煤直接液化裝置沉積結(jié)焦規(guī)律分析及預(yù)防

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(中國(guó)神華煤制油化工有限公司 鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引 言

中國(guó)富煤、缺油、少氣的資源特點(diǎn)決定了我國(guó)今后在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期以煤炭為主的能源格局不會(huì)改變[1-2]。世界上具有代表性的煤直接液化工藝包括美國(guó)SRC-II工藝、德國(guó)(200 t/d)IGOR+工藝，美國(guó)H-Coal工藝和日本(150 t/d)NEDOL工藝等[3-4]。原神華集團(tuán)(現(xiàn)為國(guó)家能源集團(tuán))利用國(guó)內(nèi)外科研、工程和設(shè)備制造等大型企業(yè)資源，自主進(jìn)行了百萬噸級(jí)煤直接液化示范項(xiàng)目的建設(shè)與運(yùn)行[5]。神華煤直接液化示范工程是我國(guó)實(shí)施能源安全戰(zhàn)略的一項(xiàng)重要工程，是世界首套現(xiàn)代煤直接液化技術(shù)工業(yè)規(guī)模裝置[6]。神華煤直接液化工藝是在充分借鑒、消化、吸收國(guó)外現(xiàn)有煤直接液化工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上，基于國(guó)家“863”高效合成煤直接液化催化劑的開發(fā)成功，完全依靠自身技術(shù)力量開發(fā)形成的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的煤直接液化工藝[7-10]。煤炭直接液化是將粉碎為一定粒度的煤粉顆粒與溶劑、催化劑在一定壓力(10～30 MPa)、溫度(400～480 ℃)條件下，通過加氫裂化將煤炭轉(zhuǎn)化為分子質(zhì)量較小的液態(tài)油的過程[11]。由于煤直接液化裝置工藝流程復(fù)雜，處于高溫、高壓、臨氫及含固等苛刻的操作工況下，不易操作與掌控。截至2018年2月，神華煤直接液化一期工程第一條生產(chǎn)線已累計(jì)穩(wěn)定運(yùn)行2 500 d，積累了寶貴的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。神華煤直接液化示范裝置生產(chǎn)運(yùn)行中暴露出較多問題，其中沉積、結(jié)焦問題尤為突出[12]。因此，本文通過分析裝置的沉積、結(jié)焦部位及規(guī)律，提出了減緩或消除沉積、結(jié)焦的方法，并驗(yàn)證預(yù)防沉積、結(jié)焦的效果。改造后熱中壓分離器結(jié)焦量從1.86 t降至0.27 t;減壓塔進(jìn)料加熱爐連續(xù)運(yùn)行時(shí)間從原來的不足2個(gè)月延長(zhǎng)至6個(gè)月以上;反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)間從200 d提高到420 d，使煤直接液化裝置沉積、結(jié)焦問題得到有效緩解或消除。

1 煤直接液化工藝

神華煤直接液化工藝的核心裝置主要有煤液化裝置、加氫穩(wěn)定裝置、加氫改質(zhì)裝置、輕烴回收裝置和制氫裝置[13]。首先將分選后的精煤粉、補(bǔ)充硫、鐵系催化劑和加氫穩(wěn)定裝置來的循環(huán)供氫溶劑混合制備成油煤漿，油煤漿和煤制氫來氫氣在反應(yīng)器高溫、高壓及催化劑條件下進(jìn)行煤熱解加氫反應(yīng)生成液化油。該液化油和未反應(yīng)的煤、灰分和催化劑等固體在分餾部分分離。分離后的液化油被泵送去加氫穩(wěn)定裝置，含50%固體的減壓塔底油渣送去油渣成型裝置處理。加氫穩(wěn)定裝置為煤直接液化裝置提供合格的循環(huán)供氫溶劑，并將生產(chǎn)的液化油進(jìn)行加氫穩(wěn)定。加氫改質(zhì)裝置將加氫穩(wěn)定裝置提供的穩(wěn)定后的液化油進(jìn)行再加氫的提質(zhì)加工，得到滿足一定規(guī)格要求的產(chǎn)品。輕烴回收裝置是將煤直接液化裝置、加氫穩(wěn)定裝置和加氫改質(zhì)裝置生產(chǎn)的氣體進(jìn)行加工，回收氫氣、液化氣、石腦油，并為全廠提供合格的燃料氣。煤直接液化工藝流程如圖1所示。

