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百万吨煤制油项目循环换热分离器运行问题及解决措施

更新时间:2009-03-28

引 言

国内煤制油项目[1]核心技术主要采用高温浆态床F-T合成工艺[2],将来自净化装置的新鲜合成气和尾气处理装置的氢气在催化剂作用下,转化为轻质石脑油、稳定重质油、合格蜡等中间产品。循环换热分离器属首次工业化应用于费托合成工艺中,是煤制油项目费托合成工艺关键设备之一,其性能直接影响费托合成装置安稳长满优运行。

神华宁煤百万吨煤制油项目自投料试车以来[3],循环换热分离器先后出现分离内件堵塞、热侧整体压差大、换热板束包边破裂、重质油气分离效果差、罐底无法正常建立液位等问题,严重制约费托合成装置满负荷安稳运行。针对以上问题,从内件结构、生产操作两方面进行了优化改造,改造后运行效果良好,实现了满负荷安稳运行。现对实施的改造措施进行总结,以期为国内煤制油企业同行提供参考。

1 循环换热分离器工作流程

循环换热分离器设备上部为板式换热器,下部为波纹板分离器,波纹板为进口单囊波纹板,分离元件由丝网+波纹板+均气板构成,主要由高温油气进出口、低温油气进出口、壳体、液相出口、换热板束、气液分离内件(4组)、膨胀节、降液管等组成。循环换热分离器工作流程见图1所示。高温油气(270℃,2.75 MPa)自顶部进入循环换热分离器换热板束,与低温油气(64℃,3.1 MPa)换热后,进入对称的四组分离内件进行气液分离,分离后的高温油气经壳体内壁收集后,自高温油气出口(125℃,2.7 MPa)送往油气空冷器,重质油自罐底部出口管送往汽提塔。

  

图1 循环换热分离器工作流程示意图

2 运行中存在的问题

2.1 重质油气分离效果差

在逐渐提高负荷的过程中,发现循环换热分离器的气液分离效果变差,高温油气出口气相夹带重质油较多,造成如下问题:(1)重质油易凝结在油气空冷管束部分内表面上,使空冷换热冷却效果变差,空冷运行组数增加、负荷增大,冬季被迫停空冷风机进行提温化凝;(2)后系统油水分离器中轻质油里夹带大量重质油,轻质油终馏点温度>400℃,轻质油泵负荷增大,入口过滤器易发生堵塞,且冬季管线发生凝堵,装置被迫降负荷甚至停车;(3)轻质油气中夹带的重质油进入循环气压缩机入口分液罐,易堵塞分离内件,压差增大(最高30 kPa,设计值<50 kPa),给循环气压缩机安稳运行带来极大安全隐患。

经分析,主要原因是内置分离内件设计选型不合理,该内件不适用于费托合成工艺含催化剂的高温油气分离。经停车拆检,发现的问题有:(1)高温油气经换热板束冷却后,夹带的重质油中含有少量催化剂,在流经分离内件时,易沉积并逐渐堵塞波纹板迎风面上的“单囊”,长期运行,会造成气液分离效果变差和精度严重下降;(2)高温油气流经4组分离内件时,存在偏流现象,在靠近高温油气出口管侧,分离内件中的高温油气流通量比对称方向上最远端内件中的高温油气流通量大,原因是4组分离内件最内侧未设置气体分布板,靠近高温油气出口管侧分离内件流通阻力小,造成总体气液分离效率降低。

停车后检查发现:(1)换热板束热侧包边多处变形开裂,导致热侧介质泄漏短路,热侧出口液相及气相温度控制困难,造成高温油气出口温度大幅高于设计值;(2)波纹板分离器及丝网堵塞,导致换热板包边因热侧进出口压差过大(阿法拉伐设计值为100 kPa)而开裂,部分热侧气体经由开裂的包边短路进入设备腔体,影响设备的换热及分离效果。

