王江(國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責任公司煤制油分公司,寧夏 銀川 750411)
我國是一個富煤、貧油、少氣的國家,隨著全球經濟的發(fā)展,我國對能源的需求不斷增加。當前我國石油對外依存度已超過60%,發(fā)展煤制油產業(yè)可有效緩解因富煤缺油給我國能源安全帶來的挑戰(zhàn)。400萬噸/年煤制油項目設計年產油品404萬噸,轉化煤炭2466萬噸/年,總投資550億元,于2016年11月首次試車運行,該裝置采用中科合成油的中溫費托合成技術建設,核心單元由8個年產50萬t費托合成中間產物的漿態(tài)床反應器組成,具有設備系列多、規(guī)模大、配置復雜的特點[1]。
費托合成反應器為油品合成裝置核心設備之一,屬首次工業(yè)化應用于費托合成工藝,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)氣壓縮機出口的循環(huán)氣混合,混合后的氣體進入循環(huán)換熱分離器與反應器頂出來的高溫油氣進行換熱,換熱后氣體進入費托合成反應器。反應器底部設置氣體分布器內件,合成氣進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)生費托合成反應。反應生成蠟、輕質烴類化合物、CO2、水,其中蠟經反應器內過濾系統排至重質蠟收集罐[2],其它物質隨高溫油氣從頂部帶出。由于高溫油氣中夾帶渣蠟、費托催化劑,進入后系統易堵塞內件,費托反應器頂部設置旋風分離器,進行氣、固、液三相分離。氣相經旋風分離器頂部氣相口進入反應器頂部集液包,分液后離開反應器進入后系統。渣蠟及催化劑進入降液管流至反應器下部液相。
自裝置投料試車以來,由于旋風分離器入口口徑大,氣體進入旋風分離器后流速過低,慣性離心力小,分離效率低。且旋風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,反應器內上升氣體從降液管直接排出反應器,旋風分離器無法起到有效分離效果。導致費托合成反應器內大量渣蠟、費托催化劑被高溫油氣帶出,進入循環(huán)換熱分離器、油氣空冷器、輕質油分離器,造成裝置無法穩(wěn)定運行,主要問題如下:
循環(huán)換熱分離器為循環(huán)氣換熱+重質油分離一體設備,上部為換熱內件,下部為分離內件。其中換熱內件為板式換熱器,采用焊接式換熱板,板間距較小。分離內件為波紋板分離器,波紋板為Munters單囊波紋板。高溫油氣夾帶大量渣蠟、費托催化劑進入循環(huán)換熱分離器,造成換熱內件及分離內件堵塞(圖1)。循環(huán)換熱器堵塞后,分離效果降低,大量重質油無法有效分離,進入后系統油氣空冷器。因空冷器出口溫度為45℃,重質油在空冷器中冷凝,堵塞翅片管。造成空冷器出口溫度高,運行負荷增大,夏季高溫天氣冷后溫度高,高溫油氣無法冷卻,系統壓力高,無法高負荷運行。另一方面高溫油氣易帶液,造成循環(huán)氣壓縮機入口分液罐液相大,影響壓縮機穩(wěn)定運行。高溫油氣經油氣空冷器冷卻后進入輕質油分離器,輕質油分離器為波動板分離內件,輕質油中夾帶的重質油、催化劑在波紋板上冷凝,造成內件堵塞,導致壓縮機做功增大。
圖1 循環(huán)換熱分離器內件堵塞催化劑照片
因高溫油氣攜帶費托催化劑,隨著裝置運行時間的增長,循環(huán)換熱分離器、油氣空冷器、輕質油分離器、壓縮機入口分液罐堵塞越來越嚴重。尤其是循環(huán)換熱分離器,熱側壓差逐漸增大,最高可達到310kPa,遠大于設計值。壓差增大造成內件超壓運行,存在內件破損的隱患。系統總壓差原設計0.45MPa,運行過程中最高達到0.85MPa。系統整體壓差增大,造成壓縮機做功大,氣體循環(huán)量降低,裝置無法高負荷運行,能耗高等問題。
