在線脫輕技術在炭素導熱油系統的研究與應用

陳 偉,趙旭年,盧衛紅,宋大慶,陳 旭

(陜西有色榆林新材料集團有限責任公司,陜西 榆林 719000)

導熱油作為高效熱載體普遍應用于化工、冶金等諸多行業,國家出臺了《GB24747-2009》、《GB23971-2009》、《TSG G0001-2012》相關國標規程作為指導。導熱油在長時間運行后會出現輕組分逐漸升高閃點降低,給導熱油系統帶來很大的運行風險。依據上述國標相關要求需要對閃點過低或輕組分過高的導熱油進行更換或者脫輕處置,一般企業為節約成本選擇拉出去脫輕再生達標后再拉回來注入系統使用,整個過程需要長時間停產,費時費力,且不安全,拉運手續繁瑣。陜西有色榆林新材料集團有限公司聯合國內某科技公司對陽極導熱油系統研發出在大循環下建立脫輕小循環的工藝技術,在實施過程中安全、高效、操作簡單,實現了生產系統不停車脫除輕組分提高導熱油閃點的目的。

1 概 述

陜西有色榆林新材料集團有限責任公司陽極分公司成型車間導熱油系統于2013年4月投運,導熱油熱媒系統由煅燒回轉窯高溫煙氣供熱運行,系統所用的導熱油為道達爾熱速力3120(現更名為熱速力AB),屬烷基苯合成導熱油,最高使用溫度為300℃。根據用熱需要和工藝要求,導熱油系統由三個不同溫度區間的循環系統組成,分別為主循環:270～290℃;二循環:240～260℃;三循環:210～230℃,目前導熱油系統運行工藝溫度為260～265℃。在滿足工藝溫度條件下的導熱油系統運行油量約為250噸,低位槽儲存油量約為50噸,合計約為300噸。根據國標《GB24747-2009》7.1.1規定:在用有機熱載體應至少每年取樣檢驗一次(如表1所示),為此陽極分公司每年對導熱油系統取樣送至具備資質的第三方機構檢測質量指標,檢驗項目包括閃點、殘炭、運動粘度、酸值、水分等。根據檢測結果顯示,經過近9年的運行,導熱油殘炭、運動粘度、酸值等三項質量指標變化較小,均處于國標允許使用范圍,截止2021年5月第三方機構檢測導熱油閃點僅為110℃,已接近國標安全警告使用范圍(如圖1所示),通過每年檢測發現導熱油閃點指標呈現逐年遞減趨勢(如下圖2所示)。

表1 在用有機熱載體的質量指標和試驗方法(GB24747-2009)

圖1 第三方機構檢測導熱油質量指標(2021年)

圖2 導熱油閃點變化趨勢圖

2 導熱油中輕組分含量高的原因分析及危害

一般來說,高溫運行狀態下導熱油中的輕組分以氣相的形態存在于導熱油系統管路中,導熱油閃點降低是由于導熱油系統中輕組分無法正常排出或輕組分聚集過多造成的。

2.1 原因分析

2.1.1 熱裂解

由于炭素生陽極工藝需要,導熱油長期處于275～285℃高溫運行狀態,在高溫狀態下導熱油會不斷發生熱裂解反應,熱裂解的產物則以輕組分為主,在導熱油最高使用范圍以內,導熱油運行溫度越高熱裂解速率越快,產生的氣相輕組分越多。

2.1.2 溫升不穩定

余熱熱媒系統采用煅燒車間回轉窯高溫煙氣作為加熱源,相比于傳統的備媒鍋爐PLC通過天燃氣火焰大小控制導熱油溫升、溫控的精準度而言,余熱熱媒系統則僅能通過風機頻率調整控制導熱油溫度,且隨時受回轉窯投料量、回轉窯風機頻率等影響,導熱油溫升、溫控不能很好地控制在理想溫度區間內,個別時候存在升溫速率過快等弊端,短時間內煙氣量增迅速加量致使余熱熱媒鍋爐導熱油盤管快速受熱,局部盤管中導熱油溫度快速上漲,加劇導熱油熱裂解,輕組分隨之產生。