圖1 煤直接液化工藝流程示意Fig.1 Schematic diagram of coal direct liquefaction process

圖2 煤直接液化裝置沉積、結(jié)焦部位示意Fig.2 Schematic diagram of deposition and coking site of coal direct liquefaction unit

2 沉積結(jié)焦規(guī)律、原因及改造

煤直接液化裝置經(jīng)過2 500 d以上的運(yùn)行和停工檢修，發(fā)現(xiàn)多處設(shè)備出現(xiàn)煤粉沉積、結(jié)焦，如預(yù)混捏機(jī)及下料線、高壓油煤漿進(jìn)料泵入口、反應(yīng)器循環(huán)杯、熱中壓分離器、冷高壓分離器、減壓塔進(jìn)料加熱爐、減壓分餾塔底、高中溫沖洗油罐底等，嚴(yán)重堵塞設(shè)備、管線。煤直接液化裝置煤粉沉積、結(jié)焦部位如圖2所示。

2.1 預(yù)混捏機(jī)及下料線煤粉的沉積堵塞

煤粉與高中溫溶劑預(yù)先在預(yù)混捏機(jī)中預(yù)混合，提高煤粉在溶劑中分散、溶脹的混合效果。煤粉與溶劑比例若出現(xiàn)較大偏差，將直接導(dǎo)致混捏機(jī)及下料線內(nèi)煤粉掛壁沉積堵塞。煤粉與高中溫溶劑在預(yù)混捏機(jī)中混合時(shí)產(chǎn)生大量油氣從預(yù)混捏機(jī)中釋放出來，造成預(yù)混捏機(jī)內(nèi)氣相攜帶過多煤粉。若此處煤漿濃度控制在50%以上，油煤漿黏度將從正常200 mPa·s左右劇增到2 000 mPa·s以上，造成預(yù)混捏機(jī)或下料線內(nèi)油煤漿流動(dòng)性降低而堵塞。

為避免預(yù)混捏機(jī)及下料線發(fā)生沉積堵塞，在操作上嚴(yán)格控制油煤漿的固體濃度≤50%，通過監(jiān)控油煤漿罐攪拌器、罐底泵、預(yù)混捏機(jī)電流及煤漿濃度理論計(jì)算值來實(shí)時(shí)判斷油煤漿濃度。定期對(duì)預(yù)混捏機(jī)及下料線進(jìn)行沖洗油沖洗及稀釋，確保煤粉不掛壁，保證油煤漿流動(dòng)性。改造后未發(fā)生預(yù)混捏機(jī)及下料線的沉積堵塞情況。

2.2 高壓油煤漿進(jìn)料泵入口集合管煤粉沉積堵塞

混合均勻的油煤漿通過煤漿罐底泵，一部分被輸送到高壓油煤漿進(jìn)料泵入口經(jīng)高壓泵升壓后送進(jìn)反應(yīng)器進(jìn)行加氫液化反應(yīng)，另一部分通過大小循環(huán)線回煤漿罐，保證煤粉與溶劑充分混合。隨運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，高壓油煤漿進(jìn)料泵入口集合管煤粉不斷沉積，導(dǎo)致泵吸入量不足，造成泵頭損壞，增加泵的故障率，嚴(yán)重影響裝置運(yùn)行負(fù)荷(圖3)。

圖3 高壓油煤漿進(jìn)料泵入口集合管堵塞Fig.3 Block of inlet manifold of high pressure oil-coal slurry feeding pump

