（甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730070）

中國的能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是富煤少油，從能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和能源安全角度考慮，煤制油已經(jīng)成為我國能源發(fā)展戰(zhàn)略的一個(gè)重要方向［1］。近幾年，煤化工產(chǎn)業(yè)雖然發(fā)展迅猛，但是核心技術(shù)、高端裝備嚴(yán)重依賴進(jìn)口。循環(huán)換熱分離器是煤制油費(fèi)托合成單元核心設(shè)備之一，起著回收油氣熱量和分離重質(zhì)油，提高反應(yīng)循環(huán)氣溫度及降低裝置能耗的重要作用［2］。該設(shè)備一直采用進(jìn)口產(chǎn)品，設(shè)備價(jià)格高、維護(hù)周期長，嚴(yán)重制約煤制油化工行業(yè)的發(fā)展。為滿足國內(nèi)煤制油行業(yè)需求，打破進(jìn)口技術(shù)壟斷，甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司自主研發(fā)了國產(chǎn)循環(huán)換熱分離器，在大型煤制油裝置中實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化替代。

1 循環(huán)換熱分離器應(yīng)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(fèi)托合成單元，費(fèi)托反應(yīng)產(chǎn)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(jìn)入分離模塊進(jìn)行氣液分離，分離后的油氣混合物經(jīng)殼體內(nèi)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(zhì)油經(jīng)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(jìn)入費(fèi)托反應(yīng)器［3］。

圖1 煤制油費(fèi)托合成單元循環(huán)換熱分離器工藝流程簡圖

2 國產(chǎn)化循環(huán)換熱分離器應(yīng)用示例

2.1 配置概況

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

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

400萬t/a煤炭間接液化項(xiàng)目油品合成裝置費(fèi)托合成單元的循環(huán)換熱分離器板程介質(zhì)為高溫油氣，總質(zhì)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(zhì)為循環(huán)氣，總質(zhì)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(shè)計(jì)壓力3.5 MPa，設(shè)計(jì)溫度270℃；板程設(shè)計(jì)壓力3.5 MPa，設(shè)計(jì)溫度300℃；板束設(shè)計(jì)壓差1.0/-0.25 MPa。

2.3 設(shè)備選材

費(fèi)托合成單元中，循環(huán)換熱分離器板程油氣介質(zhì)溫度高而且含有有機(jī)酸、CO2、H2，殼程循環(huán)氣介質(zhì)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(jù)循環(huán)換熱分離器設(shè)計(jì)條件和納爾遜曲線，同時(shí)考慮材料價(jià)格，設(shè)備殼體采用15CrMoR+304L復(fù)合鋼板，傳熱板片、分離元件均采用不銹鋼S30408。

2.4 設(shè)備結(jié)構(gòu)

國產(chǎn)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(gè)壓力容器圓殼內(nèi)，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(nèi)。板束上、下端的連接管上設(shè)置有膨脹節(jié)，吸收板束與殼體的膨脹差。殼體上設(shè)有1對設(shè)備法蘭，檢、維修時(shí)可打開設(shè)備法蘭抽出板束。

分離模塊設(shè)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(kuò)徑，以降低油氣流速，油氣在TP板中徑向擴(kuò)散，軸向分離。分離后的油氣經(jīng)分離模塊上部氣相出口送往空冷器，重質(zhì)油經(jīng)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(yīng)用效果

2016-12，國產(chǎn)循環(huán)換熱分離器在400萬t/a煤炭間接液化項(xiàng)目油品合成裝置費(fèi)托合成單元7～8系列投入使用。2017-08，對該設(shè)備進(jìn)行了工業(yè)運(yùn)行考核及現(xiàn)場標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果見表1。

圖2 循環(huán)換熱分離器結(jié)構(gòu)簡圖

由表1可知，在101%負(fù)荷下國產(chǎn)循環(huán)換熱分離器實(shí)際傳熱系數(shù)為 691.4 W/（m2·K），比設(shè)計(jì)傳熱系數(shù)大1%，設(shè)備具有良好的傳熱性能。板、殼程總壓降 80 kPa，比設(shè)計(jì)值小 6%，設(shè)備阻力性能好。重質(zhì)油出口質(zhì)量流量12.74 t/h，比設(shè)計(jì)值大6.2%，設(shè)備分離效率高。截止目前，國產(chǎn)循環(huán)換熱分離器投運(yùn)已經(jīng)近3 a，經(jīng)歷了開車、停車等苛刻工況的考驗(yàn)，設(shè)備安全可靠、各性能參數(shù)均達(dá)到預(yù)期指標(biāo)，完全滿足費(fèi)托合成單元高負(fù)荷運(yùn)行的要求，能夠確保裝置安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運(yùn)行。

將費(fèi)托合成單元7～8系列國產(chǎn)循環(huán)換熱分離器運(yùn)行數(shù)據(jù)與同裝置費(fèi)托合成單元1～6系列進(jìn)口設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)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(yīng)器產(chǎn)氣量表征反應(yīng)副產(chǎn)蒸汽量，單位循環(huán)蒸汽消耗量（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）表征壓縮機(jī)蒸汽消耗量。由表2可知，在費(fèi)托合成單元100%負(fù)荷工況條件下（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下凈化氣量為3.5×108m3/h），國產(chǎn)循環(huán)換熱分離器的冷、熱流體側(cè)溫差較進(jìn)口設(shè)備的高，凈化氣進(jìn)入反應(yīng)器溫度的提高，可以有效提高反應(yīng)器中費(fèi)托合成反應(yīng)進(jìn)程，增加反應(yīng)放熱量和反應(yīng)器副產(chǎn)蒸汽量，熱流體側(cè)出口溫度降低可以有效降低油氣空氣冷卻器負(fù)荷，減少電耗。國產(chǎn)設(shè)備熱流體側(cè)的壓差較進(jìn)口設(shè)備的壓降低，采用國產(chǎn)循環(huán)換熱分離器費(fèi)托合成單元循環(huán)氣壓縮機(jī)蒸汽平均消耗為67.7 kg/km3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），采用進(jìn)口設(shè)備費(fèi)托合成單元循環(huán)氣壓縮機(jī)蒸汽平均消耗為81 kg/km3，壓縮機(jī)蒸汽消耗減少16.4%。壓降比較結(jié)果表明，國產(chǎn)循環(huán)換熱分離器的板型流道設(shè)計(jì)、設(shè)備抗堵塞性能優(yōu)于進(jìn)口設(shè)備。

表1 國產(chǎn)循環(huán)換熱分離器工業(yè)運(yùn)行考核參數(shù)及現(xiàn)場標(biāo)定結(jié)果

表2 費(fèi)托合成單元各系列機(jī)組100%負(fù)荷運(yùn)行情況對比

3 結(jié)語

目前，甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司自主研發(fā)的2臺(tái)國產(chǎn)循環(huán)換熱分離器已經(jīng)在國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司400萬t/a煤炭間接液化項(xiàng)目油品合成裝置費(fèi)托合成單元實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，還有1臺(tái)已經(jīng)與山西潞安煤基合成油有限公司簽訂供貨合同。與傳統(tǒng)熱交換器、油氣分離器分開布置技術(shù)方案相比，循環(huán)換熱分離器具有結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)備布置空間小、設(shè)備質(zhì)量輕、外部接口配管簡單、換熱分離過程協(xié)調(diào)性好以及易于統(tǒng)一控制管理等優(yōu)點(diǎn)。與進(jìn)口循環(huán)換熱分離器相比，國產(chǎn)循環(huán)換熱分離器價(jià)格低、傳熱效率高、流阻性能好，值得推廣應(yīng)用。