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)

0 引言

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。

1 存在問題

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：

1.1 循環(huán)換熱分離器內件堵塞嚴重

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

1.2 系統整體壓差增大

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。

1.3 循環(huán)換熱分離器無液位

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。

2 改造方案

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

3 效果對比

3.1 重質油鐵含量降低

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

3.2 循環(huán)換熱分離器熱側壓差降低

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

3.3 重質油、輕質油分離更加徹底

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。

3.4 系統阻力降低，裝置負荷提高

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。

4 結論

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。