因循環(huán)換熱分離器內件堵塞,高溫油氣從未堵塞的部分流動,換熱效率降低。一方面換熱后油氣溫度高,重質油無法冷凝,直接被帶入后系統油氣空冷器。另一方面堵塞后氣體流速過高,將冷凝后的重油吹起帶走。同時循環(huán)換熱分離器內件壓差增大,存在部分包邊破損,內件損壞的情況, 尤其是換熱內件出口集合板,存在整板脫落的情況。大量油氣未進行分離直接進入后系統,造成循環(huán)換熱分離器無液位。原設計重油在循環(huán)換熱分離器中進行分離,分離的重油直接進入汽提塔。因循環(huán)換熱分離器無液位,全部進入輕質油分離器,最后進入油水分離器。造成輕質油與重質油混合在一起,輕質油量增大,輕質油泵無法滿足輸送量要求,油水分離器液位高,進入壓縮機入口分液罐,影響循環(huán)氣壓縮機的穩(wěn)定運行。
因旋風分離器分離效果差,造成后系統堵塞,壓差增大,內件破損等問題,成為制約裝置穩(wěn)定運行的瓶頸問題。因裝置為首套百萬噸級煤制油項目,國內無成熟經驗可以借鑒。通過技術攻關,問題的源頭在于旋風分離器,為提高旋風分離器分離效果,決定對旋風分離器進行改造。
原設計單個費托反應器頂部內置10臺旋風分離器,頂部高溫油氣切向進入旋風分離器,由直線運動變成圓周運動。氣流螺旋向椎體流動,在旋轉過程中產生離心力,將催化劑、渣蠟甩向器壁失去慣性力,依靠入口的動量和重力沿壁面下落進入集液口最終被分離[2]。
為提高氣體流速,增大慣性離心力,同時減少氣量大攜帶催化劑多的情況,經分析,將反應器頂部10個旋風分離器拆除,以原管口為圓心對稱分布4個小型旋風分離器,共計40個/臺(見圖2),旋風分離器尺寸縮小一半。同時為防止氣相從降液管底部進入旋風分離器,影響旋風分離效果,降液管長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 旋風分離器改造前后示意圖
改造前催化劑大量帶入循環(huán)換熱分離器,造成重質油顏色較深鐵含量高,改造后催化劑明顯減少,重質油催化劑鐵含量降低50%。重質油加熱器運行周期改造前為2兩個月,改造后至今6個月運行正常,未出現堵塞情況。
圖3 改造前重質油照片
圖4 改造后重質油照片
改造前催化劑大量進入循環(huán)換熱分離器,造成分離器熱側壓差不斷增大,壓差過大導致包邊變形破損,合成氣直接漏入尾氣中,造成尾氣量大,轉化率降低,反應器被迫停車。改造后運行6個月循環(huán)換熱分離器熱側壓降無明顯上升,大大延長了反應器運行周期。
圖5 改造前熱側壓差
圖6 改造后熱側壓差
改造前受循環(huán)換熱分離器堵塞影響,重質油與輕質油分離較差,重質油初餾點較低,輕質油終餾點較高。改造后輕質油與重質油分離更為精細,為后續(xù)中間產品提質,經濟附加值延伸提供可能。
改造前循環(huán)換熱分離器堵塞嚴重,系統阻力降增大,裝置能耗高,無法高負荷運行。改造后由于系統阻力降降低,反應溫度提高,反應器入塔溫度提高,汽包副產蒸汽量增大。循環(huán)氣量提高,反應轉化率提高3%。循環(huán)氣壓縮機做功減小,蒸減少了透平蒸汽消耗量。單系列負荷提高至110%穩(wěn)定運行,油品產量增加,增加企業(yè)經濟效益。
通過技術改造,提高了費托反應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)換熱分離器內件堵塞情況,延長了運行周期,避免費托反應器頻繁開停車造成運行成本、人力、物力增加。同時提高了反應轉化率,降低了裝置能耗,更是極大減少了費托催化劑的損耗,降低了生產成本。提高了輕重油分離效果,為中間產品提質,產品多樣性開發(fā)提供可能,提高了企業(yè)產品競爭力。通過改造,裝置運行更加穩(wěn)定,運行時間更長,提高了我國費托合成技術大型工業(yè)化應用水平。