2.1.3 冷油含水

導熱油在正常運行溫度條件下會產生一定的熱膨脹量,低位槽存有部分冷油用于系統降溫后的補充量,低位槽與大氣聯通,受不同天氣變化影響,低位槽內外部形成溫差,槽內部表面不可避免產生冷凝現象,冷凝水沉積于導熱油下層,在崗位人員低位槽排水不徹底或有輕微混合時,注入系統后與高溫導熱油發生反應,產生少量輕組分。

2.1.4 系統缺陷

氣相輕組分比空氣質量小,正常情況下氣相輕組分通過油氣分離器經膨脹管進入膨脹槽,備媒泵房回油管路雖然設計有油氣分離器及膨脹管,但距離高樓部膨脹槽較遠,膨脹管布置過長,且沿途有多個90°彎道,受限于管路系統缺陷,氣相輕組分無法有效通過膨脹管進入膨脹槽并排至大氣,導熱油系統中輕組分長期積累且數量持續增加。

2.2 導熱油中輕組分含量高的危害

2.2.1 危險性高

導熱油中輕組分含量高是導熱油閃點持續降低的主要原因,閃點又稱閃火點,是指在加熱條件下有機熱載體蒸氣與空氣形成混合氣體遇明火接觸時立刻燃燒的最低溫度。因此導熱油閃點持續下降且系統一旦出現泄漏并遇明火將出現閃燃,引發火災,存在較大安全隱患,對于企業安全生產影響巨大。

2.2.2 氣蝕頻繁

氣相的輕組分隨著導熱油在油泵的作用下強制循環,易出現流量不穩定的現象,會造成油泵及閥門氣蝕現象,油泵出口壓力表指針波動幅度大,油泵及閥門出現異響及振動,長時間出現氣蝕現象會降低油泵和閥門的使用壽命,嚴重的可能造成設備事故及大面積泄漏事故。

2.2.3 壓力波動

長期生產實踐顯示,在高樓部生陽極生產線出現設備故障安排停產后,由于換熱效率短時間內大幅降低,加上氣相輕組分聚集性、斷層性通過用熱設備及油泵,導熱油主循環回油壓力從0.24 MPa異常下降至0.16～0.18 MPa,造成系統壓力波動,膨脹槽液位急速上升,崗位人員需在膨脹槽處進行手動排油操作,以至導熱油主循環回油管路出現“缺油”現象,即便處置措施及時得當,仍需要完成系統降溫、系統穩壓、系統注油、系統升溫等操作步驟,耗時較長且延誤生產時機;如處置不當,可能造成膨脹槽噴油事故。

3 解決輕組分過高摸索實驗及調研

3.1 摸索摻配新油稀釋提高閃點

陜西有色榆林新材料集團有限責任公司陽極分公司牽頭成立課題組,與導熱油供應商以及第三方檢測機構聯合進行了導熱油摻配稀釋試驗,設定新油與系統在用油按照1∶2、1∶3、1∶5等不同比例下摻配稀釋的試驗條件(如圖3～5),檢測結果顯示新油與在用油比例在1∶5的情況下閃點指提高了12℃;在最高1∶2的混配比例下導熱油閃點也僅提高了26℃(如圖3所示),核算至系統現用油量則需置換出100噸在用導熱油,閃點提升效果也不是很明顯,對企業生產成本造成巨大壓力且系統啟停周期大幅延長,因此摻配新油稀釋以提高導熱油閃點的方法不可取。

圖3 新油與在用油按1∶2比例混配試驗檢測結果

圖4 新油與在用油按1∶3比例混配試驗檢測結果

圖5 新油與在用油按1∶5比例混配試驗檢測結果

3.2 導熱油在線脫輕技術的調研論證及確定

導熱油在線脫輕是一項較為成熟的技術,廣泛應用于多晶硅、化纖、印染、化工行業,在解決導熱油輕組分過高的問題上有著較為顯著的作用,作業過程具有較高的安全性、穩定性。陜西有色榆林新材料集團有限責任公司為了系統、科學地掌握導熱油在線脫輕技術所采用設備設施、工藝流程以及安全性能,安排技術人員前往山東德州、山東東營等地的化工、化纖企業進行實地調研考察,調研考察對象為使用同類型烷基苯合成導熱油、導熱油運行油量相近,且正在實施導熱油在線脫輕的企業。

