費(fèi)托合成裝置自然循環(huán)廢熱鍋爐設(shè)計(jì)

趙景運(yùn)

北京石油化工工程有限公司 北京 100107

費(fèi)托合成是以合成氣為原料，在催化劑和適當(dāng)反應(yīng)條件下合成液體燃料的工藝過程，屬于一種煤間接液化技術(shù)。費(fèi)托合成為強(qiáng)放熱反應(yīng)，需要及時(shí)移走反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)器溫度的有效控制。若反應(yīng)產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)移出，將導(dǎo)致床層溫度升高、反應(yīng)選擇性改變、催化劑失活，在極端情況下甚至造成反應(yīng)器損壞，發(fā)生安全事故。為避免以上情況發(fā)生，通常在反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置取熱單元副產(chǎn)蒸汽，由取熱單元、上升管、下降管和汽包等組成廢熱鍋爐產(chǎn)汽系統(tǒng)。

目前國(guó)內(nèi)外費(fèi)托合成廢熱鍋爐均采用強(qiáng)制循環(huán)技術(shù)，通過循環(huán)泵的動(dòng)力，克服在水力循環(huán)過程中產(chǎn)生的沿程和局部阻力。通常在廢熱鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)，強(qiáng)制循環(huán)的水力計(jì)算考慮較少，因?yàn)樽枇梢酝ㄟ^提高泵的揚(yáng)程來解決。但強(qiáng)制循環(huán)存在以下缺點(diǎn)：循環(huán)水泵故障或電力故障時(shí)，宜導(dǎo)致反應(yīng)器“飛溫”現(xiàn)象；系統(tǒng)中需設(shè)置循環(huán)泵，耗費(fèi)電能，裝置能耗升高；增加了工程投資和維護(hù)工作量。

鍋爐的另一種水力循環(huán)方式為自然循環(huán)，依靠水和汽水混合物密度差作動(dòng)力源，具有流程操作簡(jiǎn)單、水循環(huán)安全可靠、工程投資少、節(jié)約電能、降低裝置能耗等優(yōu)點(diǎn)。自然循環(huán)鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)水力計(jì)算要求相當(dāng)嚴(yán)格。為克服系統(tǒng)流動(dòng)產(chǎn)生的阻力，汽包和取熱管束要有一定的高度差，系統(tǒng)阻力大需要的高度差也大。為保證自然循環(huán)系統(tǒng)良好、節(jié)約投資，自然循環(huán)水力計(jì)算是廢熱鍋爐計(jì)算過程中非常值得注意的問題。

1 自然循環(huán)取熱單元

漿態(tài)床反應(yīng)器由于具有良好的傳熱、傳質(zhì)效果和相間接觸充分、規(guī)模效應(yīng)顯著等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前國(guó)際上重點(diǎn)發(fā)展的費(fèi)托合成液體技術(shù)。費(fèi)托合成反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，及時(shí)移走反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)器溫度的有效控制，因此在漿態(tài)床反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有取熱單元。

現(xiàn)有技術(shù)中，用于固—液—?dú)馊酀{態(tài)床的管屏式或列管管束取熱單元是由小管徑內(nèi)外套管及上部集合管組成，取熱管管徑通常為DN50～100mm，數(shù)根至數(shù)十根小管徑的套管與集合管形成一組取熱單元，整個(gè)反應(yīng)器可能具有數(shù)百至數(shù)千根取熱管。取熱管束的分布見圖1[1]。由于該取熱單元是小管徑的內(nèi)外套管結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)自然循環(huán)時(shí)，取熱量較小。同時(shí)，其外管設(shè)置了強(qiáng)化傳熱的小管與套管殼體下部和上部連通，汽水阻力大，大負(fù)荷取熱時(shí)只能采用強(qiáng)制循環(huán)換熱，耗費(fèi)大量電能，且運(yùn)行安全性差，循環(huán)泵事故時(shí)易造成器內(nèi)“飛溫”現(xiàn)象，對(duì)安全生產(chǎn)不利。

