費(fèi)托合成反應(yīng)系統(tǒng)壓降大的原因及對(duì)策

王江(國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司煤制油分公司，寧夏 銀川 750411)

0 引言

油品合成裝置是煤制油項(xiàng)目的核心工藝裝置，該裝置由中科合成油技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)，采用高溫漿態(tài)床F-T合成工藝(即HTSFTP?工藝)，包括高溫漿態(tài)床反應(yīng)器和配套的工藝技術(shù)、鐵基高溫漿態(tài)床SynFT系列催化劑。裝置公稱規(guī)模為400萬(wàn)t/a，實(shí)際產(chǎn)量為406.05萬(wàn)t/a，其中輕質(zhì)石腦油5.96萬(wàn)t/a，穩(wěn)定重質(zhì)油88.8萬(wàn)t/a，合格蠟294.53萬(wàn)t/a，壓縮凝液16.76萬(wàn)t/a。操作彈性為30%～110%，年操作小時(shí)數(shù)為8000h。

裝置分為A、B兩條并列的生產(chǎn)線，核心單元由8個(gè)年產(chǎn)50萬(wàn)噸費(fèi)托合成中間產(chǎn)物的漿態(tài)床反應(yīng)器組成，具有設(shè)備系列多、規(guī)模大、配置復(fù)雜的特點(diǎn)[1]。費(fèi)托合成單元是將精脫硫送來(lái)的脫硫凈化氣與循環(huán)合成氣混合后，在漿態(tài)床反應(yīng)器中在鐵基催化劑作用下發(fā)生費(fèi)托合成反應(yīng)。反應(yīng)器頂部出來(lái)的高溫油氣通過(guò)冷卻分離得到重質(zhì)油、輕質(zhì)油、合成水及循環(huán)氣。輕質(zhì)油、重質(zhì)油經(jīng)換熱后進(jìn)入汽提塔，合成水送至合成水處理單元，循環(huán)氣一部分進(jìn)行循環(huán)反應(yīng)，部分合成尾氣送至脫碳單元經(jīng)脫除CO2返回費(fèi)托合成單元，費(fèi)托反應(yīng)器內(nèi)的重質(zhì)蠟經(jīng)過(guò)濾器后送至汽提塔。

裝置自開(kāi)工后，各反應(yīng)系統(tǒng)總壓降超過(guò)設(shè)計(jì)值，雖然未導(dǎo)致裝置停工，但導(dǎo)致壓縮機(jī)負(fù)荷增加，裝置綜合能耗增加。本文就裝置運(yùn)行期間壓降大的原因進(jìn)行分析，以及采取的一些措施。

1 反應(yīng)器床層壓降大的表現(xiàn)

油品合成裝置于2016年11月開(kāi)工投運(yùn)，費(fèi)托合成反應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓降不大于0.5MPa，裝置運(yùn)行初期負(fù)荷為80%，在實(shí)際運(yùn)行中，系統(tǒng)壓降達(dá)到0.75MPa，隨著裝置運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，費(fèi)托反應(yīng)器頂部旋風(fēng)分離器分離效果差，大量催化劑帶入后系統(tǒng)循環(huán)換熱分離器，造成循環(huán)換熱器換熱內(nèi)件及分離內(nèi)件堵塞，導(dǎo)致循環(huán)換熱分離器熱側(cè)壓差升高、油氣空冷器管束堵塞、循環(huán)氣壓縮機(jī)濾網(wǎng)堵塞等一系列問(wèn)題，系統(tǒng)壓差最大達(dá)到0.85MPa，嚴(yán)重影響裝置的長(zhǎng)周期高負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行。

裝置于2017年3月開(kāi)始各系列反應(yīng)器逐個(gè)停工檢修，通過(guò)對(duì)反應(yīng)器內(nèi)部、循環(huán)換熱分離器、輕質(zhì)油分離器進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)循環(huán)換熱器熱側(cè)板換、輕質(zhì)油分離器分離內(nèi)件夾帶大量催化劑。雖對(duì)內(nèi)件進(jìn)行清洗，但檢修開(kāi)車(chē)后系統(tǒng)壓差仍遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值，造成循環(huán)氣壓縮機(jī)負(fù)荷增加，裝置綜合能耗升高。費(fèi)托反應(yīng)器壓降數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所示。