高壓油煤漿進(jìn)料泵入口集合管中間進(jìn)、出物料，存在煤粉沉積死區(qū)，經(jīng)測(cè)算進(jìn)出物料口下部的油煤漿流速最高僅為0.38 m/s，平均在0.23 m/s左右，遠(yuǎn)低于油煤漿分層流速≥1.5 m/s的要求，故油煤漿在泵入口集合管內(nèi)分層進(jìn)而造成煤粉沉積。高壓油煤漿進(jìn)料泵的入口集合管暫時(shí)無法通過改變集合管結(jié)構(gòu)來消除流動(dòng)死區(qū)，達(dá)到徹底解決集合管煤粉沉積堵塞的問題，但可通過調(diào)整高壓油煤漿進(jìn)料泵入口大小循環(huán)線流量配比，增大循環(huán)量，間接增大入口集合管的介質(zhì)流速，延長(zhǎng)集合管煤粉沉積堵塞時(shí)間。同時(shí)定期對(duì)集合管流量進(jìn)行擾動(dòng)，保證對(duì)集合管的沖洗。目前該泵正進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化改造，已消除入口集合管的流動(dòng)死區(qū)。改造后該泵因入口集合管煤粉沉積堵塞導(dǎo)致的停泵清理周期由3個(gè)月延長(zhǎng)到6個(gè)月。

2.3 反應(yīng)器頂部循環(huán)杯內(nèi)結(jié)焦物堆積堵塞

反應(yīng)溫度較高時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)物料易附著在頂部管壁、抽出口、支撐梁、循環(huán)杯內(nèi)壁、熱偶及核源套管等部位，隨著裝置運(yùn)行周期延長(zhǎng)，附著物逐漸結(jié)焦并增多(圖4)。系統(tǒng)發(fā)生波動(dòng)時(shí)，附著結(jié)焦物脫落，造成結(jié)焦物在循環(huán)杯內(nèi)堆積堵塞，影響反應(yīng)器循環(huán)泵運(yùn)行，進(jìn)而影響裝置運(yùn)行周期。

圖4 反應(yīng)器頂部循環(huán)杯處堵塞Fig.4 Block diagram at the top of reactor circulating cup

煤直接液化裝置采用內(nèi)循環(huán)懸浮床反應(yīng)器,煤粉、瀝青烯、多環(huán)芳烴在反應(yīng)器內(nèi)易發(fā)生縮聚反應(yīng)，同時(shí)煤中灰分也易在反應(yīng)器內(nèi)沉積。受反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式制約，反應(yīng)器頂部循環(huán)杯內(nèi)有4根熱偶套管及1根核源套管穿過，同時(shí)套管的支撐遍布循環(huán)杯上部，均提供了反應(yīng)物料附著沉積的部位。循環(huán)杯處是反應(yīng)物料進(jìn)行氣、液、固分離的區(qū)域，同時(shí)此處又是反應(yīng)最高溫度區(qū)，更易發(fā)生附著物的沉積縮合結(jié)焦。為減緩煤直接液化反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)杯等處的結(jié)焦，主要進(jìn)行以下改造:① 優(yōu)化結(jié)構(gòu)，將循環(huán)杯底部錐段角度由45°調(diào)整到55.5°，增大了坡度，提高了錐段部位的流速，同時(shí)降低了結(jié)焦物在循環(huán)杯內(nèi)的附著力;② 適當(dāng)降低循環(huán)杯及頂部抽出部位的溫度3～5 ℃，減緩此處結(jié)焦傾向;③ 增設(shè)防反應(yīng)物料附著在管壁、抽出口、循環(huán)杯內(nèi)壁等部位的措施，有效降低了附著物結(jié)焦增大的脫落量，進(jìn)而減緩了循環(huán)杯的沉積結(jié)焦堵塞;④ 減少外部供氫、原料煤等裝置的波動(dòng)，使反應(yīng)器內(nèi)物料始終處于全返混狀態(tài)，避免由于波動(dòng)使循環(huán)杯處反應(yīng)物料完全暴露在氣相中而導(dǎo)致高溫結(jié)焦。改造后煤直接液化反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)間從200 d提高到了420 d左右。