圖1 強(qiáng)制循環(huán)漿態(tài)床分布管束

為實(shí)現(xiàn)廢熱鍋爐自然循環(huán)，克服強(qiáng)制循環(huán)取熱單元汽水阻力大、自然循環(huán)時(shí)取熱量小等弊端，北京石油化工工程有限公司的專利[2]中公開了三相漿態(tài)床取熱單元（圖2），設(shè)計(jì)了一種大口徑立式套管、外壁帶有加強(qiáng)傳熱小管的取熱單元，垂直置于反應(yīng)器漿態(tài)床中。其外管采用管徑DN150～400mm 的無縫鋼管，內(nèi)管采用直徑DN65～250mm 的無縫鋼管，加強(qiáng)傳熱小管采用DN40～65mm 的無縫管。取熱單元的套管是一個(gè)底端帶有封頭的管子，套管內(nèi)同軸設(shè)置一個(gè)內(nèi)管并插至套管底部，冷卻水自內(nèi)管入口引入，依靠重位差流至外套管殼體底部；再通過分布在外套管周圍的小管及外管與內(nèi)管之間的環(huán)狀空間受熱，并蒸發(fā)產(chǎn)汽；依靠上升管、下降管工質(zhì)的密度差推動(dòng)，汽水混合物向上流動(dòng)，最后自外管上端的出口引出。

圖2 自然循環(huán)廢熱鍋爐管束布置

該布置型式的管束已成功應(yīng)用于榆煤化公司15 萬t/ a制油示范費(fèi)托裝置，自2016 年投產(chǎn)以來，反應(yīng)器運(yùn)行正常，移熱效果良好，徑向床層溫差小于0.2℃，軸向床層溫差在1℃內(nèi)。

2 自然循環(huán)的計(jì)算與設(shè)計(jì)

取熱單元、循環(huán)回路的總體及各構(gòu)件初步設(shè)計(jì)完成后，根據(jù)設(shè)計(jì)的熱負(fù)荷、管束，以及上升、下降管尺寸進(jìn)行自然循環(huán)水力計(jì)算。采用試算法，首先建立回路系統(tǒng)模型，根據(jù)推薦值假設(shè)循環(huán)倍率，確定循環(huán)流量、汽水流速，求出相應(yīng)的推動(dòng)力與阻力損失，比較這些參數(shù)是否在推薦值和臨界值范圍內(nèi)。如果數(shù)據(jù)恰當(dāng)，就不需要再試算；如果不合理，則對(duì)結(jié)構(gòu)及幾何尺寸進(jìn)行修改，再重復(fù)計(jì)算，一直到各參數(shù)合理為止。由于自然循環(huán)水力計(jì)算需重復(fù)、修改多次，所以可采用excel 編程，利用推動(dòng)力與阻力損失相等進(jìn)行試算求解，既快捷方便，又減少了失誤率。

2.1 汽水循環(huán)回路系統(tǒng)模型

根據(jù)費(fèi)托漿態(tài)床反應(yīng)器取熱單元受熱面布置，以及汽包、下降管、上升管布置型式，繪制汽水循環(huán)回路數(shù)學(xué)模型。費(fèi)托裝置自然循環(huán)廢熱鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)模型示意圖如圖3 所示。

圖3 費(fèi)托裝置自然循環(huán)廢熱鍋爐汽水循環(huán)示意圖

2.2 下降管阻力計(jì)算

下降管的阻力計(jì)算與單相流體阻力的計(jì)算方法相同，選取一根進(jìn)行代表性計(jì)算，其他只進(jìn)行校核計(jì)算。下降管的總阻力包括沿程阻力和局部阻力，其計(jì)算公式采用《廢熱鍋爐》[3]中的公式，見式（1）和式（2）。

式中：△Px——下降管的總阻力，Pa；

Λ—— 沿程摩擦阻力系數(shù)；

ζ1——下降管的總局部阻力系數(shù)，包括汽包出口、集合管進(jìn)口、彎頭、閥門等局部阻力系數(shù)之和；

L——下降管長(zhǎng)度，m；

D——下降管的內(nèi)徑，m；

wx——下降管內(nèi)水的流速，m/ s；

γx——下降管水的重度，N/ m3;

