国产循环换热分离器在费托合成单元的应用

高 杰，侯 岩，马金伟，姚立影，李 虎，苏 畅，张向南

（1.上海蓝滨石化设备有限责任公司，上海201518；2. 国家能源集团宁夏煤业有限责任公司，宁夏 银川750411）

引 言

煤炭间接液化项目[1-3]核心技术是费托合成工艺[4-5]，费托合成以合成气（CO+H2）为原料，在适宜的催化剂和反应条件下生成轻质油、蜡和重质油[6-7]。该工艺可以大规模地将煤炭、天然气、生物质等转化为洁净燃料和其他高附加值的化学品，开辟了一条非石油燃料的技术路线，因此受到广泛关注[8]。

费托合成工艺中传统的换热和气液分离过程分别通过换热器和分离器来分步实现，存在占地面积大，管线连接复杂，投资高等问题。将换热和分离两种功能集于一体的循环换热分离器，可解决上述问题。但循环换热分离器一直引用进口设备，成本高，维护周期长。因此，迫切需要实现循环换热分离器的国产化，以降低大型煤化工项目运营成本。

上海蓝滨石化设备有限责任公司开发研制了国产循环换热分离器，并在国家能源集团宁夏煤业有限责任公司400 万t/a 煤炭间接液化示范项目（简称宁煤400 万t/a 煤炭间接液化示范项目）进行了应用，各项参数达到了预期的设计要求，为装置的满负荷安稳运行提供了保障。

1 国产循环换热分离器结构及工作原理

循环换热分离器起着回收油气热量、提高反应循环气温度、降低装置能耗的重要作用，其运行平稳决定了整个费托反应系统的运行稳定。

1.1 国产循环换热分离器结构

国产循环换热分离器将换热功能、高温油气气液分离功能融为一体，设备整体立式布置，分两个模块，上端为换热功能模块，采用板壳式高效换热结构，传热元件为焊接板片，下端为分离模块，采用高效分离元件。换热模块和分离模块在一个压力容器圆壳内。国产循环换热分离器结构示意图见图1。

图1 国产循环换热分离器结构示意图

1.2 工作原理及流程

费托反应器产生的高温油气从循环换热分离器顶部进入，经气体分布板均匀分布后，进入板束，自板束上端向下流动，与低温循环气换热。高温油气被冷却后产生部分凝液，在壳体内部、板束下端设置气液分离器，气液两相介质经气液分离元件后，气体水平流动，从壳体侧面气相出口送油气空冷器；凝液向下流动，经壳体下端积液槽和降液管自罐底部出口送往汽提塔，完成气液分离。冷态循环气（净化装置的费托净化气、循环气压缩机出口循环气、甲烷转化的氢气）从壳体侧面下方进入壳程，向上流动，冷热流体在板片组成的流道内整体进行逆流传热，被加热的循环气从壳体侧面上方流出设备。费托合成单元循环换热分离器工艺流程示意图见图2。

2 循环换热分离器的应用

宁煤400 万t/a 煤炭间接液化示范项目共有循环

图2 费托合成单元循环换热分离器工艺流程示意图

换热分离器8 台，其中Ⅰ～Ⅵ系列为进口循环换热分离器，Ⅶ、Ⅷ系列为国产循环换热分离器[9-10]。

2.1 工艺参数

该项目费托合成单元Ⅶ、Ⅷ系列循环换热分离器设备规格为Φ3 200 mm/3 600 mm×17 100 mm，循环换热分离器工艺参数如表1 所示。

2.2 应用效果

2019 年，对该项目费托合成单元Ⅶ、Ⅷ系列循环换热分离器进行了工业运行考核标定，结果见表2。

表1 循环换热分离器的工艺参数

表2 循环换热分离器工业运行考核标定结果

对比表1、表2 可知，实际油气流量已达到设计值约101%的工况；实际标定传热系数691.4 W/（m2·K），大于设计传热系数，实际工况有效传热温差为47.8 ℃，低于设计值，说明设备具有良好的传热性能；整体压降标定值80 kPa，小于设计值。

2.3 节能效果

按照装置每年运行8 000 h，燃料油热值4.19×104kJ/kg（10 000 kcal/kg），碳质量分数85%为基准，燃料油价格3 800 元/t，生产1 kg 燃料油产生3.1 kg CO2。单台国产循环换热分离器在满负荷条件下回收反应油气热量2.7×108kJ/h（6.45×107kcal/h），每年节省热量折燃料油51 600 t，折合节能收入约为19 608 万元，每年减少CO2排放159 960 t，节能降耗效果明显。

2.4 与进口设备对比分析

宁夏400 万t/a 煤炭间接液化示范项目费托各系列循环换热分离器热侧压差及换热温差对比见表3。

通过表3 可以看出，在设备压降方面：国产设备接气负荷较高，热侧压差明显比其他系列低，说明国产循环换热分离器的换热板型流道设计的抗堵性能优良。换热性能方面：国产循环换热分离器热侧和冷侧温差较进口设备高。一方面由于国产循环换热分离器换热温差大，换热后的入塔气温度较高，费托反应器中下部反应好，提升费托反应转化率；另一方面国产设备换热温差的提高，有效降低了循环换热分离器热侧出口温度，极大地降低了费托合成单元油气空冷器的负荷，可以节约大量电耗。

由以上对比可知，国产和进口循环换热分离器在装置运行上存在明显对比性，国产设备在传热、阻力降等节能参数上的优势表现尤为突出。

3 结 语

国产循环换热分离器成功应用于宁夏400 万t/a煤炭间接液化示范项目费托合成单元Ⅶ、Ⅷ系列，运行情况良好，其传热及阻力降满足设计要求，分离效果满足工艺要求，设备运行安全、平稳可靠，且可回收热量，降低燃料消耗，节能减排，降低对环境的污染。国产循环换热分离器的成功应用，对国内煤制油行业新建及更新改造装置具有示范效应，提高了重大关键装备的国产化技术水平，增强了国内装备制造业在国际市场上的竞争力。

表3 费托各系列循环换热分离器热侧压差及换热温差对比