2.4 熱中壓分離器器壁附著結(jié)焦脫落堵塞

進(jìn)入熱中壓分離器的物質(zhì)含有煤液化生成油、瀝青質(zhì)、未轉(zhuǎn)化煤等，極易在熱中壓分離器器壁上附著沉積，附著物400 ℃裸露在氣相中不斷縮合結(jié)焦。結(jié)焦物脫落將堵塞熱中壓分離器底部抽出口，造成裝置非計(jì)劃停工。熱中壓分離器的進(jìn)料分為2個(gè)對(duì)稱扇形進(jìn)料口，受進(jìn)料口結(jié)構(gòu)的影響，在兩扇形進(jìn)料口的下部器壁無法得到進(jìn)料介質(zhì)的有效沖刷，同時(shí)此分離器內(nèi)部分輕組分及氫氣被閃蒸出來，較重物料極易附著在器壁上。隨著運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)、液位波動(dòng)及高溫工況影響，附著物不斷沉積結(jié)焦增厚，若熱中壓分離器溫度、液位大幅波動(dòng)，結(jié)焦物極易脫落堵塞分離器底部抽出口。

根據(jù)熱中壓分離器器壁附著結(jié)焦原因，通過調(diào)整其液位控制值來降低附著結(jié)焦量，液位由50%調(diào)整到20%后，結(jié)焦量從1.86 t降低到0.27 t。同時(shí)為避免或減少結(jié)焦，預(yù)增加擾動(dòng)氫適當(dāng)遏制結(jié)焦物生成;為了防止結(jié)焦物堵塞熱中壓分離器底部抽出口，在抽出口位置增設(shè)了防堵設(shè)施，避免了由于結(jié)焦物堵塞而造成裝置停工。

2.5 冷高壓分離器內(nèi)煤粉沉積

煤粉沉積將使冷高壓分離器內(nèi)油水分離空間減小，造成底部酸性水抽出口堵塞，易使氣相攜帶煤粉污染膜分離組件，降低膜分離效率，縮短壽命。冷高壓分離器內(nèi)煤粉沉積主要是由于熱、溫高壓分離器氣相抽出無氣液固分離設(shè)施，熱高壓分離器頂部氣相流速達(dá)到5.48 m/s以上，氣速過大造成煤粉攜帶至冷高壓分離器內(nèi)而沉積。裝置進(jìn)料中部分煤粉顆粒過細(xì)也是造成煤粉攜帶的因素之一，其中<5 μm煤粉占原料煤粉的6%～12%(設(shè)計(jì)為0)。煤粉粒徑越小，穿透力越強(qiáng)，重力越小，更容易被攜帶。通過降低熱高壓分離器頂部氣相流速進(jìn)而避免或減緩冷高壓分離器中煤粉沉積。熱高壓分離器原進(jìn)料分布器設(shè)置較低，物料液位上升到一定高度后，易淹沒進(jìn)料分布器，引起液位大幅波動(dòng)，經(jīng)核算后將熱高壓分離器的分布器提高1 m，增加了液相物料在熱高壓分離器的分離空間和停留時(shí)間，避免了進(jìn)料帶來的液位波動(dòng)。熱高壓分離器氣相抽出增設(shè)氣液固分離設(shè)施，此設(shè)施主要包括擋板和噴淋洗滌分布器，通過擋板使熱高壓分離器頂部氣相流速?gòu)?.48 m/s降低到2.56 m/s，噴淋洗滌使氣相出口夾帶的煤粉含量由5.07 mg/Nm3下降到0.304 mg/Nm3以下。最終使冷高壓分離器內(nèi)煤粉沉積由0.56 t降低到0.05 t。