表1 費(fèi)托反應(yīng)系統(tǒng)壓降數(shù)據(jù)

2 反應(yīng)系統(tǒng)壓降大的原因分析

裝置開(kāi)工初期，系統(tǒng)壓降已超過(guò)原始設(shè)計(jì)值，且從上表可以看出氣體分布器、旋風(fēng)分離器、循環(huán)換熱分離器、油氣空冷器壓差明顯增大。反應(yīng)系統(tǒng)壓降大，會(huì)使循環(huán)換熱器包邊破損，循環(huán)量減少，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率降低，裝置能耗高，負(fù)荷無(wú)法提至滿負(fù)荷，影響裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行。我廠針對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)壓降大開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，對(duì)任何可能導(dǎo)致壓降大的原因進(jìn)行全面篩查和排查，總結(jié)如下：

(1)氣體分布器堵塞。費(fèi)托合成反應(yīng)器氣體分布器為內(nèi)置管式氣體分布器結(jié)構(gòu)[2](圖1)。分布器設(shè)置有進(jìn)氣主管與支管，每根支管上設(shè)置一定數(shù)量的噴嘴，噴嘴向下開(kāi)口，氣體噴出后再向上鼓泡進(jìn)入到床層內(nèi)部。 裝置發(fā)生非計(jì)劃停車(chē)或停車(chē)過(guò)程中渣蠟沖洗不干凈，渣蠟進(jìn)入環(huán)管和分布頭造成堵塞，造成分布器壓差增大。

圖1 費(fèi)托反應(yīng)器氣體分布器示意圖

(2)旋風(fēng)分離器堵塞。反應(yīng)器頂部設(shè)計(jì)為10臺(tái)旋風(fēng)分離器，旋風(fēng)分離器底部為降液管。費(fèi)托反應(yīng)器正常運(yùn)行液位控制在36～43m，運(yùn)行過(guò)程中受負(fù)荷波動(dòng)和出蠟影響，反應(yīng)器易出現(xiàn)液位超標(biāo)情況。液位超標(biāo)造成高溫油氣中攜帶大量催化劑進(jìn)入分離器，分離器底部分離出的催化劑沉積在分離器底部造成分離器堵塞。另外降液管坡度較小且光滑度不夠，存在明顯彎折現(xiàn)象，旋風(fēng)分離處的催化劑在彎折處堆積，逐漸堵塞整個(gè)旋風(fēng)分離器(圖2)，造成旋風(fēng)分離器壓差增大。

圖2 費(fèi)托反應(yīng)器旋風(fēng)分布器堵塞照片

(3)循環(huán)換熱器內(nèi)件堵塞。因原設(shè)計(jì)旋風(fēng)分離器尺寸大，入口口徑大，氣體進(jìn)入旋風(fēng)分離器后流速過(guò)低，慣性離心力小，分離效率低，造成大量渣蠟、催化劑隨高溫油氣帶入循環(huán)換熱分離器，導(dǎo)致循環(huán)換熱分離器內(nèi)件堵塞(圖3)。循環(huán)換熱分離器內(nèi)件為板式換熱器，板片間歇小，停車(chē)清洗時(shí)無(wú)法清理干凈，隨著反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，堵塞現(xiàn)象越嚴(yán)重。

圖3 循環(huán)換熱分離器內(nèi)件堵塞催化劑照片

(4)油氣空冷器堵塞。由于反應(yīng)器頂部旋風(fēng)分離器分離效果差，大量渣蠟、催化劑被高溫油氣帶出反應(yīng)器后，部分進(jìn)入循環(huán)換熱分離器，部分被帶出進(jìn)入油氣空冷器，造成油氣空冷器堵塞。另外循環(huán)換熱分離器堵塞，分離效果下降，重質(zhì)油分離器不徹底，輕油帶重油和催化劑，進(jìn)入油氣空冷器。由于油氣空冷器運(yùn)行出口溫度為40℃，重油在空冷器中冷凝造成空冷器堵塞，壓差增大。

