費(fèi)托合成裝置改造及工藝優(yōu)化

張 武

（國家能源集團(tuán) 寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750411）

世界上單體生產(chǎn)規(guī)模最大的煤基間接液化項(xiàng)目[1]，采用中科合成油技術(shù)有限公司開發(fā)的中溫費(fèi)托合成技術(shù)（T=260～280 ℃）[2]。費(fèi)托合成[3]是以合成氣（CO 與H2的混合氣）為原料，在一定溫度和壓力條件下，在催化劑的作用下，生成不同碳鏈烴類、含氧有機(jī)物，同時(shí)伴有水煤氣變換等副反應(yīng)的工藝過程。在漿態(tài)床反應(yīng)器中，費(fèi)托合成反應(yīng)為強(qiáng)放熱反應(yīng)，汽包將費(fèi)托合成反應(yīng)產(chǎn)生的熱量及時(shí)從換熱列管中移除，從而實(shí)現(xiàn)等溫反應(yīng)。而固體催化劑顆粒分散于液相介質(zhì)中，原料氣和循環(huán)氣從費(fèi)托反應(yīng)器底部氣體分布器中以鼓泡的形式通過含有催化劑漿料床層進(jìn)行費(fèi)托合成反應(yīng)，高溫油氣從反應(yīng)器底部向頂部移出，氣體向上移動(dòng)過程中帶動(dòng)催化劑顆粒在反應(yīng)器內(nèi)軸向分布，會(huì)夾帶催化劑小顆粒和粉末；反應(yīng)生成的重質(zhì)烴類經(jīng)過反應(yīng)器中部內(nèi)置的過濾系統(tǒng)排出。

費(fèi)托合成裝置開車前期存在問題較多，由于旋風(fēng)分離器分離效果差，循環(huán)換熱分離器出現(xiàn)內(nèi)件堵塞、熱側(cè)壓差高、換熱內(nèi)件破裂、重質(zhì)油分離效果差、換熱效率差和蠟過濾器堵塞等問題[4—6]，裝置隨著運(yùn)行周期增長被迫降負(fù)荷。雖然前期公司也對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行了局部改造，得到了一定的效果，但仍然沒有從根本上解決換熱和分離效果差等重點(diǎn)問題，嚴(yán)重制約著本裝置長期穩(wěn)定安全生產(chǎn)，同時(shí)存在設(shè)備安全隱患。結(jié)合本裝置技術(shù)特點(diǎn)，公司對(duì)旋風(fēng)分離器和循環(huán)換熱分離器進(jìn)行技術(shù)改造后，裝置運(yùn)行良好，徹底解決了制約費(fèi)托合成裝置滿負(fù)荷運(yùn)行的瓶頸。本文將從大型煤制油技術(shù)改造措施方面進(jìn)行探討，為國內(nèi)煤炭間接液化項(xiàng)目提供借鑒。

1 旋風(fēng)分離器的改造

旋風(fēng)分離器是費(fèi)托反應(yīng)器內(nèi)部的關(guān)鍵設(shè)備，其原理是利用氣-固混合物在做高速旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的離心力，將固體催化劑從氣流中向下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，最終進(jìn)入旋風(fēng)分離器的下部錐體內(nèi)，從而使催化劑小顆粒得到了有效的回收，減少催化劑消耗。因此，旋風(fēng)分離器的作用是防止反應(yīng)器頂部高溫油氣中夾帶催化劑小顆粒進(jìn)入循環(huán)換熱分離器內(nèi)，堵塞設(shè)備內(nèi)件和閥門。

1.1 旋風(fēng)分離器料腿長度不足

若旋風(fēng)分離器下部料腿密封不嚴(yán)而漏入氣體，將會(huì)把已落入旋風(fēng)分離器的催化劑重新帶走，使催化劑分離效率明顯下降。如果費(fèi)托反應(yīng)器液位過低，料腿深入床層較淺，料腿內(nèi)液面高度不足，氣體將夾帶催化劑小顆粒從料腿倒竄進(jìn)入旋風(fēng)分離器內(nèi)，從而被高溫油氣從頂部帶出，使大量催化劑顆粒進(jìn)入循環(huán)換熱分離器內(nèi)，堵塞循環(huán)換熱分離器內(nèi)件，堵塞嚴(yán)重會(huì)影響裝置正常運(yùn)行，造成裝置被迫停車檢修。在開車前期低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，反應(yīng)器液位過低，無法保證料腿深入到漿料液面以下，不能形成有效液封。為解決此問題，本裝置將旋風(fēng)分離器料腿在原來長度上延長10 m 左右，這樣能夠保證在開停車、反應(yīng)器卸廢催化劑時(shí)，料腿浸沒至漿料中，防止了費(fèi)托反應(yīng)器內(nèi)上升合成氣倒竄而帶出催化劑顆粒，提高了氣固相分離效率，降低了催化劑的消耗，節(jié)約了成本。