2.6 減壓塔進(jìn)料加熱爐爐管結(jié)焦堵塞

減壓塔進(jìn)料加熱爐加熱的介質(zhì)富含瀝青質(zhì)、未轉(zhuǎn)化煤及催化劑，且黏度大、流速低，易在高溫工況下發(fā)生縮合結(jié)焦。若減壓爐溫度、流量大幅波動(dòng)后，極易使?fàn)t管內(nèi)結(jié)焦物脫落而堵塞爐管(圖5)。

圖5 減壓塔進(jìn)料加熱爐爐管上部結(jié)焦堵塞Fig.5 Block of coking in the upper tube of feed heating furnace of vacuum tower

在渣油縮合生焦反應(yīng)中，瀝青質(zhì)是主要的生焦前身物，操作溫度越高，瀝青質(zhì)和飽和烴含量越高，瀝青質(zhì)越不穩(wěn)定，越易結(jié)焦[14]。減壓塔進(jìn)料加熱爐物料性質(zhì)與渣油相似，該物料在減壓爐中黏度大、流速低(最低流速僅為0.57 m/s)，同時(shí)此物料中輕組分也在爐管內(nèi)發(fā)生裂解氣化，致使物料在爐管內(nèi)分層且吸熱不均勻，最終導(dǎo)致爐管上部物料高溫縮合結(jié)焦。

為減緩減壓塔進(jìn)料加熱爐爐管內(nèi)物料結(jié)焦，可進(jìn)行以下改造:① 提高介質(zhì)流速，即減壓塔設(shè)置過汽化油循環(huán)到減壓爐系統(tǒng)，提高減壓爐介質(zhì)流速0.84 m/s;減壓爐雙爐膛運(yùn)行改為單爐膛運(yùn)行，流速提高到2.36 m/s;② 為減少輕組分在減壓爐中裂解氣化，減壓爐前的常壓塔降壓操作，拔出輕組分約占原減壓爐進(jìn)料的1/6;③ 將各爐膛的爐管分段引出到爐膛外并增加法蘭設(shè)置，一旦爐管結(jié)焦嚴(yán)重?zé)o法滿足生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，將其切除系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械清焦處理，爐管引出部分則直接拆卸進(jìn)行分段清焦，避免了爐管切割，提高了清焦速度，降低了檢修工期及費(fèi)用。經(jīng)過以上措施，減緩了減壓爐爐管的結(jié)焦程度，減壓爐連續(xù)運(yùn)行時(shí)間從原來的不足2個(gè)月延長(zhǎng)至6個(gè)月以上。

2.7 減壓分餾塔底錐段耐磨襯里表面附著結(jié)焦物脫落堵塞

減壓分餾塔底物料黏度大極易在塔底錐段耐磨襯里附著，隨塔底液位波動(dòng)，附著在襯里同時(shí)暴露在氣相中的物料極易在高溫下縮合結(jié)焦。若減壓塔溫度大幅變化，極易造成耐磨襯里表面附著的結(jié)焦物脫落而堵塞塔底，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致裝置非計(jì)劃停工。減壓分餾塔進(jìn)料經(jīng)旋分分離器后在塔底錐段空間進(jìn)行分餾，煤液化生成油組分被蒸餾到側(cè)線并經(jīng)側(cè)線泵抽出送出裝置，較重的瀝青烯、前瀝青烯、未轉(zhuǎn)化煤、灰分及催化劑等落入塔底。因此物料瀝青烯、前瀝青烯含量高達(dá)40%，未轉(zhuǎn)化煤、催化劑及灰分固體含量達(dá)50%左右，此物料極易在塔底錐段耐磨襯里及支撐梁上附著沉積。隨塔底液位波動(dòng)，附著在襯里及支撐梁上且暴露在氣相中的物料極易在高溫下縮合結(jié)焦。

