費托合成裝置試車問題分析及處理措施

李順平

（神華寧煤集團煤制油分公司，寧夏銀川 750409）

費托合成裝置試車問題分析及處理措施

李順平

（神華寧煤集團煤制油分公司，寧夏銀川 750409）

費托合成是煤炭間接液化項目的關(guān)鍵裝置之一，在試車過程中遇到一些問題。本文結(jié)合裝置特點，針對試車中的問題進行技術(shù)分析，提出處理措施。

費托合成；問題；分析；處理措施

1 前言

費托合成裝置是神華寧煤400×104t/a煤炭間接液化項目的關(guān)鍵裝置之一，主要任務(wù)是將低溫甲醇洗產(chǎn)生的CO和H2在費托合成反應(yīng)器中合成生成輕質(zhì)油、蠟和重質(zhì)油[1，2]。神華寧煤集團400×104t/a煤制油共有8臺費托反應(yīng)器，圖1僅說明其中一個反應(yīng)器及相關(guān)部分（見圖1）。

1.1 費托反應(yīng)原理

煤炭間接液化中的合成技術(shù)是由德國科學(xué)家Frans Fischer和 Hans Tropsch于1923年首先發(fā)現(xiàn)的并以他們名字的第一字母即F-T命名的，簡稱F-T合成或費-托合成。煤炭間接液化工藝是煤經(jīng)氣化生產(chǎn)粗合成氣（H2+CO），粗合成氣經(jīng)低溫甲醇洗裝置凈化后的合成氣通過費托合成（F-T）反應(yīng)生成油品和化學(xué)品的過程。費托合成反應(yīng)的基本原理如方程（1）所示，當使用鐵基催化劑時，會伴隨有水煤氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)（方程2），此外反應(yīng)過程還會有醇、酸、酮、醛、酯等含氧化合物的生成。

主反應(yīng)：

圖1 反應(yīng)流程圖

主要副反應(yīng)：

生成甲烷：CO+3H2→CH4+H2O

生成甲醇：CO+2H2→CH3OH

生成乙醇：2CO+4H2→C2H5OH+H2O

積炭反應(yīng)：2CO→C+CO2

除了以上6個反應(yīng)以外，還有生成更高碳數(shù)的醇以及醛、酮、酸、酯等含氧化合物的副反應(yīng)。

1.2 催化劑

費托合成反應(yīng)常用的催化劑包括鐵基、鈷基和鎳基催化劑。鐵基和鈷基催化劑是常用的工業(yè)催化劑。與鈷基催化劑相比，鐵基催化劑具有價格低廉，水煤氣變換反應(yīng)活性適中，溫度和氫碳比操作空間大等優(yōu)勢，非常適合于煤基費托合成技術(shù)。寧煤集團400×104t/a煤制油費托反應(yīng)器采用的是鐵基催化劑。

1.3 費托反應(yīng)器

費托合成反應(yīng)的反應(yīng)器主要有固定床、流化床和漿態(tài)床反應(yīng)器。漿態(tài)床反應(yīng)器是指反應(yīng)器內(nèi)包含固液氣三相。其中固相為催化劑顆粒，液相為費托合成產(chǎn)物蠟，氣相為CO與H2為主要成分的原料氣、尾氣和輕質(zhì)烴類。反應(yīng)過程中，催化劑顆粒分散于液相介質(zhì)中，原料氣和循環(huán)氣從反應(yīng)器底部氣體分布器進入，從反應(yīng)器底部向頂部移動。氣體上移過程中帶動催化劑顆粒在反應(yīng)器軸向上均勻分布。合成氣通過液相介質(zhì)擴散至催化劑表面，發(fā)生費托合成反應(yīng)和水煤氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)，生成不同碳數(shù)的烴類、H2O、CO2、含氧化合物等。高碳數(shù)的烴類從反應(yīng)器內(nèi)的過濾器中排出以維持反應(yīng)器內(nèi)液位穩(wěn)定，未反應(yīng)的合成氣、反應(yīng)尾氣、輕質(zhì)烴類從反應(yīng)器頂部排出，通過逐級降溫得到不同碳數(shù)的烴類和產(chǎn)物水。反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱通過液相介質(zhì)傳熱至反應(yīng)器內(nèi)的換熱器移出。與固定床相比，漿態(tài)床反應(yīng)器溫度分布均勻，催化劑更換方便，操控更加容易。寧煤集團400×104t/a煤制油費托反應(yīng)器采用的是漿態(tài)床。費托反應(yīng)器中間部分為蠟過濾管，從蠟過濾管出來的為重質(zhì)蠟，蠟過濾管的上下部為充滿水的盤管，通過發(fā)生蒸汽來取熱，外面有汽包及給水系統(tǒng)。過濾管和蒸汽盤管浸沒在漿態(tài)床中。反應(yīng)器頂部為分離氣體與攜帶固體催化劑的旋風分離器，費托反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡圖（見圖2）。

2 試車過程中出現(xiàn)的問題

（1）由圖1可以看出，從費托反應(yīng)器頂部出來的氣體進入循環(huán)換熱分離器，在循環(huán)換熱分離器底部為分離出來的液相重質(zhì)油，循環(huán)換熱分離器中部熱側(cè)出來的氣體通過空冷進入輕質(zhì)油分離器，2016年12月隨著400×104t/a煤炭間接液化裝置投料成功，運行中采樣發(fā)現(xiàn)輕質(zhì)油分離器底部油中帶有催化劑。催化劑隨著輕質(zhì)油進入到后續(xù)的加氫精制反應(yīng)器，催化劑中的鐵會對精制催化劑產(chǎn)生毒害作用。

