費(fèi)托反應(yīng)器旋風(fēng)分離器改造及運(yùn)行優(yōu)化

王江(國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司煤制油分公司，寧夏 銀川 750411)

0 引言

我國(guó)是一個(gè)富煤、貧油、少氣的國(guó)家，隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)對(duì)能源的需求不斷增加。當(dāng)前我國(guó)石油對(duì)外依存度已超過60%，發(fā)展煤制油產(chǎn)業(yè)可有效緩解因富煤缺油給我國(guó)能源安全帶來的挑戰(zhàn)。400萬噸/年煤制油項(xiàng)目設(shè)計(jì)年產(chǎn)油品404萬噸，轉(zhuǎn)化煤炭2466萬噸/年，總投資550億元，于2016年11月首次試車運(yùn)行，該裝置采用中科合成油的中溫費(fèi)托合成技術(shù)建設(shè)，核心單元由8個(gè)年產(chǎn)50萬t費(fèi)托合成中間產(chǎn)物的漿態(tài)床反應(yīng)器組成，具有設(shè)備系列多、規(guī)模大、配置復(fù)雜的特點(diǎn)[1]。

費(fèi)托合成反應(yīng)器為油品合成裝置核心設(shè)備之一，屬首次工業(yè)化應(yīng)用于費(fèi)托合成工藝，其主要功能為將上游凈化裝置送來的合成氣、尾氣處理裝置回收的氫氣與循環(huán)氣壓縮機(jī)出口的循環(huán)氣混合，混合后的氣體進(jìn)入循環(huán)換熱分離器與反應(yīng)器頂出來的高溫油氣進(jìn)行換熱，換熱后氣體進(jìn)入費(fèi)托合成反應(yīng)器。反應(yīng)器底部設(shè)置氣體分布器內(nèi)件，合成氣進(jìn)入氣體分布器形成均勻的氣泡，穿過漿態(tài)床催化劑床層，發(fā)生費(fèi)托合成反應(yīng)。反應(yīng)生成蠟、輕質(zhì)烴類化合物、CO2、水，其中蠟經(jīng)反應(yīng)器內(nèi)過濾系統(tǒng)排至重質(zhì)蠟收集罐[2]，其它物質(zhì)隨高溫油氣從頂部帶出。由于高溫油氣中夾帶渣蠟、費(fèi)托催化劑，進(jìn)入后系統(tǒng)易堵塞內(nèi)件，費(fèi)托反應(yīng)器頂部設(shè)置旋風(fēng)分離器，進(jìn)行氣、固、液三相分離。氣相經(jīng)旋風(fēng)分離器頂部氣相口進(jìn)入反應(yīng)器頂部集液包，分液后離開反應(yīng)器進(jìn)入后系統(tǒng)。渣蠟及催化劑進(jìn)入降液管流至反應(yīng)器下部液相。

1 存在問題

自裝置投料試車以來，由于旋風(fēng)分離器入口口徑大，氣體進(jìn)入旋風(fēng)分離器后流速過低，慣性離心力小，分離效率低。且旋風(fēng)分離器降液管高度不夠，無法保證降液管出口浸入液面以下，液封效果差，反應(yīng)器內(nèi)上升氣體從降液管直接排出反應(yīng)器，旋風(fēng)分離器無法起到有效分離效果。導(dǎo)致費(fèi)托合成反應(yīng)器內(nèi)大量渣蠟、費(fèi)托催化劑被高溫油氣帶出，進(jìn)入循環(huán)換熱分離器、油氣空冷器、輕質(zhì)油分離器，造成裝置無法穩(wěn)定運(yùn)行，主要問題如下：

