費托反應器旋風分離器改造及運行優化

王江(國家能源集團寧夏煤業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%，發展煤制油產業可有效緩解因富煤缺油給我國能源安全帶來的挑戰。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床反應器組成，具有設備系列多、規模大、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氣壓縮機出口的循環氣混合，混合后的氣體進入循環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，穿過漿態床催化劑床層，發生費托合成反應。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，進入循環換熱分離器、油氣空冷器、輕質油分離器，造成裝置無法穩定運行，主要問題如下：

1.1 循環換熱分離器內件堵塞嚴重

循環換熱分離器為循環氣換熱+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換熱分離器，造成換熱內件及分離內件堵塞(圖1)。循環換熱器堵塞后，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，造成循環氣壓縮機入口分液罐液相大，影響壓縮機穩定運行。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，氣體循環量降低，裝置無法高負荷運行，能耗高等問題。

1.3 循環換熱分離器無液位

因循環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，造成循環換熱分離器無液位。原設計重油在循環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，影響循環氣壓縮機的穩定運行。

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 循環換熱分離器熱側壓差降低

改造前催化劑大量進入循環換熱分離器，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。循環氣量提高，反應轉化率提高3%。循環氣壓縮機做功減小，蒸減少了透平蒸汽消耗量。單系列負荷提高至110%穩定運行，油品產量增加，增加企業經濟效益。

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，產品多樣性開發提供可能，提高了企業產品競爭力。通過改造，裝置運行更加穩定，運行時間更長，提高了我國費托合成技術大型工業化應用水平。