ε——下降管管壁絕對(duì)粗糙度，mm。

2.3 取熱單元阻力計(jì)算

漿態(tài)床反應(yīng)器取熱單元結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)整個(gè)系統(tǒng)水循環(huán)影響較大，采用自然循環(huán)時(shí)，規(guī)格尺寸及取熱管束布置型式要適當(dāng)，以免達(dá)不到設(shè)計(jì)效果。取熱單元計(jì)算介質(zhì)的流態(tài)有單相流和雙相流，應(yīng)分別計(jì)算。其中單相流參照下降管阻力計(jì)算公式（1）進(jìn)行，由于取熱單元是受熱蒸發(fā)段，隨著吸熱量的增加含汽率不斷增加，雙相流的阻力計(jì)算采用均相法。

取熱單元阻力降由三部分組成，即內(nèi)管阻力降、上升沿程阻力降和局部阻力降，計(jì)算公式分別見式（3）、式（4）和式（5）。

ω0 ——上、下端循環(huán)平均流速，m/ s；

ω——摩擦損失系數(shù)，按線算圖選取；

ρ′——飽和水的密度，kg/m3；

ρ"——飽和蒸汽的密度，kg/m3；

ζj——局部阻力系數(shù)；

X——取熱單元上升通道中的平均含汽率，按上端出口含汽率的1/2 計(jì)。

2.4 上升管阻力計(jì)算

為減少上升管阻力，降低汽包安裝高度，管道布置要簡(jiǎn)潔，水平管道要有一定坡度，上升管流速推薦范圍3～5m/ s。上升管流態(tài)為雙相流，阻力計(jì)算按絕熱保溫汽化率不變考慮，阻力計(jì)算公式見式（6）—式（8）。

2.5 系統(tǒng)推動(dòng)力

自然循環(huán)系統(tǒng)推動(dòng)力是由下降管與上升管之間的密度差產(chǎn)生，其大小由汽包的高度、上升管與下降管之間的密度差決定。費(fèi)托裝置廢熱鍋爐產(chǎn)生的推動(dòng)力由H1、H2及爐水和汽水混合物密度差求解，計(jì)算公式見式（9）。

自然循環(huán)過程中，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)的循環(huán)量達(dá)到阻力與推動(dòng)力的自平衡。

3 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

3.1 自然循環(huán)計(jì)算核驗(yàn)

自然循環(huán)計(jì)算往往是平均意義的單管回路，計(jì)算采用的是平均值。但在廢熱鍋爐循環(huán)回路結(jié)構(gòu)中，上升、下降管有多根，管束數(shù)為十甚至數(shù)百根，而且管束在反應(yīng)器中的布置受熱程度不同，因此各小循環(huán)受熱管的汽水混合物流動(dòng)狀態(tài)不一樣，如果結(jié)構(gòu)、尺寸不合理，自然循環(huán)會(huì)出現(xiàn)故障?？傊?，按照循環(huán)回路平均值計(jì)算以后，對(duì)操作條件比較差的回路要進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)算，對(duì)有關(guān)結(jié)構(gòu)要進(jìn)行分析，研究其原因，并采用有效方法，使全部回路的受熱管能在安全范圍內(nèi)工作。

3.1.1 循環(huán)停滯

產(chǎn)生循環(huán)停滯的原因，在各上升管幾何尺寸相等或相近的條件下，主要是由于某根管束熱負(fù)荷小，受熱少、產(chǎn)汽量低，汽水混合物密度大、密度差形成的推動(dòng)力小；而這根管子是和其他受熱上升管并聯(lián)在一個(gè)循環(huán)回路內(nèi)，具有一個(gè)公共的有效壓頭，此壓頭不會(huì)改變。當(dāng)這根管的流動(dòng)壓頭減小，接近下降管阻力時(shí)，汽水混合物無法克服上升管阻力，出現(xiàn)進(jìn)口流量等于出口流量，就認(rèn)為發(fā)生了循環(huán)停滯現(xiàn)象。