圖2 費托反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡圖

（2）循環(huán)換熱分離器底部重質(zhì)油不但帶油而且含水。含水重質(zhì)油從循環(huán)換熱分離器出來后進入汽提塔，水進入汽提塔，汽提塔本身熱量不足，塔中部及底部溫度較低。水沒能按照設(shè)計要求從塔頂分離出來，而是進入塔底隨塔底蠟到下游罐區(qū)，造成蠟罐突沸，撕裂罐頂。

3 問題分析及采取措施

3.1 問題分析

（1）無論是輕質(zhì)油還是重質(zhì)油中的催化劑，都來自費托反應(yīng)器頂部。費托反應(yīng)器頂部以下空間是氣相，其余全是混合催化劑、蠟及油類液體的漿態(tài)床層，頂部出來的是反應(yīng)生產(chǎn)氣相，主要成分為輕質(zhì)油。氣體離開反應(yīng)器之前要經(jīng)過一個旋風分離器。旋分器的效率是衡量旋風效果的重要參數(shù)。

式中：η－旋風分離器效率，%；C1－旋風分離器入口氣體濃度，g/m3；V1－旋風分離器入口氣體流速，m/s；S1－旋風分離器入口面積，m2；C2－旋風分離器出口氣體濃度，g/m3；V2－旋風分離器出口氣體流速，m/s；S2－旋風分離器出口面積，m2。

從旋風分離器出來的氣體攜帶催化劑，說明旋風效果不好，而衡量旋風分離器效果的一個重要參數(shù)就是旋風效率。從公式（3）可以看出，為了提高旋分器的效率，減少出口氣體中攜帶催化劑量，保持旋分器其他條件不變，盡量減少設(shè)備改動，而能提高效率的一個途徑就是減小入口面積。

費托反應(yīng)器里面旋分器示意圖（見圖3）。

圖3 費托反應(yīng)器里面旋分器示意圖

（2）旋分器料腿長度：在正常情況下，旋分器內(nèi)部壓力加上料腿靜壓等于反應(yīng)器壓力加上漿態(tài)床靜壓，即：

式中：P2－旋分器內(nèi)部壓力，kg/m2；r2－料腿內(nèi)液相密度，kg/m3；P1－反應(yīng)器內(nèi)部壓力，kg/m2；r1－床層內(nèi)液相密度，kg/m3；H1－料腿底部距床層液面距離，m；H2－料腿內(nèi)液面高度，m。

反應(yīng)器內(nèi)部液面在生產(chǎn)運行過程中絕不是靜止不變的，由于氣體從床層底部進入，油氣從床層出來進入旋分器，氣體的擾動再加上出蠟和反吹過濾管等原因，反應(yīng)器內(nèi)部床層液面波動頻繁，如果料腿深入床層較淺，料腿內(nèi)液面H2高度不足，很可能破壞公式（4）中的壓力平衡，攜帶催化劑的液體從料腿倒串進入旋分器，最后從反應(yīng)器出口排出，把催化劑帶到系統(tǒng)。

（3）循環(huán)換熱分離器內(nèi)件存在問題：裝置檢修發(fā)現(xiàn)循環(huán)換熱分離器底部內(nèi)件-分離葉片堵塞。葉片填充在類似正方體的分離器底部。內(nèi)件實際是由葉片組成的流道，氣液相在流道中液相逐漸冷凝積累最后向下流到分離器底部，氣體則穿過分離器底部四周的絲網(wǎng)。這個分離的效率取決于介質(zhì)流過的分離器的面積及分離器內(nèi)件的性能。而分離器內(nèi)件的性能是從通過試驗得到的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，那么要提高分離效率，只能通過增加分離器的面積了。

3.2 采取的措施

（1）為了提高旋風效率，經(jīng)過核算，將旋分器入口用鋼板進行封堵，封堵了原來的1/2，旋分器入口橫截面為長方形（見圖4）。陰影部分為封堵區(qū)域。

圖4 旋風分離器

（2）費托反應(yīng)器內(nèi)共有10臺并聯(lián)的旋分器，為了便于安裝，經(jīng)過核算把10臺旋分器的料腿分別匯總為兩個，每個料腿向下延伸10 m左右。

表1 分離器分離面積變化

（3）更換新的分離器內(nèi)件，將原來長×高（1.42 m×2.14 m）增加到1.539 m×2.129 m，分離器分離面積變化（見表1）。

更換后的分離器面積比原來增加了0.95 m2。

4 結(jié)論

2017年11月費托合成裝置檢修后重新投入運行，從目前運行情況來看從反應(yīng)器帶出的催化劑已經(jīng)很少了，反應(yīng)物料在循環(huán)換熱分離器中分出重質(zhì)油進入汽提塔后Fe含量由2016年的100 mg/L左右降到現(xiàn)在的10 mg/L～20 mg/L。循環(huán)換熱分離器分離效果很好，分離器底部重質(zhì)油基本不含水，水以氣相的形式進入空冷到達油水分離器得到了很好的分離。

［1］金國淼.化工設(shè)備設(shè)計全書［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1998.

［2］徐春明，楊朝合.石油煉制工程［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

Analysis and treatment of commissioning problem of Fischer-Tropsch synthesis unit

LI Shunping
（CTL Branch of Shenhua Ningxia Coal Industry Group Co.，Ltd.，Yinchuan Ningxia 750409，China）

Fischer-Tropsch synthesis is one of the key devices of the indirect coal liquefaction project,and some problems are encountered during the start up.Based on the characteristics of the device,the technical analysis of the problems in commissioning is made and the treatment measures are put forward.

Fischer-Tropsch synthesis；question；analysis；treatment measures

TQ529.2

A

1673-5285（2017）12-0129-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.12.031

2017－11-20