為了降低減壓塔塔底物料在底部錐段耐磨襯里上的附著結(jié)焦，進(jìn)行以下改造:① 對(duì)塔底結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，塔底原全錐段結(jié)構(gòu)改為大錐段+圓柱段+小錐段的結(jié)構(gòu)，且圓柱段及小錐段無耐磨襯里設(shè)計(jì)，減少塔底物料在圓柱段及小錐段處的附著，最終降低了塔底物料的結(jié)焦量。此塔底結(jié)構(gòu)改造后使物料在塔底的停留時(shí)間由原4 min延長(zhǎng)到30 min，有利于塔底液位控制，避免了液位過高對(duì)耐磨襯里的沖擊及防止物料在耐磨襯里上附著結(jié)焦。② 在裝置停工檢修過程中對(duì)塔底耐磨襯里表面等附著結(jié)焦物的部位進(jìn)行徹底清焦，避免開停工過程中受溫度、液位波動(dòng)導(dǎo)致結(jié)焦物脫落堵塞塔底抽出。經(jīng)過以上措施，降低了減壓塔底部耐磨襯里的結(jié)焦量，避免了因結(jié)焦物脫落堵塞塔底造成的非計(jì)劃停工。

2.8 高、中溫沖洗油罐內(nèi)煤粉沉積

沖洗油主要用作煤直接液化裝置、加氫穩(wěn)定裝置相關(guān)管線、閥門、儀表的連續(xù)和間斷沖洗，防止相關(guān)管線倒串入煤漿而堵塞管線。沖洗油中夾帶煤粉造成較細(xì)的沖洗油管線堵塞，多數(shù)注入點(diǎn)閥門磨損導(dǎo)致內(nèi)漏嚴(yán)重，轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備機(jī)械密封損壞，測(cè)量?jī)x表失靈，影響裝置生產(chǎn)。由于煤粉粒度過細(xì)，煤液化生成油中煤粉攜帶量較大，且貫穿、滲透性很強(qiáng)，致使加氫穩(wěn)定裝置原料油緩沖罐、反應(yīng)器、分餾塔等多處出現(xiàn)煤粉，同時(shí)煤液化生成油出裝置過濾器、加氫穩(wěn)定裝置塔底油過濾器濾芯過濾精度低，無法有效過濾煤粉，被沖洗油帶入高、中溫沖洗油罐而發(fā)生煤粉沉積。

高、中溫沖洗油罐煤粉攜帶問題的根本解決措施是杜絕煤液化生成油攜帶煤粉。在現(xiàn)有工藝條件下只能將進(jìn)高中溫沖洗油罐的沖洗油系統(tǒng)前、加氫穩(wěn)定裝置分餾塔底泵出口、煤液化生成油外送線的過濾器濾芯孔徑從150 μm縮小到75 μm，同時(shí)加大切換頻率。提高過濾精度后，煤液化生成油攜帶煤粉含量降低約70%。

3 結(jié) 語

煤直接液化裝置沉積、結(jié)焦的產(chǎn)生主要是由于物料性質(zhì)、介質(zhì)流速低、設(shè)備結(jié)構(gòu)死區(qū)、高溫縮合等作用影響。根據(jù)沉積、結(jié)焦產(chǎn)生的原因制定了相應(yīng)的解決措施:適當(dāng)提高介質(zhì)流速，消除局部死區(qū)，降低物料附著量，適當(dāng)降低局部溫度，提高過濾精度。改造后有效降低了整個(gè)工藝過程中的沉積、結(jié)焦，反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)間從200 d提高到420 d;減壓塔進(jìn)料加熱爐連續(xù)運(yùn)行時(shí)間從原來的不足2個(gè)月延長(zhǎng)至6個(gè)月以上;熱中壓分離器結(jié)焦量從1.86 t降低到0.27 t;冷高壓分離器內(nèi)煤粉沉積量由0.56 t降低到0.05 t等，有效緩解或消除煤直接液化裝置沉積、結(jié)焦問題，實(shí)現(xiàn)了煤直接液化裝置安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行。