循環(huán)換熱分離器改造及工藝優(yōu)化

張 武

（國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)煤制油分公司，寧夏銀川 750411）

國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)400×104t/a 煤炭間接液化示范項(xiàng)目，是全球單套規(guī)模最大的煤制油液化項(xiàng)目[1]，項(xiàng)目設(shè)計(jì)年煤轉(zhuǎn)化20.36×104t，年產(chǎn)油品406.05×104t。費(fèi)托合成單元是煤炭間接液化項(xiàng)目的核心裝置，采用中科合成油中溫漿態(tài)床F-T 合成技術(shù)[2]。費(fèi)托合成反應(yīng)是以合成氣（H2+CO）為原料在鐵基催化劑的作用下，在一定溫度、壓力條件下反應(yīng)生成不同碳鏈烴類、含氧有機(jī)物和水，同時(shí)伴有水煤氣變換等副反應(yīng)生成，費(fèi)托合成反應(yīng)簡(jiǎn)式為：

費(fèi)托合成反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)[3]，在反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱量如何回收是本單元的主要任務(wù)，而循環(huán)換熱分離器起到回收熱量的作用。循環(huán)換熱分離器是費(fèi)托合成裝置的關(guān)鍵設(shè)備，此設(shè)備首次應(yīng)用于大型煤炭液化項(xiàng)目費(fèi)托合成工況，通過反應(yīng)器頂部出來(lái)的高溫油氣和低溫循環(huán)氣之間換熱，提高凈化氣入塔的溫度，回收高溫油氣的熱量，降低裝置能耗的作用。隨著費(fèi)托合成裝置負(fù)荷的提高及運(yùn)行周期增長(zhǎng)，由于費(fèi)托反應(yīng)器頂部旋風(fēng)分離器分離效果差，導(dǎo)致循環(huán)換熱分離器內(nèi)件堵塞、包邊損壞、板式換熱器泄漏、重質(zhì)油分離效果差、重質(zhì)油帶水、換熱效率低等問題[4-6]。本文主要研究了制約費(fèi)托合成裝置長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的瓶頸，并采取了相應(yīng)的處理措施，為大型煤制油費(fèi)托合成單元“長(zhǎng)、安、穩(wěn)、滿、優(yōu)”提供保障，實(shí)現(xiàn)了在百萬(wàn)噸煤制油項(xiàng)目費(fèi)托合成單元應(yīng)用成功。

1 工藝簡(jiǎn)介

寧夏煤業(yè)煤炭間接液化示范項(xiàng)目設(shè)計(jì)8 臺(tái)循環(huán)換熱分離器，其中6 臺(tái)進(jìn)口循環(huán)換熱分離器采用ZIEPACK（阿法拉伐）制造換熱內(nèi)件，殼體由大連金重制造（見圖1），2 臺(tái)國(guó)產(chǎn)循環(huán)換熱分離器采用甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司制造。

圖1 ZIEPACK 循環(huán)換熱分離器結(jié)構(gòu)示意圖

循環(huán)換熱分離器是費(fèi)托合成裝置的核心設(shè)備之一，采用換熱和分離為一體的設(shè)備，設(shè)備采用立式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、占地面積小等特點(diǎn)。設(shè)備上部為板式換熱器，下部為波紋板分離器，波紋板為Munters單囊波紋板（DH5000 型），分離元件由絲網(wǎng)+波紋板+均氣板構(gòu)成，其設(shè)計(jì)參數(shù)（見表1）。

表1 進(jìn)口循環(huán)換熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)

循環(huán)換熱分離器是高溫油氣從頂部進(jìn)入循環(huán)換熱分離器換熱板束，與低溫循環(huán)氣換熱后進(jìn)入對(duì)稱的4組分離內(nèi)件進(jìn)行氣液分離，分離后的高溫油氣經(jīng)殼體內(nèi)壁收集后氣出口送往高溫油氣空冷器，冷卻的重質(zhì)油經(jīng)過分離內(nèi)件底部積液槽和降液管自罐底部出口管線送至汽提塔?？梢?，循環(huán)換熱分離器的主要作用是將高溫油氣先進(jìn)行換熱降溫并回收高溫油氣的熱量，再進(jìn)行氣液徹底分離的過程。

2 裝置存在的問題

費(fèi)托合成裝置自從2016 年12 月28 日試車以來(lái)，由于費(fèi)托反應(yīng)器頂部旋風(fēng)分離器分離效果差，高溫油氣中攜帶催化劑顆粒進(jìn)入后系統(tǒng)，導(dǎo)致循環(huán)換熱分離器內(nèi)件堵塞、換熱內(nèi)件破裂、熱側(cè)壓差高、系統(tǒng)阻力降高、反應(yīng)器壓力高、重質(zhì)油分離效果差、壓縮機(jī)入口濾網(wǎng)堵塞變形等問題，嚴(yán)重制約著費(fèi)托合成裝置滿負(fù)荷長(zhǎng)周期運(yùn)行，其運(yùn)行數(shù)據(jù)（見表2）。

