CN103386280B - 一种用于浆态床费托合成反应器的自然循环取热方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于浆态床费托合成反应器的自然循环取热方法及系统。方法包括：汽水在循环取热系统中不需泵提供动力，自然循环，回收反应器内的反应热；所述循环取热系统通过水循环核算。所述循环取热系统包括：汽包、集中上升管、集中下降管和设置在反应器内的取热元件，所述汽包、集中下降管、集中上升管和取热元件构成不需循环泵的循环取热系统。可以不需设置循环泵，自然循环，大大降低装置能耗，简化操作。

Description

一种用于浆态床费托合成反应器的自然循环取热方法及系统

技术领域

本发明涉及煤制油、天然气液化制油领域，更进一步说，涉及一种用于浆态床费托合成反应器的自然循环取热方法及系统。

背景技术

用于煤制油或天然气制油的费托合成反应属于强放热反应，在合成油品的同时放出大量的热。浆态床费托合成技术中的反应器大多采用发生蒸汽的方法取出反应热，控制反应温度、维持反应的进行，同时有效回收反应热。为保证蒸汽发生系统能够可靠、有效的运行，多采用泵强制循环的汽水循环方案，常规流程见附图1。

如附图1所示，锅炉给水（除氧水）进入汽包，沿下降管经热水循环泵加压后，送入反应器内，通过受热面吸收反应热，生成汽水混合物，再经上升管返回汽包，整个汽水流动依靠热水循环泵提供动力。

现有方案均为强制循环，需要设置热水循环泵，按照循环倍率要求，循环水泵的流量为发生蒸汽量的8～15倍。随着浆态床费托合成装置规模的扩大，产汽量也越来越大，单台反应器的产汽总量在500t/h以上，采用目前强制循环方案，单台循环水泵的轴功率在2MW以上，能耗极高；此外，热水循环泵输送的为高温饱和水，对泵密封要求很高，选型较为困难，泵的投资比常规泵高，维护、检修的工作量也较多。

中国专利CN101396647A采用强制循环工艺，在结构设计上对流速、阻力要求不高，通过泵提供输送动力，因此设计的出发点为换热面积的计算，取热元件采用1分3的正三角形布置。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种用于浆态床费托合成反应器的自然循环取热方法。可以不需设置循环泵，实现自然循环，大大降低装置能耗，简化操作。

本发明的目的之一是提供一种用于浆态床费托合成反应器的自然循环取热方法。

包括：

汽水在循环取热系统中不需泵动力，自然循环，回收浆态床费托合成反应器内的反应热；所述循环取热系统通过水循环核算。

所述循环取热系统包括：汽包、集中上升管、集中下降管和设置在反应器内的取热元件，所述汽包、集中下降管、集中上升管和取热元件构成不需循环泵的自然循环取热系统；

所述汽包内的液位高于取热元件顶部10～20米；

所述自然循环取热系统能为系统提供20~30倍的循环倍率；

所述取热元件包括多组管束，每组管束含一根分支下降管、n根分支上升管，分别与上升管集箱总管、下降管集箱总管相连；所述分支上升管设置在上升管集箱总管四周；所述上升管集箱总管、下降管集箱总管为环形布置或水平直管；所述管束为管式结构，可以为光管或翅片管。

所述分支上升管及分支下降管也可以与多个中间集箱相连后再与上升管集箱总管、下降管集箱总管相连；

所述下降管集箱总管可位于管束上部或下部；

所述取热元件的数量可以为单个或多个，取热元件均匀分布在整个反应器内，每个取热元件分别与反应器外的集中上升管、集中下降管中的一根或多根相连；

其中，所述的分支上升管的直径≤140mm。

开工初期，在上升管总管底部通入2.5-6.0MPa的蒸汽，加热除氧水并产生自然循环动力，保证开工初始阶段的汽水自然循环。

分支上升管内水流速≥0.4m/s，小于1.0m/s。

具体可以通过以下技术方案来实现自然循环：

（1）浆态床费托合成反应器的反应热通过产生蒸汽方式取出，费托反应器的器内取热元件根据工艺设计要求及水循环及安装情况分为若干取热段，各取热段分别构成自然循环系统，每个系统由集中下降管、器内的取热元件、集中上升管和汽包组成，通过器内取热元件下降管中水柱与上升管中的汽水混合物之间的液柱差推动回路中的水自然循环，取消循环水泵；也就是说由于上升管与下降管之间密度差的不同导致水及汽侧的压力不平衡，这个不平衡的压差推动汽水流动。稳态下，自然循环是汽水流动的自我平衡过程，其中动力为汽水密度差造成的压差（P=△ρgh,h越高，P越大），阻力为整个循环系统中的管路阻力。

（2）为了使开工初始阶段受热面能够完成预热费托反应器内的介质，使介质达到必要的初始反应温度，在上升管总管底部通入2.5-6.0MPa的蒸汽，加热除氧水并产生自然循环动力，实现开工初始阶段的汽水自然循环。

（3）应用于浆态床费脱合成装置反应器的自然循环取热工艺技术，要求汽包与取热元件之间保证存在10～20米的高差，保证自然循环的推动力。

（4）应用于浆态床费脱合成装置反应器的自然循环取热工艺技术，要求管路的布置应能实现为系统提供20到30倍以上的循环倍率。

（5）所发明的应用于浆态床费脱合成反应器的自然循环取热方法，应用于浆态床反应器内的浆态床反应温度范围在220℃~280℃间，可发生1.0MPa~5MPa饱和蒸汽。