根據(jù)費(fèi)托反應(yīng)器合成氣分布器結(jié)構(gòu)、反應(yīng)器尺寸及管束結(jié)構(gòu)布置，布置在器壁側(cè)的管子易出現(xiàn)循環(huán)不良或循環(huán)停滯，其熱力不均勻系數(shù)可按0.5～0.8 選取，然后根據(jù)熱力不均勻系數(shù)重點(diǎn)校核。

3.1.2 循環(huán)倒流

上升管系統(tǒng)的介質(zhì)反過來向下流動(dòng)的現(xiàn)象叫循環(huán)倒流。一般倒流的流速很小，在上升管回路中還有蒸汽，因密度差向上浮動(dòng)，而少量水又帶著蒸汽向下流動(dòng)，使蒸汽在回路中不穩(wěn)定的上下浮動(dòng)，這些浮動(dòng)的氣泡附著在管壁上，使傳熱變差，管壁超溫，甚至發(fā)生破裂[3]。

費(fèi)托反應(yīng)器廢熱鍋爐由于受熱管束垂直于床層布置，器內(nèi)熱負(fù)荷分布偏差小，各受熱管管徑均勻，自然循環(huán)倍率較大，所以不會(huì)發(fā)生循環(huán)倒流現(xiàn)象[3]。

3.1.3 汽水分層

費(fèi)托反應(yīng)器受熱管束垂直布置，器內(nèi)上部水平汽水集合管流速較高；且器外集中上升管水平段設(shè)有向上坡度，流速控制在3～5m/ s 范圍內(nèi)。該種形式的廢熱鍋爐自然循環(huán)系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生汽水分層現(xiàn)象，核驗(yàn)計(jì)算可從簡(jiǎn)或省略。

3.2 其他注意事項(xiàng)

（1）為減小系統(tǒng)阻力，除選擇適宜的集中下降管、上升管管徑外，取熱單元立式套管環(huán)狀空間要有足夠?qū)挾龋ＷC其流通面積與下降管的流通面積之比在1.0～3 范圍內(nèi)[4]；

（2）為消除受熱管局部過熱受損現(xiàn)象，套管的內(nèi)管與外管底端封頭的高度宜為1～1.5 倍的下降管管徑[4]；

（3）采用集中下降管時(shí)，同一下降管連接的回路數(shù)量最好不超過5—6 個(gè)，以免對(duì)循環(huán)產(chǎn)生不利影響；

（4）集中上升管、下降管盡可能對(duì)稱布置，反應(yīng)器內(nèi)的取熱單元或受熱管束布置均勻。

4 結(jié)論

該費(fèi)托裝置自然循環(huán)廢熱鍋爐系統(tǒng)，已成功應(yīng)用于榆林煤化公司15 萬t/ a 合成氣制油示范裝置，自2016 年投產(chǎn)以來，至今運(yùn)行正常。并于2020 年經(jīng)中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)現(xiàn)場(chǎng)考核標(biāo)定，裝置均實(shí)現(xiàn)達(dá)產(chǎn)達(dá)效。其中費(fèi)托反應(yīng)器自然循環(huán)廢熱鍋爐取熱系統(tǒng)運(yùn)行良好，為裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行及達(dá)產(chǎn)、達(dá)效提供了保障。該臺(tái)自然循環(huán)廢鍋不僅減少了設(shè)備投資和維護(hù)工作量，每年可減少電耗1050MW·h，減少二氧化碳排放612t，也是國(guó)內(nèi)外首套采用自然循環(huán)方式的費(fèi)托合成裝置廢熱鍋爐，證明了該方式完全可以用于費(fèi)托裝置反應(yīng)熱回收系統(tǒng)，為后續(xù)大型商業(yè)化裝置的建設(shè)提供了技術(shù)支撐。