從表2 可知，隨著裝置運(yùn)行周期增長(zhǎng)，費(fèi)托各系列循環(huán)換熱分離器熱側(cè)壓差不斷增大，熱側(cè)壓差太高會(huì)影響裝置的正常運(yùn)行，反應(yīng)器壓力高達(dá)2.98 MPa 無(wú)法高負(fù)荷運(yùn)行，裝置被迫降負(fù)荷（在80%負(fù)荷）運(yùn)行，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率低。費(fèi)托V 和VI 系列熱側(cè)壓差較低195～198 kPa，而I 系列熱側(cè)壓差最高達(dá)332 kPa（設(shè)計(jì)值50 ℃），熱側(cè)流體出口溫度150～175 ℃（設(shè)計(jì)值125 ℃），導(dǎo)致高溫油氣空冷器入口溫度高至170 ℃（設(shè)計(jì)值120 ℃），油氣空冷器無(wú)法滿足生產(chǎn)需求。而冷流體出口溫度較低155～170 ℃（設(shè)計(jì)值219 ℃），費(fèi)托凈化氣入塔溫度低，嚴(yán)重影響費(fèi)托反應(yīng)溫度，同時(shí)反應(yīng)副產(chǎn)蒸汽量大幅度減少，裝置能耗增加。

表2 循環(huán)換熱分離器的運(yùn)行參數(shù)

2.1 分離效果差

由于費(fèi)托反應(yīng)器頂部旋風(fēng)分離器分離效果差，導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)重質(zhì)蠟液滴和催化劑小顆粒分離不徹底，高溫油氣攜帶催化劑顆粒和重質(zhì)蠟液滴（重質(zhì)油中鐵含量＞160 μg/kg），造成循環(huán)換熱分離器內(nèi)件堵塞及損壞。重質(zhì)油和輕質(zhì)油分離不徹底，甚至不分離，導(dǎo)致大量重質(zhì)油被帶入輕質(zhì)油分離系統(tǒng)（輕質(zhì)油終餾點(diǎn)溫度＞400 ℃餾程），因輕質(zhì)油量大，造成輕質(zhì)油泵超負(fù)荷運(yùn)行。

由于高溫油氣帶重質(zhì)油嚴(yán)重，造成高溫油氣空冷管束和入塔在線分析儀堵塞，油氣空冷器不能滿足生產(chǎn)需求，合成尾氣帶液量大易造成壓縮機(jī)入口過濾器損壞變形。循環(huán)氣帶重組分進(jìn)入壓縮機(jī)入口分液罐，易堵塞分離內(nèi)件，對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行帶來(lái)安全隱患，同時(shí)使壓縮機(jī)透平超負(fù)荷運(yùn)行。

2.2 換熱效率低

隨著裝置運(yùn)行周期增長(zhǎng)，循環(huán)換熱分離器存在內(nèi)件堵塞及損壞，造成循環(huán)換熱分離器換熱性能差。由于換熱內(nèi)件堵塞，循環(huán)換熱分離器冷側(cè)出口溫度155～170 ℃（設(shè)計(jì)值219 ℃），凈化氣進(jìn)入塔溫度低嚴(yán)重影響費(fèi)托反應(yīng)溫度，導(dǎo)致反應(yīng)器副產(chǎn)2.8 MPa 蒸汽量大幅度減少。循環(huán)換熱分離器熱側(cè)出口溫度150～175 ℃（設(shè)計(jì)值125 ℃），高溫油氣空冷器入口溫度高，油氣空冷后溫度＞50 ℃（設(shè)計(jì)值40 ℃）無(wú)法滿足生產(chǎn)需求，造成油氣空冷器、輕質(zhì)油泵、輕質(zhì)油加熱器、壓縮透平等超負(fù)荷運(yùn)行，每年裝置能耗和副產(chǎn)蒸汽減少的經(jīng)濟(jì)損失近億元，裝置能耗增加。

2.3 熱側(cè)壓差高

循環(huán)換熱分離器熱側(cè)壓差隨裝置運(yùn)行周期增長(zhǎng)或負(fù)荷提高，熱側(cè)壓差不斷升高，壓差上漲至一定值時(shí)，將會(huì)嚴(yán)重影響裝置滿負(fù)荷運(yùn)行周期和設(shè)備存在安全隱患。上游凈化合成氣壓力上漲，脫碳系統(tǒng)壓力上漲，導(dǎo)致外送低溫油洗氣量增大。費(fèi)托各系列熱側(cè)壓差不斷上漲，而循環(huán)換熱分離器開工2 個(gè)月后熱側(cè)壓差＞200 kPa。隨著裝置運(yùn)行周期增長(zhǎng)及負(fù)荷不斷提高，循環(huán)換熱分離器熱側(cè)壓差不斷升高，費(fèi)托I（330 kPa）高達(dá)設(shè)計(jì)值6.6 倍，持續(xù)上漲導(dǎo)致?lián)Q熱內(nèi)件泄漏，造成凈化氣走短路，嚴(yán)重影響費(fèi)托反應(yīng)深度和轉(zhuǎn)化率。