企業A導熱油系統用油量約為300噸,使用LQB300型烷基苯合成導熱油,工作溫度285℃,2020年導熱油年檢報告顯示閃點115℃,經為期40天的導熱油在線脫輕處理(單套設備),導熱油閃點提高至171℃。

企業B導熱油系統用油量約為280噸,使用LQC320型烷基苯合成導熱油導熱油,工作溫度310℃,2020年導熱油年檢顯示閃點135℃,經為期30天的導熱油在線脫輕處理(單套設備),導熱油閃點提高至176℃。

結合以上兩家已實施了導熱油在線脫輕企業的調研考察,課題組采用項目實施因素評分法,在安全施工、生產成本、工作效率、目標實現等方面開展陽極導熱油在線脫輕可行性研究論證,最終選定導熱油在線脫輕技術作為提高導熱油閃點的技術路線。

4 導熱油在線脫輕技術的應用研究

4.1 基本原理

導熱油系統在不停車的狀態下,將高溫導熱油從系統中引至脫輕裝置內,先進入真空閃蒸裝置,在真空狀態下,氣相輕組分與液相導熱油得到分離,分離后的氣相輕組分進入輕組分收集罐并冷凝成液相輕組分,液相導熱油返回導熱油系統,不斷循環,通過逐步增加真空度以提高氣相輕組分的分離量,直至導熱油系統中的氣相輕組分被排除,經閃點測試儀檢測導熱油閃點達到相應指標要求。

4.2 工藝流程圖及工藝

工藝描述:熱媒系統主循環供油管路中的高溫導熱油由排油管經外接管道進入精餾釜,氣相輕組分通過精餾釜頂部排至冷凝罐冷凝,冷凝后的液相輕組分放至空油桶中,液相導熱油經精餾釜出口進入主循環回油管路。

圖6 導熱油在線脫輕工藝流程圖

4.3 設備組成及現場條件

由精餾釜、真空罐、真空泵、輕組分儲存罐、監控面板、電氣控制系統、冷卻系統以及附屬管路等組成。實施循環量約為300噸的導熱油系統在線脫輕項目投資金額約為235萬元,包含補充新油購置費用和導熱油在線脫輕技術服務費用兩部分。其中現在需要具備以下條件:冷卻水:0.2～0.4 MPa,3～6 m3/h;動力電:15 kW;壓縮用氣:0.4～0.6 MPa,8 m3/h。

4.4 導熱油在線脫輕導輕的應用

根據脫輕設備廠家提供其脫輕設備出口壓力約為0.3 MPa的運行條件,為確保導熱油系統中高溫熱油順利通過脫輕設備并返回系統中,結合導熱油系統各部位運行壓力、管道直徑等參數以及脫輕設備運行參數,經過對現場各類循環管路的核實,選擇在主循環供回油排油管位置外接DN100管道。當前導熱油系統主循環供油壓力0.49 MPa,回油壓力0.24 MPa,滿足脫輕設備所需壓力、流量等條件,且該管道位于熱媒泵房室外,室外場地寬闊,易于人員操作和巡檢,在出現緊急情況下可快速、有效采取應急措施進行處置。

為保證上下游工序的正常生產組織,成型車間根據自身生產特點,結合生產原料儲存周期、產品庫存消耗周期等諸多因素,制定項目實施周期15天。圍繞項目實施周期,力求將項目實施達到高效、快速的目的,采用兩套脫輕設備之間并聯,在導熱油系統大循環下建立在線脫輕的小循環方式,以導熱油閃點(開口)提高至≥170℃為預期目標開展項目實施。

在線脫輕設備安裝調試正常后,隨著在線脫輕的實施通過表2和圖7數據分析可以得出,隨著導熱油系統溫度的提升和真空度的增加,導熱油系統中的氣相輕組分不斷分離出來,經過冷凝罐形成液相輕組分排至空桶,主要經歷以下四個階段。