1.2 旋風(fēng)分離器的改造

旋風(fēng)分離器的尺寸直接影響到氣固相的分離效率。旋風(fēng)分離器入口口徑大，氣體進(jìn)入旋風(fēng)分離器后流速低、慣性力小、氣固分離效率低。理論上，降低入口橫截面積能提高入口氣速，氣固分離效率也會(huì)增加。為解決此問題，本裝置采用提高入口氣速的方法[7]，優(yōu)化旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)，提高氣固分離效率。

費(fèi)托反應(yīng)器頂部最初設(shè)計(jì)采用10 個(gè)大旋風(fēng)分離器，入口速度約為9.63 m/s[8]，其分離效果差，重質(zhì)油夾帶催化劑嚴(yán)重，鐵含量最高達(dá)160 μg/kg，造成循環(huán)換熱分離器內(nèi)件堵塞、壓差高，嚴(yán)重制約著費(fèi)托合成裝置滿負(fù)荷運(yùn)行周期。本裝置經(jīng)過技術(shù)改造，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)。旋風(fēng)分離器尺寸縮小一半，入口速度提高至19.46 m/s[8]，有效提高了固體催化劑顆粒的分離效率，能夠滿足費(fèi)托合成裝置的工藝要求，有效將穩(wěn)定蠟中鐵含量降至30 μg/kg以內(nèi)，如圖1 所示。

圖1 旋風(fēng)分離器改造前后穩(wěn)定蠟中的鐵含量

2 循環(huán)換熱分離器的改造

循環(huán)換熱分離器是費(fèi)托合成裝置的核心設(shè)備之一，采用換熱和分離二合一的設(shè)備[4]，如圖2 所示。設(shè)備上部是換熱模塊，設(shè)備下部是分離模塊，設(shè)備的主要功能是將高溫油氣先進(jìn)行換熱降溫，回收高溫油氣的熱量，再進(jìn)行氣液徹底的分離。高溫油氣中夾帶催化劑顆粒會(huì)造成循環(huán)換熱分離器內(nèi)件堵塞，使得熱側(cè)壓差增大，進(jìn)而造成系統(tǒng)壓力升高、系統(tǒng)阻力高，嚴(yán)重影響費(fèi)托合成裝置的滿負(fù)荷運(yùn)行周期。

圖2 循環(huán)換熱分離器

費(fèi)托合成裝置自2016 年開車以來，初期熱側(cè)壓差很低（40～100 kPa），連續(xù)運(yùn)行半年后壓差一般大于200 kPa，某系列熱側(cè)壓降不斷升高，最高超過330 kPa（設(shè)計(jì)值50 kPa），持續(xù)上漲將會(huì)造成換熱器內(nèi)件泄漏，冷熱流體起不到換熱的作用。循環(huán)換熱器分離器熱側(cè)出口溫度152～170 ℃（設(shè)計(jì)值125 ℃），冷側(cè)出口溫度155～175 ℃（設(shè)計(jì)值204 ℃），單臺(tái)反應(yīng)器副產(chǎn)2.8 MPa 蒸汽量減小45 t/h 左右，能耗增加。從取樣分析可知，重質(zhì)油鐵含量大于100 μg/kg，夾帶催化劑量較多，堵塞循環(huán)換熱分離器內(nèi)件，造成換熱和分離效果差。

隨著費(fèi)托合成裝置運(yùn)行周期增長，負(fù)荷提高，循環(huán)換熱分離器存在內(nèi)件堵塞、包邊損壞、板式換熱器泄漏、重質(zhì)油和輕質(zhì)油分離不徹底等問題。通過對(duì)裝置存在的以上問題進(jìn)行分析可知，循環(huán)換熱分離器板片間隙小，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)含有大量催化劑的小顆粒和重質(zhì)蠟黏結(jié)在內(nèi)件上，不適合本裝置高黏度、易結(jié)垢的分離工況。本裝置對(duì)循環(huán)換熱分離器進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，將原來的循環(huán)換熱分離器改造為循環(huán)換熱器和重質(zhì)油分離器2 個(gè)單獨(dú)的設(shè)備，如圖3 所示。

圖3 改造后的換熱器、重質(zhì)油分離器

技術(shù)改造后循環(huán)換熱分離器運(yùn)行10 個(gè)月的參數(shù)見表1。熱側(cè)壓差為20 kPa，熱側(cè)出口溫度131 ℃左右（設(shè)計(jì)值125 ℃），重質(zhì)油中鐵含量＜5 μg/kg，重質(zhì)油和輕質(zhì)油分離更加徹底。輕質(zhì)油終餾點(diǎn)降低至185 ℃，重質(zhì)油初餾點(diǎn)達(dá)到175 ℃。循環(huán)換熱分離器熱側(cè)壓差低，換熱效果好，有效回收了熱量，降低了能耗，減少了循環(huán)換熱分離器內(nèi)件堵塞，有效延長了費(fèi)托合成裝置運(yùn)行周期，從而達(dá)到了安全清潔生產(chǎn)。

