國產循環(huán)換熱分離器在大型煤制油裝置的應用

（甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730070）

中國的能源結構特點是富煤少油，從能源結構調整和能源安全角度考慮，煤制油已經成為我國能源發(fā)展戰(zhàn)略的一個重要方向［1］。近幾年，煤化工產業(yè)雖然發(fā)展迅猛，但是核心技術、高端裝備嚴重依賴進口。循環(huán)換熱分離器是煤制油費托合成單元核心設備之一，起著回收油氣熱量和分離重質油，提高反應循環(huán)氣溫度及降低裝置能耗的重要作用［2］。該設備一直采用進口產品，設備價格高、維護周期長，嚴重制約煤制油化工行業(yè)的發(fā)展。為滿足國內煤制油行業(yè)需求，打破進口技術壟斷，甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司自主研發(fā)了國產循環(huán)換熱分離器，在大型煤制油裝置中實現國產化替代。

1 循環(huán)換熱分離器應用場合

循環(huán)換熱分離器工藝流程見圖1。循環(huán)換熱分離器適用于煤制油費托合成單元，費托反應產生的高溫油氣在循環(huán)換熱分離器換熱模塊中與低溫循環(huán)氣完成熱量交換，之后進入分離模塊進行氣液分離，分離后的油氣混合物經殼體內壁收集后自油氣出口送往油氣空冷器，分離得到的液相重質油經過分離模塊底部積液槽和降液管送往汽提塔。在循環(huán)換熱分離器換熱模塊中完成換熱后的循環(huán)氣進入費托反應器［3］。

圖1 煤制油費托合成單元循環(huán)換熱分離器工藝流程簡圖

2 國產化循環(huán)換熱分離器應用示例

2.1 配置概況

國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責任公司400萬t/a煤炭間接液化項目油品合成裝置費托合成單元共8個系列，其中1～6系列采用國外進口循環(huán)換熱分離器，7～8系列采用的是國產化循環(huán)換熱分離器。

2.2 設計參數

400萬t/a煤炭間接液化項目油品合成裝置費托合成單元的循環(huán)換熱分離器板程介質為高溫油氣，總質量流量797 618 kg/h，操作溫度270/125℃，操作壓力2.75 MPa，允許壓降50 kPa；殼程介質為循環(huán)氣，總質量流量797 948 kg/h，操作溫度80/219℃，操作壓力3.1 MPa，允許壓降50 kPa。殼程設計壓力3.5 MPa，設計溫度270℃；板程設計壓力3.5 MPa，設計溫度300℃；板束設計壓差1.0/-0.25 MPa。

2.3 設備選材

費托合成單元中，循環(huán)換熱分離器板程油氣介質溫度高而且含有有機酸、CO2、H2，殼程循環(huán)氣介質含有CO2、H2，板程、殼程均為高溫、臨氫腐蝕性工作環(huán)境。承壓元件可供選擇的材料有鉻鉬鋼和奧氏體不銹鋼，根據循環(huán)換熱分離器設計條件和納爾遜曲線，同時考慮材料價格，設備殼體采用15CrMoR+304L復合鋼板，傳熱板片、分離元件均采用不銹鋼S30408。

2.4 設備結構

國產循環(huán)換熱分離器（圖2）采用立式布置，上端部分為換熱功能模塊，下端部分為分離模塊［6-7］。換熱模塊、分離模塊在一個壓力容器圓殼內，布置在不同腔室，相互不影響。換熱模塊采用板殼式交熱換器［8-15］，傳熱元件為純逆流、直通道波紋板片，全焊接板束裝在承壓殼內。板束上、下端的連接管上設置有膨脹節(jié)，吸收板束與殼體的膨脹差。殼體上設有1對設備法蘭，檢、維修時可打開設備法蘭抽出板束。

分離模塊設置在換熱模塊下端板程出口，分離元件為TP板［16］，圍繞中心管四周布置。分離模塊殼體擴徑，以降低油氣流速，油氣在TP板中徑向擴散，軸向分離。分離后的油氣經分離模塊上部氣相出口送往空冷器，重質油經集液槽收集后通過降液管、液相出口離開循環(huán)換熱分離器。

2.5 應用效果

2016-12，國產循環(huán)換熱分離器在400萬t/a煤炭間接液化項目油品合成裝置費托合成單元7～8系列投入使用。2017-08，對該設備進行了工業(yè)運行考核及現場標定，標定結果見表1。

圖2 循環(huán)換熱分離器結構簡圖

由表1可知，在101%負荷下國產循環(huán)換熱分離器實際傳熱系數為 691.4 W/（m2·K），比設計傳熱系數大1%，設備具有良好的傳熱性能。板、殼程總壓降 80 kPa，比設計值小 6%，設備阻力性能好。重質油出口質量流量12.74 t/h，比設計值大6.2%，設備分離效率高。截止目前，國產循環(huán)換熱分離器投運已經近3 a，經歷了開車、停車等苛刻工況的考驗，設備安全可靠、各性能參數均達到預期指標，完全滿足費托合成單元高負荷運行的要求，能夠確保裝置安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運行。

將費托合成單元7～8系列國產循環(huán)換熱分離器運行數據與同裝置費托合成單元1～6系列進口設備的數據進行比較，結果見表2。

表2中，循環(huán)氣溫差和油氣溫差表征換熱性能，反應器產氣量表征反應副產蒸汽量，單位循環(huán)蒸汽消耗量（標準狀態(tài)）表征壓縮機蒸汽消耗量。由表2可知，在費托合成單元100%負荷工況條件下（標準狀態(tài)下凈化氣量為3.5×108m3/h），國產循環(huán)換熱分離器的冷、熱流體側溫差較進口設備的高，凈化氣進入反應器溫度的提高，可以有效提高反應器中費托合成反應進程，增加反應放熱量和反應器副產蒸汽量，熱流體側出口溫度降低可以有效降低油氣空氣冷卻器負荷，減少電耗。國產設備熱流體側的壓差較進口設備的壓降低，采用國產循環(huán)換熱分離器費托合成單元循環(huán)氣壓縮機蒸汽平均消耗為67.7 kg/km3（標準狀態(tài)），采用進口設備費托合成單元循環(huán)氣壓縮機蒸汽平均消耗為81 kg/km3，壓縮機蒸汽消耗減少16.4%。壓降比較結果表明，國產循環(huán)換熱分離器的板型流道設計、設備抗堵塞性能優(yōu)于進口設備。

表1 國產循環(huán)換熱分離器工業(yè)運行考核參數及現場標定結果

表2 費托合成單元各系列機組100%負荷運行情況對比

3 結語

目前，甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司自主研發(fā)的2臺國產循環(huán)換熱分離器已經在國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責任公司400萬t/a煤炭間接液化項目油品合成裝置費托合成單元實現工業(yè)應用，還有1臺已經與山西潞安煤基合成油有限公司簽訂供貨合同。與傳統熱交換器、油氣分離器分開布置技術方案相比，循環(huán)換熱分離器具有結構緊湊、設備布置空間小、設備質量輕、外部接口配管簡單、換熱分離過程協調性好以及易于統一控制管理等優(yōu)點。與進口循環(huán)換熱分離器相比，國產循環(huán)換熱分離器價格低、傳熱效率高、流阻性能好，值得推廣應用。