1.1 循環(huán)換熱分離器內(nèi)件堵塞嚴(yán)重

循環(huán)換熱分離器為循環(huán)氣換熱+重質(zhì)油分離一體設(shè)備，上部為換熱內(nèi)件，下部為分離內(nèi)件。其中換熱內(nèi)件為板式換熱器，采用焊接式換熱板，板間距較小。分離內(nèi)件為波紋板分離器，波紋板為Munters單囊波紋板。高溫油氣夾帶大量渣蠟、費(fèi)托催化劑進(jìn)入循環(huán)換熱分離器，造成換熱內(nèi)件及分離內(nèi)件堵塞(圖1)。循環(huán)換熱器堵塞后，分離效果降低，大量重質(zhì)油無法有效分離，進(jìn)入后系統(tǒng)油氣空冷器。因空冷器出口溫度為45℃，重質(zhì)油在空冷器中冷凝，堵塞翅片管。造成空冷器出口溫度高，運(yùn)行負(fù)荷增大，夏季高溫天氣冷后溫度高，高溫油氣無法冷卻，系統(tǒng)壓力高，無法高負(fù)荷運(yùn)行。另一方面高溫油氣易帶液，造成循環(huán)氣壓縮機(jī)入口分液罐液相大，影響壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。高溫油氣經(jīng)油氣空冷器冷卻后進(jìn)入輕質(zhì)油分離器，輕質(zhì)油分離器為波動(dòng)板分離內(nèi)件，輕質(zhì)油中夾帶的重質(zhì)油、催化劑在波紋板上冷凝，造成內(nèi)件堵塞，導(dǎo)致壓縮機(jī)做功增大。

圖1 循環(huán)換熱分離器內(nèi)件堵塞催化劑照片

1.2 系統(tǒng)整體壓差增大

因高溫油氣攜帶費(fèi)托催化劑，隨著裝置運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，循環(huán)換熱分離器、油氣空冷器、輕質(zhì)油分離器、壓縮機(jī)入口分液罐堵塞越來越嚴(yán)重。尤其是循環(huán)換熱分離器，熱側(cè)壓差逐漸增大，最高可達(dá)到310kPa，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值。壓差增大造成內(nèi)件超壓運(yùn)行，存在內(nèi)件破損的隱患。系統(tǒng)總壓差原設(shè)計(jì)0.45MPa，運(yùn)行過程中最高達(dá)到0.85MPa。系統(tǒng)整體壓差增大，造成壓縮機(jī)做功大，氣體循環(huán)量降低，裝置無法高負(fù)荷運(yùn)行，能耗高等問題。

1.3 循環(huán)換熱分離器無液位

因循環(huán)換熱分離器內(nèi)件堵塞，高溫油氣從未堵塞的部分流動(dòng)，換熱效率降低。一方面換熱后油氣溫度高，重質(zhì)油無法冷凝，直接被帶入后系統(tǒng)油氣空冷器。另一方面堵塞后氣體流速過高，將冷凝后的重油吹起帶走。同時(shí)循環(huán)換熱分離器內(nèi)件壓差增大，存在部分包邊破損，內(nèi)件損壞的情況， 尤其是換熱內(nèi)件出口集合板，存在整板脫落的情況。大量油氣未進(jìn)行分離直接進(jìn)入后系統(tǒng)，造成循環(huán)換熱分離器無液位。原設(shè)計(jì)重油在循環(huán)換熱分離器中進(jìn)行分離，分離的重油直接進(jìn)入汽提塔。因循環(huán)換熱分離器無液位，全部進(jìn)入輕質(zhì)油分離器，最后進(jìn)入油水分離器。造成輕質(zhì)油與重質(zhì)油混合在一起，輕質(zhì)油量增大，輕質(zhì)油泵無法滿足輸送量要求，油水分離器液位高，進(jìn)入壓縮機(jī)入口分液罐，影響循環(huán)氣壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

因旋風(fēng)分離器分離效果差，造成后系統(tǒng)堵塞，壓差增大，內(nèi)件破損等問題，成為制約裝置穩(wěn)定運(yùn)行的瓶頸問題。因裝置為首套百萬噸級(jí)煤制油項(xiàng)目，國(guó)內(nèi)無成熟經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。通過技術(shù)攻關(guān)，問題的源頭在于旋風(fēng)分離器，為提高旋風(fēng)分離器分離效果，決定對(duì)旋風(fēng)分離器進(jìn)行改造。

2 改造方案

原設(shè)計(jì)單個(gè)費(fèi)托反應(yīng)器頂部?jī)?nèi)置10臺(tái)旋風(fēng)分離器，頂部高溫油氣切向進(jìn)入旋風(fēng)分離器，由直線運(yùn)動(dòng)變成圓周運(yùn)動(dòng)。氣流螺旋向椎體流動(dòng)，在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生離心力，將催化劑、渣蠟甩向器壁失去慣性力，依靠入口的動(dòng)量和重力沿壁面下落進(jìn)入集液口最終被分離[2]。