表1 改造后的循環(huán)換熱分離器運(yùn)行參數(shù)

3 蠟過濾器

蠟過濾器是費(fèi)托合成裝置的關(guān)鍵設(shè)備，由蠟過濾管組成，其作用是在漿態(tài)床費(fèi)托反應(yīng)器內(nèi)將生成的重質(zhì)蠟和固體鐵基催化劑進(jìn)行分離。蠟過濾管為絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)，過濾精度為20 μm，做工精細(xì)，造價(jià)昂貴。某裝置反應(yīng)器內(nèi)置184 個(gè)過濾器，在反應(yīng)器內(nèi)每2 個(gè)過濾器合并為1 個(gè)出蠟口，共92 個(gè)出蠟口，分為8組，每組11～12 個(gè)出蠟口，每個(gè)過濾器由8 個(gè)蠟過濾管組成。在裝置運(yùn)行時(shí)，由于操作不當(dāng)會(huì)造成蠟過濾器破損（圖4），使催化劑小顆粒隨重質(zhì)蠟一起從過濾器排出，導(dǎo)致穩(wěn)定蠟中鐵含量超標(biāo)（＞100 μg/kg），將直接影響到蠟過濾單元的處理能力以及合格蠟的產(chǎn)品質(zhì)量。

圖4 蠟過濾器破損

蠟過濾器損壞與否可從現(xiàn)場取樣和化驗(yàn)分析得知?，F(xiàn)場取樣的重質(zhì)蠟發(fā)黑，鐵含量高達(dá)3 000 μg/kg，超標(biāo)嚴(yán)重。一旦發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定蠟樣發(fā)黑，要取樣排查重質(zhì)蠟樣品，對(duì)排查出破損的蠟過濾器進(jìn)行切出，并做好記錄，等待檢修時(shí)更換新的蠟過濾器。

蠟過濾器損壞的原因主要有：安裝時(shí)損壞，驗(yàn)收質(zhì)量把關(guān)不嚴(yán)；費(fèi)托反應(yīng)器內(nèi)置蠟過濾器出蠟壓差波動(dòng)太大；反吹氣壓差太大或反吹次數(shù)過多；蠟過濾器出蠟時(shí)間不均勻，造成蠟過濾器出蠟時(shí)間太長、疲勞損壞。

在停車檢修時(shí)，由于費(fèi)托反應(yīng)器內(nèi)部蠟過濾管數(shù)量多，設(shè)備安裝管理不嚴(yán)，安裝蠟過濾器法蘭緊偏、未裝墊片等現(xiàn)象都會(huì)造成重質(zhì)蠟鐵含量超標(biāo)。一般重質(zhì)蠟中鐵含量在100～500 μg/kg，嚴(yán)重影響穩(wěn)定蠟和合格蠟的品質(zhì)。

當(dāng)費(fèi)托合成裝置運(yùn)行周期增長，催化劑破損量增多，催化劑粒徑＜20 μm 的顆粒和粉末隨重質(zhì)蠟一起從蠟過濾器排出，會(huì)造成穩(wěn)定蠟中鐵含量超標(biāo)（＞100 μg/kg），影響產(chǎn)品質(zhì)量。

在正常生產(chǎn)中，應(yīng)盡量維持工藝條件穩(wěn)定，嚴(yán)格控制蠟過濾器的出蠟壓差、過濾時(shí)間、反吹壓差、反吹時(shí)間、浸泡時(shí)間，定期切換蠟過濾器，嚴(yán)格按照工藝指令執(zhí)行，精細(xì)操作。

4 催化劑

費(fèi)托合成反應(yīng)常用的催化劑包括鐵基、鈷基和鎳基催化劑。常用于工業(yè)的催化劑有鐵基和鈷基。鐵基催化劑與鈷基催化劑相比，鐵基催化劑具有價(jià)格低廉，水煤氣變換反應(yīng)活性適中，溫度和氫碳比可操作空間大等特點(diǎn)，非常適合費(fèi)托合成漿態(tài)床技術(shù)。鐵基催化劑[9]是漿態(tài)床費(fèi)托合成反應(yīng)的核心技術(shù)，其性質(zhì)直接決定著反應(yīng)物的選擇性和收率。費(fèi)托合成反應(yīng)深度對(duì)產(chǎn)品的分布和產(chǎn)品質(zhì)量有重要影響。在漿態(tài)床反應(yīng)器中，工業(yè)要求催化劑顆粒直徑為20～200 μm，而粒徑＜20 μm 的顆粒約占5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）左右。

