费托合成装置自然循环废热锅炉设计

赵景运

北京石油化工工程有限公司 北京 100107

费托合成是以合成气为原料，在催化剂和适当反应条件下合成液体燃料的工艺过程，属于一种煤间接液化技术。费托合成为强放热反应，需要及时移走反应所产生的热量，才能实现对反应器温度的有效控制。若反应产生的热量不能及时移出，将导致床层温度升高、反应选择性改变、催化剂失活，在极端情况下甚至造成反应器损坏，发生安全事故。为避免以上情况发生，通常在反应器内设置取热单元副产蒸汽，由取热单元、上升管、下降管和汽包等组成废热锅炉产汽系统。

目前国内外费托合成废热锅炉均采用强制循环技术，通过循环泵的动力，克服在水力循环过程中产生的沿程和局部阻力。通常在废热锅炉设计时，强制循环的水力计算考虑较少，因为阻力可以通过提高泵的扬程来解决。但强制循环存在以下缺点：循环水泵故障或电力故障时，宜导致反应器“飞温”现象；系统中需设置循环泵，耗费电能，装置能耗升高；增加了工程投资和维护工作量。

锅炉的另一种水力循环方式为自然循环，依靠水和汽水混合物密度差作动力源，具有流程操作简单、水循环安全可靠、工程投资少、节约电能、降低装置能耗等优点。自然循环锅炉设计时水力计算要求相当严格。为克服系统流动产生的阻力，汽包和取热管束要有一定的高度差，系统阻力大需要的高度差也大。为保证自然循环系统良好、节约投资，自然循环水力计算是废热锅炉计算过程中非常值得注意的问题。

1 自然循环取热单元

浆态床反应器由于具有良好的传热、传质效果和相间接触充分、规模效应显著等优点，是当前国际上重点发展的费托合成液体技术。费托合成反应是强放热反应，及时移走反应所产生的热量，才能实现对反应器温度的有效控制，因此在浆态床反应器内设有取热单元。

现有技术中，用于固—液—气三相浆态床的管屏式或列管管束取热单元是由小管径内外套管及上部集合管组成，取热管管径通常为DN50～100mm，数根至数十根小管径的套管与集合管形成一组取热单元，整个反应器可能具有数百至数千根取热管。取热管束的分布见图1[1]。由于该取热单元是小管径的内外套管结构，实现自然循环时，取热量较小。同时，其外管设置了强化传热的小管与套管壳体下部和上部连通，汽水阻力大，大负荷取热时只能采用强制循环换热，耗费大量电能，且运行安全性差，循环泵事故时易造成器内“飞温”现象，对安全生产不利。

图1 强制循环浆态床分布管束

为实现废热锅炉自然循环，克服强制循环取热单元汽水阻力大、自然循环时取热量小等弊端，北京石油化工工程有限公司的专利[2]中公开了三相浆态床取热单元（图2），设计了一种大口径立式套管、外壁带有加强传热小管的取热单元，垂直置于反应器浆态床中。其外管采用管径DN150～400mm 的无缝钢管，内管采用直径DN65～250mm 的无缝钢管，加强传热小管采用DN40～65mm 的无缝管。取热单元的套管是一个底端带有封头的管子，套管内同轴设置一个内管并插至套管底部，冷却水自内管入口引入，依靠重位差流至外套管壳体底部；再通过分布在外套管周围的小管及外管与内管之间的环状空间受热，并蒸发产汽；依靠上升管、下降管工质的密度差推动，汽水混合物向上流动，最后自外管上端的出口引出。

图2 自然循环废热锅炉管束布置

该布置型式的管束已成功应用于榆煤化公司15 万t/ a制油示范费托装置，自2016 年投产以来，反应器运行正常，移热效果良好，径向床层温差小于0.2℃，轴向床层温差在1℃内。

2 自然循环的计算与设计

取热单元、循环回路的总体及各构件初步设计完成后，根据设计的热负荷、管束，以及上升、下降管尺寸进行自然循环水力计算。采用试算法，首先建立回路系统模型，根据推荐值假设循环倍率，确定循环流量、汽水流速，求出相应的推动力与阻力损失，比较这些参数是否在推荐值和临界值范围内。如果数据恰当，就不需要再试算；如果不合理，则对结构及几何尺寸进行修改，再重复计算，一直到各参数合理为止。由于自然循环水力计算需重复、修改多次，所以可采用excel 编程，利用推动力与阻力损失相等进行试算求解，既快捷方便，又减少了失误率。

2.1 汽水循环回路系统模型

根据费托浆态床反应器取热单元受热面布置，以及汽包、下降管、上升管布置型式，绘制汽水循环回路数学模型。费托装置自然循环废热锅炉汽水循环系统模型示意图如图3 所示。

图3 费托装置自然循环废热锅炉汽水循环示意图

2.2 下降管阻力计算

下降管的阻力计算与单相流体阻力的计算方法相同，选取一根进行代表性计算，其他只进行校核计算。下降管的总阻力包括沿程阻力和局部阻力，其计算公式采用《废热锅炉》[3]中的公式，见式（1）和式（2）。

式中：△Px——下降管的总阻力，Pa；

Λ—— 沿程摩擦阻力系数；

ζ1——下降管的总局部阻力系数，包括汽包出口、集合管进口、弯头、阀门等局部阻力系数之和；

L——下降管长度，m；

D——下降管的内径，m；

wx——下降管内水的流速，m/ s；

γx——下降管水的重度，N/ m3;