2.2 热侧整体压差大

[4]本书编委会:《海上文学百家文库--章太炎 刘师培卷》,上海:上海文艺出版社,2010年,第178页。

运行过程中,发现循环换热分离器热侧压差(含进出口部分管路及管口)逐渐增大(最大310 kPa,设计值50 kPa),且高温油气出口温度(150℃~170℃)大幅超过设计值(125℃),造成的问题是:(1)油气空冷负荷增加,当费托反应器75%负荷运行时,油气空冷器全开,达到满负荷运行;(2)高温油气出口夹带重质油量增多,易堵塞下游轻质油水分离内件,严重影响压缩机长期安稳运行。

随着分子遗传学的发展,人们关于遗传和环境对行为影响的重要性认识不断深入,遗传因素对行为包括人格心理等的影响越来越受到重视。1992年美国心理学会将遗传学作为当前和未来心理学研究的主题之一,人类人格特征的30%—60%取决于遗传因素,遗传因素对人格有中等程度的影响且具有稳定性,且遗传是神经精神系统疾病的影响因素之一[1]。

2.3 罐底无法正常建立液位

为解决换热板束包边变形开裂问题,对开裂处采取修复和加固方案,目的是在高温油气侧压差>100 kPa工况下,确保循环换热分离器各项操作参数满足运行控制要求。按照方案三改造后,连续运行三个月,热侧整体压降基本保持在150 kPa,热侧温差基本保持在90℃~120℃(运行数据见表3),说明换热板束包边未发生开裂损坏,验证了方案3运行效果最佳。

生产过程中调整以下参数,可改善循环换热分离器运行可靠性。

3 改造措施及效果

3.1 采用新型分离内件

(1)费托反应器液位控制在 41 m~43 m(总高 50 m),严禁超过45 m,目的是确保高温油气出反应器前有充足的分离空间,将夹带的催化剂通过重力和顶部内置旋风分离器进行分离,尽量减少循环换热分离器入口高温油气夹带的催化剂量。

 

表1 循环换热分离器技改前后高温油气压差对比

  

方案原方案方案一方案二方案三费托净化气平均负荷 /1 000 m3·h-1 327 345 345 345高温油气整体压差/kPa 234 140 210 150

3.2 加固换热板束包边

运行过程中,发现循环换热分离器罐底无法正常建立液位,造成重质油全部被高温油气夹带,进入轻质油水分离系统,给循环气压缩机安稳运行带来极大隐患,导致费托反应系统无法正常运行,被迫停车。经分析,主要是由于分离内件丝网被催化剂堵塞,分离器压降急剧增大至远高于设计值,造成分离元件降液管气体短路,且降液管中短路气体速度极高(可超过60 m/s),高速气体在喷出降液管时,会将设备底部分离出的液相重新吹起并带出设备,进一步恶化设备操作状况。

3.3 调整生产操作

处理方法:将原5 mm的探头,改为量程12 mm的探头。给闸板窜动留有一部分余量,同时探头可以向外回撤部分,防止闸板窜动后触碰探头。

针对循环换热分离器运行中出现的问题,在不改变原循环换热分离器设备内部结构的情况下,先后提出3种改造方案并实施:方案一为“进口单囊波纹板”结构,方案二为“进口单囊波纹板+粗孔丝网”结构,方案三为“国产波纹板+筛孔板”结构。通过3个月满负荷连续运行,“国产波纹板+筛孔板”结构能够有效改善重质油分离效果,热侧整体压降大幅降低,循环换热分离器技改前后高温油气压差对比见表1,基本能够满足费托反应器满负荷长期运行,各方案对比见表2。

在发病早期可见肺脏坏死、出血,中性粒细胞浸润,巨噬细胞和血小板激活,血管内有血栓形成等组织病理学变化。肺脏大面积水肿并有纤维素性渗出物。急性期后则主要以巨噬细胞浸润、坏死灶周围有大量纤维素性渗出物及纤维素性胸膜炎为特征。