為提高氣體流速，增大慣性離心力，同時(shí)減少氣量大攜帶催化劑多的情況，經(jīng)分析，將反應(yīng)器頂部10個(gè)旋風(fēng)分離器拆除，以原管口為圓心對(duì)稱分布4個(gè)小型旋風(fēng)分離器，共計(jì)40個(gè)/臺(tái)(見圖2)，旋風(fēng)分離器尺寸縮小一半。同時(shí)為防止氣相從降液管底部進(jìn)入旋風(fēng)分離器，影響旋風(fēng)分離效果，降液管長(zhǎng)度由換熱列管位置延伸至q1卸料口，徹底浸入液面以下。

圖2 旋風(fēng)分離器改造前后示意圖

3 效果對(duì)比

3.1 重質(zhì)油鐵含量降低

改造前催化劑大量帶入循環(huán)換熱分離器，造成重質(zhì)油顏色較深鐵含量高，改造后催化劑明顯減少，重質(zhì)油催化劑鐵含量降低50%。重質(zhì)油加熱器運(yùn)行周期改造前為2兩個(gè)月，改造后至今6個(gè)月運(yùn)行正常，未出現(xiàn)堵塞情況。

圖3 改造前重質(zhì)油照片

圖4 改造后重質(zhì)油照片

3.2 循環(huán)換熱分離器熱側(cè)壓差降低

改造前催化劑大量進(jìn)入循環(huán)換熱分離器，造成分離器熱側(cè)壓差不斷增大，壓差過大導(dǎo)致包邊變形破損，合成氣直接漏入尾氣中，造成尾氣量大，轉(zhuǎn)化率降低，反應(yīng)器被迫停車。改造后運(yùn)行6個(gè)月循環(huán)換熱分離器熱側(cè)壓降無明顯上升，大大延長(zhǎng)了反應(yīng)器運(yùn)行周期。

圖5 改造前熱側(cè)壓差

圖6 改造后熱側(cè)壓差

3.3 重質(zhì)油、輕質(zhì)油分離更加徹底

改造前受循環(huán)換熱分離器堵塞影響，重質(zhì)油與輕質(zhì)油分離較差，重質(zhì)油初餾點(diǎn)較低，輕質(zhì)油終餾點(diǎn)較高。改造后輕質(zhì)油與重質(zhì)油分離更為精細(xì)，為后續(xù)中間產(chǎn)品提質(zhì)，經(jīng)濟(jì)附加值延伸提供可能。

3.4 系統(tǒng)阻力降低，裝置負(fù)荷提高

改造前循環(huán)換熱分離器堵塞嚴(yán)重，系統(tǒng)阻力降增大，裝置能耗高，無法高負(fù)荷運(yùn)行。改造后由于系統(tǒng)阻力降降低，反應(yīng)溫度提高，反應(yīng)器入塔溫度提高，汽包副產(chǎn)蒸汽量增大。循環(huán)氣量提高，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率提高3%。循環(huán)氣壓縮機(jī)做功減小，蒸減少了透平蒸汽消耗量。單系列負(fù)荷提高至110%穩(wěn)定運(yùn)行，油品產(chǎn)量增加，增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

通過技術(shù)改造，提高了費(fèi)托反應(yīng)器氣固液三相分離效果，減少了高溫油氣中蠟油、催化劑含量，減輕了循環(huán)換熱分離器內(nèi)件堵塞情況，延長(zhǎng)了運(yùn)行周期，避免費(fèi)托反應(yīng)器頻繁開停車造成運(yùn)行成本、人力、物力增加。同時(shí)提高了反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，降低了裝置能耗，更是極大減少了費(fèi)托催化劑的損耗，降低了生產(chǎn)成本。提高了輕重油分離效果，為中間產(chǎn)品提質(zhì)，產(chǎn)品多樣性開發(fā)提供可能，提高了企業(yè)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。通過改造，裝置運(yùn)行更加穩(wěn)定，運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)，提高了我國(guó)費(fèi)托合成技術(shù)大型工業(yè)化應(yīng)用水平。