重質(zhì)蠟中的鐵含量是由蠟過濾器的精度和催化劑細(xì)粉末決定的，蠟過濾器濾芯精度不變，只能從催化劑的耐磨性本身考慮。漿態(tài)床反應(yīng)器是氣固液三項(xiàng)反應(yīng)，難免有催化劑之間的碰撞，催化劑顆粒與反應(yīng)器內(nèi)件之間的摩擦和碰撞等將會(huì)造成大量固體催化劑顆粒破碎。隨著費(fèi)托合成裝置周期增長，催化劑顆粒將變小，活性會(huì)逐漸降低，細(xì)小催化劑顆粒會(huì)漂浮在漿態(tài)床上部，如圖5 所示。

圖5 工業(yè)催化劑樣品電鏡圖（顯微鏡放大500 倍）

從現(xiàn)場取樣分析可知，反應(yīng)器上部漿液中漂浮的細(xì)小催化劑顆粒和粉末較多，粒徑在20～40 μm 的催化劑約占40%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），而在反應(yīng)器下部漿液中細(xì)小催化劑顆粒20～40 μm 約占15%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。因此，為保持催化劑具有較高的活性，必須及時(shí)將磨損的催化劑小顆粒和粉末從漿態(tài)床反應(yīng)器上部卸出，保持催化劑活性，否則會(huì)影響費(fèi)托合成反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，堵塞蠟過濾器，造成費(fèi)托反應(yīng)器出蠟不暢，嚴(yán)重影響裝置滿負(fù)荷運(yùn)行周期。

當(dāng)催化劑的替換周期過長或每次替換量偏少時(shí)，會(huì)導(dǎo)致催化劑轉(zhuǎn)化率隨著反應(yīng)時(shí)間的增長活性逐漸降低，使催化劑失活和保有量不足；催化劑機(jī)械強(qiáng)度變差，催化劑破損量增多，會(huì)導(dǎo)致催化劑小顆粒隨重質(zhì)蠟從過濾器一起排出，造成穩(wěn)定蠟中鐵含量超標(biāo)（＞100 μg/kg），嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。如果不及時(shí)將固體催化劑細(xì)小顆粒從反應(yīng)器上部卸出，高溫油氣會(huì)將催化劑小顆粒從旋風(fēng)分離器頂部帶出進(jìn)入循環(huán)換熱分離器內(nèi)，造成其內(nèi)件堵塞。隨著裝置運(yùn)行周期增長，催化劑細(xì)小顆粒、粉末和蠟等黏結(jié)物沉積于蠟過濾器的孔道內(nèi)，使孔道堵塞且不易被反吹，造成反應(yīng)器出蠟不暢，最終導(dǎo)致反應(yīng)器液位過高、裝置降負(fù)荷操作，更嚴(yán)重會(huì)被迫停車檢修。

在正常生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)催化劑的活性、氣量、氫碳比、循環(huán)比和轉(zhuǎn)化率等參數(shù)，對(duì)裝置生產(chǎn)情況及時(shí)調(diào)整。費(fèi)托合成裝置運(yùn)行的穩(wěn)定程度直接取決于催化劑活性，在系統(tǒng)氫碳比波動(dòng)大、系統(tǒng)壓力波動(dòng)大、大幅度降負(fù)荷、反應(yīng)器飛溫等異常工況下，都會(huì)造成鐵基催化劑失活。因此，必須嚴(yán)格控制工藝條件，精心操作，實(shí)現(xiàn)費(fèi)托合成裝置高效、安全、穩(wěn)定運(yùn)行，提高在同行業(yè)中的競爭力。

5 結(jié)論

（1）旋風(fēng)分離器改造后，旋風(fēng)分離器將細(xì)小催化劑顆粒返回至反應(yīng)器漿料床層中，提高了催化劑回收率，大大降低了催化劑消耗，防止循環(huán)換熱分離器內(nèi)件的堵塞。

（2）循環(huán)換熱分離器改造后，熱側(cè)壓差降低，系統(tǒng)阻力降低，重質(zhì)油與輕質(zhì)油分離徹底，系統(tǒng)能耗降低，徹底解決了制約費(fèi)托合成裝置穩(wěn)定運(yùn)行的瓶頸。

（3）優(yōu)化工藝參數(shù)，延長蠟過濾器使用壽命，能有效降低穩(wěn)定蠟中的鐵含量。

（4）嚴(yán)格控制催化劑替換量和替換周期，保持催化劑高活性運(yùn)行，能夠提高費(fèi)托反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。

（5）通過一系列技術(shù)改造和工藝優(yōu)化，徹底解決了本裝置存在的換熱、分離、能耗高等問題，有效將穩(wěn)定蠟中鐵含量從100 μg/kg 降至＜30 μg/kg，產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。