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表2 循环换热分离器气液分离内件改造方案对比

  

方案原方案内件说明单囊波纹板(板间距20 mm)+细孔丝网缺点(1)细孔丝网和波纹板上单囊易被催化剂堵塞;(2)热侧整体压降大;(3)内件费用较高方案一 重质油分离效果差方案二方案三单囊波纹板(板间距20 mm)+拆除细孔丝网单囊波纹板(板间距20 mm)+粗孔丝网(共3层5目丝网)波纹板(板间距16 mm)+筛孔板优点适用于低负荷且高温油气不带催化剂的工况(1)改造实施难度低,成本低;(2)热侧压降整体较低;(3)气液分离内件不易堵塞改造实施难度低,成本低(1)气液分离内件不易堵塞;(2)热侧压降整体较低;(3)满负荷工况下,重质油分离效果较好(1)重质油分离效果较差;(2)热侧整体压降较大改造实施难度和成本相比方案一、二较高,但显著低于原方案

 

表3 改造后循环换热分离器运行数据

  

日期2017-06 2017-07 2017-08费托净化气平均负荷 /1 000 m3·h-1 268 251 345高温油气整体压差/kPa 117 129 153高温油气进出温差/℃120 113 111

(2)循环换热分离器降液管液封压力保持在0.1 MPa以上,目的是防止低液位情况下,气液分离内件中高温油气自降液管短路流出,夹带大量重质油进入后系统。

(3)开停车时,严格控制循环换热分离器升温速率<50℃/h,升压速率<0.5 MPa/h,将高温油气量提负荷至最大或降负荷至最小的操作要缓慢进行(<50 km3/h),目的是确保换热板换热不发生较大的热应力或结构应力变化,确保正常生产运行和延长使用寿命。

(4)从循环换热分离器罐底重质油出口管和后系统轻质油管线上定时取样,分析重质油中铁含量和轻质油馏程,用以指导操作参数调整、问题处理和检修工作。

4 待解决的问题

针对循环换热分离器试车及运行过程中出现的问题,经过多次改造和调整生产操作,基本能够实现满负荷工况下安稳运行,证明改造思路是合理的,方法和措施是可靠的。但目前仍未解决以下问题:(1)换热板束换热能力不足,高温油气进出口温差高出设计值20℃~40℃,造成油气空冷负荷高;(2)重质油气分离精度不达标,后系统轻质油仍带有少量重质油,增加轻质油泵和压缩机长期安稳运行负荷;(3)热侧整体压降超设计值(50 kPa),换热板束包边设计强度不足的问题未从根本上解决,且随着运行周期压差缓慢增大,长期满负荷工况下,仍存在较大的超压变形开裂风险。建议将目前采用的板式换热分离一体化循环换热分离器改为列管式换热器+单独分离器,以彻底解决存在的问题。

参考文献

[1]郑宁来.神华宁煤建世界单套装置规模最大的煤制油项目[J].炼油技术与工程,2003(12):29-30.ZHENG N L.Shenhua Ningxia Coal to Build a Single Set of World′s Largest Unit of Coal-to-oil Project[J].Refining Technology and Engineering,2003(12):29-30.

[2]周立进,王 磊,黄慧慧,等.费托合成工艺研究进展[J].石油化工,2012,41(12):33-38.ZHOU L J,WANG L,HUANG H H,et al.Research Progress on Fischer-Tropsch Synthesis Process[J].Petroleum Chemical Industry,2012,41(12):33-38.

[3]梅 文.神华宁煤煤制油示范项目正式投产[J].煤炭加工与综合利用,2017(1):58-59.MEI W.Shenhua Ningxia Coal to Oil Demonstration Project Officially Put into Operation[J].Coal Processing and Comprehensive Utilization,2017(1):58-59.

 
史聪,王江,杨英
《煤化工》 2018年第02期
《煤化工》2018年第02期文献
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