高 杰，侯 巖，馬金偉，姚立影，李 虎，蘇 暢，張向南

（1.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海201518；2. 國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，寧夏 銀川750411）

引 言

煤炭間接液化項(xiàng)目[1-3]核心技術(shù)是費(fèi)托合成工藝[4-5]，費(fèi)托合成以合成氣（CO+H2）為原料，在適宜的催化劑和反應(yīng)條件下生成輕質(zhì)油、蠟和重質(zhì)油[6-7]。該工藝可以大規(guī)模地將煤炭、天然氣、生物質(zhì)等轉(zhuǎn)化為潔凈燃料和其他高附加值的化學(xué)品，開(kāi)辟了一條非石油燃料的技術(shù)路線，因此受到廣泛關(guān)注[8]。

費(fèi)托合成工藝中傳統(tǒng)的換熱和氣液分離過(guò)程分別通過(guò)換熱器和分離器來(lái)分步實(shí)現(xiàn)，存在占地面積大，管線連接復(fù)雜，投資高等問(wèn)題。將換熱和分離兩種功能集于一體的循環(huán)換熱分離器，可解決上述問(wèn)題。但循環(huán)換熱分離器一直引用進(jìn)口設(shè)備，成本高，維護(hù)周期長(zhǎng)。因此，迫切需要實(shí)現(xiàn)循環(huán)換熱分離器的國(guó)產(chǎn)化，以降低大型煤化工項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)成本。

上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司開(kāi)發(fā)研制了國(guó)產(chǎn)循環(huán)換熱分離器，并在國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司400 萬(wàn)t/a 煤炭間接液化示范項(xiàng)目（簡(jiǎn)稱(chēng)寧煤400 萬(wàn)t/a 煤炭間接液化示范項(xiàng)目）進(jìn)行了應(yīng)用，各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，為裝置的滿(mǎn)負(fù)荷安穩(wěn)運(yùn)行提供了保障。

1 國(guó)產(chǎn)循環(huán)換熱分離器結(jié)構(gòu)及工作原理

循環(huán)換熱分離器起著回收油氣熱量、提高反應(yīng)循環(huán)氣溫度、降低裝置能耗的重要作用，其運(yùn)行平穩(wěn)決定了整個(gè)費(fèi)托反應(yīng)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定。

1.1 國(guó)產(chǎn)循環(huán)換熱分離器結(jié)構(gòu)

國(guó)產(chǎn)循環(huán)換熱分離器將換熱功能、高溫油氣氣液分離功能融為一體，設(shè)備整體立式布置，分兩個(gè)模塊，上端為換熱功能模塊，采用板殼式高效換熱結(jié)構(gòu)，傳熱元件為焊接板片，下端為分離模塊，采用高效分離元件。換熱模塊和分離模塊在一個(gè)壓力容器圓殼內(nèi)。國(guó)產(chǎn)循環(huán)換熱分離器結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 國(guó)產(chǎn)循環(huán)換熱分離器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理及流程

費(fèi)托反應(yīng)器產(chǎn)生的高溫油氣從循環(huán)換熱分離器頂部進(jìn)入，經(jīng)氣體分布板均勻分布后，進(jìn)入板束，自板束上端向下流動(dòng)，與低溫循環(huán)氣換熱。高溫油氣被冷卻后產(chǎn)生部分凝液，在殼體內(nèi)部、板束下端設(shè)置氣液分離器，氣液兩相介質(zhì)經(jīng)氣液分離元件后，氣體水平流動(dòng)，從殼體側(cè)面氣相出口送油氣空冷器；凝液向下流動(dòng)，經(jīng)殼體下端積液槽和降液管自罐底部出口送往汽提塔，完成氣液分離。冷態(tài)循環(huán)氣（凈化裝置的費(fèi)托凈化氣、循環(huán)氣壓縮機(jī)出口循環(huán)氣、甲烷轉(zhuǎn)化的氫氣）從殼體側(cè)面下方進(jìn)入殼程，向上流動(dòng)，冷熱流體在板片組成的流道內(nèi)整體進(jìn)行逆流傳熱，被加熱的循環(huán)氣從殼體側(cè)面上方流出設(shè)備。費(fèi)托合成單元循環(huán)換熱分離器工藝流程示意圖見(jiàn)圖2。

2 循環(huán)換熱分離器的應(yīng)用

寧煤400 萬(wàn)t/a 煤炭間接液化示范項(xiàng)目共有循環(huán)

圖2 費(fèi)托合成單元循環(huán)換熱分離器工藝流程示意圖

換熱分離器8 臺(tái)，其中Ⅰ～Ⅵ系列為進(jìn)口循環(huán)換熱分離器，Ⅶ、Ⅷ系列為國(guó)產(chǎn)循環(huán)換熱分離器[9-10]。