根據(jù)費(fèi)托合成裝置存在的問題進(jìn)行分析可知，該循環(huán)換熱分離器首次用于費(fèi)托合成工況，板片間隙小，分離器設(shè)置有絲網(wǎng)，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)帶有含有大量催化劑小顆粒和重質(zhì)蠟液滴黏結(jié)在分換熱板之間，造成換熱內(nèi)件堵塞和分離效率下降。工業(yè)運(yùn)行結(jié)果表明，此設(shè)備不適合高黏度易結(jié)垢的分離工況。

3 改造措施

針對(duì)循環(huán)換熱分離器在生產(chǎn)運(yùn)行中存在的問題，自從2016 年12 月試車以來(lái)，圍繞循環(huán)換熱分離器開展了一系列技術(shù)攻關(guān)和改造，主要進(jìn)行了以下幾種改造方案：

（1）循環(huán)換熱分離器下部絲網(wǎng)拆除。

（2）檢修期間對(duì)循環(huán)換熱板束包邊加固焊接。

（3）循環(huán)換熱分離器增加旁邊閥，提高重質(zhì)油溫度。

（4）循環(huán)換熱分離器熱側(cè)高溫油氣出口至油氣空冷器管線上增加積液包。

（5）分離器Munters 單囊波紋板更換為波紋TP板。

（6）增大多孔板間距，降低催化劑及蠟油黏結(jié)堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。

經(jīng)過以上改造，本裝置不能徹底解決分離和換熱等問題。經(jīng)過對(duì)裝置存在的問題與設(shè)計(jì)院溝通后進(jìn)行優(yōu)化改造，同時(shí)對(duì)裝置的主要參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。將循環(huán)換熱分離器進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，將原循環(huán)換熱分離器改造為循環(huán)換熱器和重質(zhì)油分離器兩個(gè)單獨(dú)的設(shè)備（見圖2）。循環(huán)換熱器采用管徑Φ25 mm 單管程列管式換熱器，立式結(jié)構(gòu)，便于清洗、氣體流速大，催化劑在內(nèi)無(wú)法積存；重質(zhì)油分離器采用小型旋風(fēng)分離器，非波紋板，避免催化劑和蠟油堵塞換熱內(nèi)件的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 循環(huán)換熱器和重質(zhì)油分離器流程圖

4 改造后運(yùn)行效果

經(jīng)過對(duì)循環(huán)換熱分離器技術(shù)改造后，在2020 年6月19 日投料運(yùn)行至今，費(fèi)托合成裝置運(yùn)行平穩(wěn)，費(fèi)托各系列運(yùn)行數(shù)據(jù)（見表3）。

通過技術(shù)改造，由表3 可知，循環(huán)換熱器冷流體溫差（126～132 ℃）和熱流體溫差（120～128 ℃）都增大，大幅度提高傳熱性能。凈化氣進(jìn)反應(yīng)器溫度提高至194～197 ℃（設(shè)計(jì)值219 ℃），有效提高費(fèi)托反應(yīng)溫度，同時(shí)增加反應(yīng)的放熱量，單臺(tái)反應(yīng)器蒸汽量增加45 t/h。熱側(cè)流體出口溫度130 ℃左右（設(shè)計(jì)值125 ℃），高溫油氣空冷器入口溫度從150 ℃降至130 ℃（設(shè)計(jì)值120 ℃），油氣空冷器負(fù)荷大幅度降低，輕質(zhì)油系統(tǒng)負(fù)荷減小，同時(shí)每年設(shè)備能耗和副產(chǎn)氣量等節(jié)省近億元。與檢修之前相比，重質(zhì)油分離更加徹底，費(fèi)托反應(yīng)氣入塔溫度提高了26～33 ℃，反應(yīng)放熱量大大增加。循環(huán)比由2.0 提高至2.5，總包轉(zhuǎn)化率提高2.5%，CO2選擇性下降2%，噸油凈化氣單耗降低，裝置能耗降低。

表3 改造后循環(huán)換熱分離器的運(yùn)行數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

通過對(duì)循環(huán)換熱分離器技術(shù)改造和優(yōu)化，徹底解決了制約本裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行的瓶頸問題，實(shí)現(xiàn)了滿負(fù)荷長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。工業(yè)運(yùn)行結(jié)果表明，所采取改造方案及處理措施合理有效，換熱性能高、分離效果好，為裝置的長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了良好的保障。本次技術(shù)改造在百萬(wàn)噸煤制油液化項(xiàng)目費(fèi)托合成單元得到了成功的應(yīng)用，裝置能耗降低，值得煤制油行業(yè)借鑒和推廣應(yīng)用。