表2 導熱油在線脫輕實施過程參數表

圖7 導熱油在線脫輕排出輕組分趨勢變化圖

第一階段:第一天至第二天處于導熱油在線脫輕的初期,導熱油溫度處于240℃時,脫輕設備在未啟動真空泵的狀態下,高溫導熱油僅經過精餾釜裝置,便可分離出輕組分10.053噸,這表明系統中的確存有輕組分,且數量巨大;

第二階段:第三天至第六天處于導熱油在線脫輕的中前期,此時導熱油溫度提升了20℃至260℃,脫輕設備啟動真空泵組件,真空度約為0.2～0.4 MPa,該階段分離出輕組分18.955噸,這個時期平均每日排出冷凝后的液相輕組分4.738噸,是四個階段中日均產生數量最多的階段;

第三階段:第七天至第十二天處于導熱油在線脫輕的中后期,導熱油溫度提升了10℃至270℃,真空度提升至0.6～0.8 MPa,該階段分離出輕組分22.417噸,這個時期平均每日排出冷凝后的液相輕組分3.736噸,導熱油系統中的輕組分明顯較第二階段下降,隨著導熱油溫度的提升和脫輕設備真空度的提高,但依舊產生較多數量的冷凝液相輕組分;

第四階段:第十三天至第十五天處于導熱油在線脫輕的末期,導熱油溫度提升了5℃至275℃,真空度已提高至0.9 MPa,該階段分離出輕組分5.098噸,這個時期平均每日排出冷凝后的液相輕組分1.7噸,這說明即便是將導熱油溫度提至超過日常工作溫度10℃,脫輕設備真空度提至最高范圍,導熱油系統中的氣相輕組分在當前這個時期基本被全部分離出來。

對表3導熱油在線脫輕項目實施過程施工方檢測閃點數值數據分析顯示,隨著周期15天的導熱油在線脫輕項目的深入實施,導熱油閃點呈現不斷上升的趨勢,由此可以判斷氣相輕組分基本已在當前運行溫度下基本全部排出,考慮到導熱油系統在脫輕末期的運行溫度(275℃)已超過日常工作溫度10℃,已達到并超出項目實施目標(170℃)如圖8。

圖8 項目驗收第三方檢測報告

表3 導熱油在線脫輕項目實施過程施工方檢測閃點數值 ℃

5 實施后系統運行效果

陜西有色榆林新材料集團有限責任公司陽極分公司成型車間導熱油在線脫輕項目實施前后歷時15天,導熱油閃點由實施前的110℃提高至實施后的178℃,累計產生冷凝輕組分56.523噸,項目實施結果高于預期目標。同時導熱油系統運行情況趨于安全、穩定,主要體現在以下幾點:

(1)人工輔助排氣氣量下降明顯,作業頻次減少,降低崗位人員勞動強度;

(2)導熱油系統升溫過程較前期平穩,升溫速率能夠按照升溫曲線執行;

(3)導熱油系統壓力不再受生產線中斷后換熱量下降而瞬間降低,未出現導熱油系統波動問題;

(4)余熱熱媒鍋爐導熱油出口流量提高至合理范圍,鍋爐安全運行性能進一步增強;

(5)屏蔽泵運行噪音大幅下降,氣蝕現象基本消除;

(6)導熱油管線、閥門振動現象得到較大緩解。

6 結 論

導熱油因其類型、品質、最高工作溫度等自身特性的不同,熱裂解程度亦不相同,且在系統運行中受溫升不穩、含水、系統缺陷等外部條件的影響,在系統長期運行后會產生大量輕組分,輕組分過高會直接導致導熱油系統壓力不穩和氣蝕頻繁,是造成導熱油閃點下降的最重要原因,亦是增加作業環境安全風險的關鍵因素。導熱油在線脫輕技術可以有效處理輕組分,在提高導熱油閃點方面有著其獨特優勢。

(1)導熱油更換或新舊油摻配調和不科學更不經濟。

(2)導熱油在線脫輕在炭素導熱油系統成功實施后系統運行更平穩,提高閃點的同時降低了系統自身和現場環境的安全風險。

(3)導熱油在線脫輕可實現系統不停車,在線脫輕溫度為240～275℃,能夠滿足鋁用陽極生產所需工藝溫度。

表4 導熱油在線脫輕實施前后閃點數據分析表