2.1 工藝參數(shù)

該項(xiàng)目費(fèi)托合成單元Ⅶ、Ⅷ系列循環(huán)換熱分離器設(shè)備規(guī)格為Φ3 200 mm/3 600 mm×17 100 mm，循環(huán)換熱分離器工藝參數(shù)如表1 所示。

2.2 應(yīng)用效果

2019 年，對(duì)該項(xiàng)目費(fèi)托合成單元Ⅶ、Ⅷ系列循環(huán)換熱分離器進(jìn)行了工業(yè)運(yùn)行考核標(biāo)定，結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 循環(huán)換熱分離器的工藝參數(shù)

表2 循環(huán)換熱分離器工業(yè)運(yùn)行考核標(biāo)定結(jié)果

對(duì)比表1、表2 可知，實(shí)際油氣流量已達(dá)到設(shè)計(jì)值約101%的工況；實(shí)際標(biāo)定傳熱系數(shù)691.4 W/（m2·K），大于設(shè)計(jì)傳熱系數(shù)，實(shí)際工況有效傳熱溫差為47.8 ℃，低于設(shè)計(jì)值，說(shuō)明設(shè)備具有良好的傳熱性能；整體壓降標(biāo)定值80 kPa，小于設(shè)計(jì)值。

2.3 節(jié)能效果

按照裝置每年運(yùn)行8 000 h，燃料油熱值4.19×104kJ/kg（10 000 kcal/kg），碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)85%為基準(zhǔn)，燃料油價(jià)格3 800 元/t，生產(chǎn)1 kg 燃料油產(chǎn)生3.1 kg CO2。單臺(tái)國(guó)產(chǎn)循環(huán)換熱分離器在滿(mǎn)負(fù)荷條件下回收反應(yīng)油氣熱量2.7×108kJ/h（6.45×107kcal/h），每年節(jié)省熱量折燃料油51 600 t，折合節(jié)能收入約為19 608 萬(wàn)元，每年減少CO2排放159 960 t，節(jié)能降耗效果明顯。

2.4 與進(jìn)口設(shè)備對(duì)比分析

寧夏400 萬(wàn)t/a 煤炭間接液化示范項(xiàng)目費(fèi)托各系列循環(huán)換熱分離器熱側(cè)壓差及換熱溫差對(duì)比見(jiàn)表3。

通過(guò)表3 可以看出，在設(shè)備壓降方面：國(guó)產(chǎn)設(shè)備接氣負(fù)荷較高，熱側(cè)壓差明顯比其他系列低，說(shuō)明國(guó)產(chǎn)循環(huán)換熱分離器的換熱板型流道設(shè)計(jì)的抗堵性能優(yōu)良。換熱性能方面：國(guó)產(chǎn)循環(huán)換熱分離器熱側(cè)和冷側(cè)溫差較進(jìn)口設(shè)備高。一方面由于國(guó)產(chǎn)循環(huán)換熱分離器換熱溫差大，換熱后的入塔氣溫度較高，費(fèi)托反應(yīng)器中下部反應(yīng)好，提升費(fèi)托反應(yīng)轉(zhuǎn)化率；另一方面國(guó)產(chǎn)設(shè)備換熱溫差的提高，有效降低了循環(huán)換熱分離器熱側(cè)出口溫度，極大地降低了費(fèi)托合成單元油氣空冷器的負(fù)荷，可以節(jié)約大量電耗。

由以上對(duì)比可知，國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口循環(huán)換熱分離器在裝置運(yùn)行上存在明顯對(duì)比性，國(guó)產(chǎn)設(shè)備在傳熱、阻力降等節(jié)能參數(shù)上的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)尤為突出。

3 結(jié) 語(yǔ)

國(guó)產(chǎn)循環(huán)換熱分離器成功應(yīng)用于寧夏400 萬(wàn)t/a煤炭間接液化示范項(xiàng)目費(fèi)托合成單元Ⅶ、Ⅷ系列，運(yùn)行情況良好，其傳熱及阻力降滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，分離效果滿(mǎn)足工藝要求，設(shè)備運(yùn)行安全、平穩(wěn)可靠，且可回收熱量，降低燃料消耗，節(jié)能減排，降低對(duì)環(huán)境的污染。國(guó)產(chǎn)循環(huán)換熱分離器的成功應(yīng)用，對(duì)國(guó)內(nèi)煤制油行業(yè)新建及更新改造裝置具有示范效應(yīng)，提高了重大關(guān)鍵裝備的國(guó)產(chǎn)化技術(shù)水平，增強(qiáng)了國(guó)內(nèi)裝備制造業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。

表3 費(fèi)托各系列循環(huán)換熱分離器熱側(cè)壓差及換熱溫差對(duì)比