ε——下降管管壁绝对粗糙度，mm。

2.3 取热单元阻力计算

浆态床反应器取热单元结构尺寸对整个系统水循环影响较大，采用自然循环时，规格尺寸及取热管束布置型式要适当，以免达不到设计效果。取热单元计算介质的流态有单相流和双相流，应分别计算。其中单相流参照下降管阻力计算公式（1）进行，由于取热单元是受热蒸发段，随着吸热量的增加含汽率不断增加，双相流的阻力计算采用均相法。

取热单元阻力降由三部分组成，即内管阻力降、上升沿程阻力降和局部阻力降，计算公式分别见式（3）、式（4）和式（5）。

ω0 ——上、下端循环平均流速，m/ s；

ω——摩擦损失系数，按线算图选取；

ρ′——饱和水的密度，kg/m3；

ρ"——饱和蒸汽的密度，kg/m3；

ζj——局部阻力系数；

X——取热单元上升通道中的平均含汽率，按上端出口含汽率的1/2 计。

2.4 上升管阻力计算

为减少上升管阻力，降低汽包安装高度，管道布置要简洁，水平管道要有一定坡度，上升管流速推荐范围3～5m/ s。上升管流态为双相流，阻力计算按绝热保温汽化率不变考虑，阻力计算公式见式（6）—式（8）。

2.5 系统推动力

自然循环系统推动力是由下降管与上升管之间的密度差产生，其大小由汽包的高度、上升管与下降管之间的密度差决定。费托装置废热锅炉产生的推动力由H1、H2及炉水和汽水混合物密度差求解，计算公式见式（9）。

自然循环过程中，通过调节系统的循环量达到阻力与推动力的自平衡。

3 设计注意事项

3.1 自然循环计算核验

自然循环计算往往是平均意义的单管回路，计算采用的是平均值。但在废热锅炉循环回路结构中，上升、下降管有多根，管束数为十甚至数百根，而且管束在反应器中的布置受热程度不同，因此各小循环受热管的汽水混合物流动状态不一样，如果结构、尺寸不合理，自然循环会出现故障。总之，按照循环回路平均值计算以后，对操作条件比较差的回路要进行补充验算，对有关结构要进行分析，研究其原因，并采用有效方法，使全部回路的受热管能在安全范围内工作。

3.1.1 循环停滞

产生循环停滞的原因，在各上升管几何尺寸相等或相近的条件下，主要是由于某根管束热负荷小，受热少、产汽量低，汽水混合物密度大、密度差形成的推动力小；而这根管子是和其他受热上升管并联在一个循环回路内，具有一个公共的有效压头，此压头不会改变。当这根管的流动压头减小，接近下降管阻力时，汽水混合物无法克服上升管阻力，出现进口流量等于出口流量，就认为发生了循环停滞现象。

根据费托反应器合成气分布器结构、反应器尺寸及管束结构布置，布置在器壁侧的管子易出现循环不良或循环停滞，其热力不均匀系数可按0.5～0.8 选取，然后根据热力不均匀系数重点校核。

3.1.2 循环倒流

上升管系统的介质反过来向下流动的现象叫循环倒流。一般倒流的流速很小，在上升管回路中还有蒸汽，因密度差向上浮动，而少量水又带着蒸汽向下流动，使蒸汽在回路中不稳定的上下浮动，这些浮动的气泡附着在管壁上，使传热变差，管壁超温，甚至发生破裂[3]。

费托反应器废热锅炉由于受热管束垂直于床层布置，器内热负荷分布偏差小，各受热管管径均匀，自然循环倍率较大，所以不会发生循环倒流现象[3]。

3.1.3 汽水分层

费托反应器受热管束垂直布置，器内上部水平汽水集合管流速较高；且器外集中上升管水平段设有向上坡度，流速控制在3～5m/ s 范围内。该种形式的废热锅炉自然循环系统不会发生汽水分层现象，核验计算可从简或省略。

3.2 其他注意事项

（1）为减小系统阻力，除选择适宜的集中下降管、上升管管径外，取热单元立式套管环状空间要有足够宽度，保证其流通面积与下降管的流通面积之比在1.0～3 范围内[4]；

（2）为消除受热管局部过热受损现象，套管的内管与外管底端封头的高度宜为1～1.5 倍的下降管管径[4]；

（3）采用集中下降管时，同一下降管连接的回路数量最好不超过5—6 个，以免对循环产生不利影响；

（4）集中上升管、下降管尽可能对称布置，反应器内的取热单元或受热管束布置均匀。

4 结论

该费托装置自然循环废热锅炉系统，已成功应用于榆林煤化公司15 万t/ a 合成气制油示范装置，自2016 年投产以来，至今运行正常。并于2020 年经中国石油和化学工业联合会现场考核标定，装置均实现达产达效。其中费托反应器自然循环废热锅炉取热系统运行良好，为装置的安全平稳运行及达产、达效提供了保障。该台自然循环废锅不仅减少了设备投资和维护工作量，每年可减少电耗1050MW·h，减少二氧化碳排放612t，也是国内外首套采用自然循环方式的费托合成装置废热锅炉，证明了该方式完全可以用于费托装置反应热回收系统，为后续大型商业化装置的建设提供了技术支撑。