(5)輕質(zhì)油分離器堵塞。油氣空冷器出口設(shè)備輕質(zhì)油分離器，輕質(zhì)油分離器作用為分離器輕質(zhì)油和合成尾氣。由于輕質(zhì)油夾帶重質(zhì)油及催化劑，進(jìn)入波紋板分離器內(nèi)件，造成分離器內(nèi)件堵塞，輕質(zhì)油油分離器壓差增大。

3 降低系統(tǒng)阻力降的對(duì)策

(1)清理氣體分布器。反應(yīng)器停車(chē)過(guò)程中，渣蠟卸出后，利用重柴對(duì)渣蠟進(jìn)行沖洗，沖洗次數(shù)為2次，浸泡時(shí)間為1h。在蒸汽蒸煮時(shí)，多次進(jìn)行卸渣，盡量減少渣蠟在反應(yīng)器底部進(jìn)行集聚。停車(chē)后對(duì)分布器進(jìn)行逐個(gè)清理，堵塞嚴(yán)重的將環(huán)管切開(kāi)，檢查環(huán)管有無(wú)堵塞，如環(huán)管堵塞，則對(duì)環(huán)管進(jìn)行高壓清洗。

(2)旋風(fēng)分離器改造。將反應(yīng)器頂部原設(shè)計(jì)10個(gè)旋風(fēng)分離器拆除，以原管口為圓心對(duì)稱分布4個(gè)小型旋風(fēng)分離器，共計(jì)40個(gè)/臺(tái)(見(jiàn)圖4)，旋風(fēng)分離器尺寸縮小一半。將旋風(fēng)分離器降液管改為4D彎頭，避免出現(xiàn)折彎，根據(jù)目前位置盡量提高管線坡度，減少渣蠟和催化劑在降液管上堆積。

圖4 旋風(fēng)分離器改造前后示意圖

(3)循環(huán)換熱分離器改造。原循環(huán)換熱分離器為板式換熱器，長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中板換堵塞，無(wú)法進(jìn)行清洗。將循環(huán)換熱分離器改造成列管式換熱器和分離器。列管式換熱器為立式換熱器，列管直徑為φ25，管程為單管程。列管直徑大且為單管程，氣體流速大，渣蠟和催化劑在列管內(nèi)無(wú)堆積。重質(zhì)油分離器設(shè)計(jì)分離內(nèi)件為小旋風(fēng)分離器，非波紋板分離內(nèi)件，避免了波紋板易堵塞的缺點(diǎn)。

(4)油氣空冷器加熱疏通。油氣空冷器因數(shù)量大，且裝置運(yùn)行期間無(wú)法工藝交出，無(wú)法利用大檢修進(jìn)行高壓清洗，只能在運(yùn)行過(guò)程中將空冷器風(fēng)機(jī)停用，用帆布將空冷器包裹住，利用入口介質(zhì)的溫度將空冷器溫度提高，利用介質(zhì)自身的熱量將空冷器殘存的重油融化，依靠介質(zhì)將重油和催化劑帶出空冷器。

(5)輕質(zhì)油分離器內(nèi)件清理。利用大檢修停車(chē)期間，對(duì)輕質(zhì)油分離器內(nèi)件進(jìn)行拆檢清理，將分離內(nèi)件中的重油和催化劑徹底清理干凈，再進(jìn)行回裝。

4 結(jié)語(yǔ)

以上措施在2020年大檢修期間及檢修后全部實(shí)施，實(shí)施后具體壓降數(shù)據(jù)見(jiàn)表2所示。

表2 費(fèi)托反應(yīng)系統(tǒng)改造前后壓降數(shù)據(jù)

通過(guò)技改及檢修后多方面操作改進(jìn)，系統(tǒng)總壓力降由0.86MPa降低至0.55MPa，旋風(fēng)分離器及循環(huán)換熱器壓降降低明顯，達(dá)到或小于設(shè)計(jì)值。系統(tǒng)總壓力降降至0.55MPa，循環(huán)氣壓縮機(jī)做功減少，透平蒸汽用量降低。氣體循環(huán)量增大，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率提高，運(yùn)行成本降低。如系統(tǒng)總壓降想進(jìn)一步達(dá)到設(shè)計(jì)值，氣體分布器需進(jìn)行改造，將分布器的分配頭由向下改為向上，減少壓力降。油氣空冷器需持續(xù)升溫疏通，減少管束中重油和催化劑殘留量。