生成；增设胺液过滤、净化单元，过滤除去胺液系统中的固体杂质及净化胺液系统中的热稳态盐离子才是破解脱硫塔压差高、气相带液难题的有效 手段。