（6）适用于浆态床费脱合成反应器的自然循环取热装置在反应器内分成多段独立的取热段，每段布置有多组取热元件，取热元件的结构可采用通常的结构形式，但要根据系统内水循环核算结果调整结构。

（7）所述的反应器的自然循环取热装置，每组管束中的分支下降管位于反应器内，分支下降管外设有取热套管，套管内通除氧水，构成一根取热管，分支下降管不受热。分支上升管直径≤140mm，管内水流速≥0.4m/s，但要≤1.0m/s。管束之间通过下降管集箱总管和上升管集箱总管与反应器外管线相连，集箱均从反应器侧壁进出，集箱支撑管束的重量，整个管束向下膨胀。另外在上升管集箱总管底部设有开工蒸汽引入管。

现有的工艺设计步骤首先进行反应器取热元件的结构设计，在设计时满足传热计算。给定一个汽包高度，完成上升、下降管的规划。最后根据已设计好的结构、走向计算系统阻力，根据阻力要求确定热水循环泵。取热元件的结构主要根据反应器内反应热效应和反应器的操作条件设计，换热管内采用强制循环的带压沸腾水作为换热介质。采用强制循环工艺，在结构设计上对汽包高度及上升、下降管不做特别要求，对流速、阻力要求不高，通过泵输送动力，设计的出发点及重点为换热面积的计算。取热装置常采用1分3的正三角形布置。

而本发明突破了传统的设计思路，采用自然循环，提供一种不需循环水泵的汽水循环移热工艺。设计思路与传统的设计思路完全不同：首先选定系统要达到的安全循环倍率，划分循环回路。然后进行取热元件的初步热力计算，以满足传热面积的要求，根据面积初步规划反应器取热元件的结构形式（包括根数、直径、长度、连接形式等）。完成取热结构规划后，给定汽包高度，根据空间位置初步规划集中下降管、集中上升管的根数、直径及走向，最后进行整个系统的水循环核算。若计算通过则设计结束，若核算不过，修改取热元件的结构形式（兼顾取热元件的传热计算）或修改集中下降管、集中上升管规划或适当调高汽包高度，然后再进行水循环核算，直至满足水循环要求。

为保证自然循环，水循环计算是系统设计的主要核算方法。考核的主要指标为循环倍率（即进入循环回路的水流量与该回路出口处的蒸汽量的比值）。循环倍率越小，说明上升管中汽多，可能出现传热恶化的现象，包括出现停滞、倒流等现象，但是循环倍率过高会造成投资过高。此外为保证系统可靠运行，需保证一定的循环流速，另外下降管发生故障也会影响上升管的正常供水，若下降管带汽还会使上升管的汽水分配不均，导致循环恶化。这些也是考核系统可靠性的指标之一。

在设计和布置循环回路时，考虑的主要原则及设计思路为：1、尽可能设计成简单的循环回路，同一回路中的各根并联管子，其吸热大小、结构尺寸等方面应尽量相同。2、系统管路布置及取热元件的结构应尽量简单、转弯少、阻力系数小，联箱应水平布置，防止进入各上升管的汽水不均。

取热元件的结构参数包括元件的管径、管数、高度和长度，弯头个数及转弯角度，联箱的连接形式和扩径、缩径等局部阻力系数等。取热元件调整的依据为结构应尽量简单、转弯少、阻力系数小。

水循环核算步骤为：根据初步的循环倍率求出集中下降管、集中上升管及取热元件内上升管、下降管的流速，再计算出循环回路高度、确定上升管各区段高度，计算循环回路的运动压头，同时计算集中下降管、集中上升管及取热元件内上升管、下降管的流动阻力。若运动压头大于总阻力，并在允许的范围内，则计算通过则设计结束；若运动压头小于总阻力，并在允许的范围内，则在允许的安全循环倍率范围内降低循环倍率，重新核算直至通过；若运动压头大于总阻力，且远超出允许的范围，说明循环强烈，水的循环流量过大，可适当降低汽包高度，重新核算直至通过；若运动压头小于总阻力，且超出允许的范围，表明计算未通过，可以修改取热元件的结构形式（兼顾取热元件的传热计算）或修改集中下降管、集中上升管规划或适当调高汽包高度，然后再进行水循环核算，直至满足水循环要求。通常修改集中下降管、集中上升管规划或调高汽包高度受外界条件制约较多，修改的余地不大，所以仍以修改取热元件的结构形式为主体，如首先修改分支上升管的管径，管数，还可以修改管长、连接形式，弯头等。但是管长、连接形式等受反应器结构及强度等影响较大，修改的灵活性不大。水循环计算结束后还需要进行所选参数合理性判断，取热元件设计制造可行性、安装可行性及运行可靠性进行判断、补充、完善直至整个系统工艺及设备设计完成。

本发明设计的出发点是水循环设计，同时满足换热要求。可靠的水循环对流速、介质流态、传热系数、管路布置有严格要求，与强制循环的工艺参数不同。本发明设计关注于如何提高循环倍率，即怎样获得更高的运动压力及怎样减小汽水工质的流动压力损失。因此每段布置的多组取热元件是经过水循环核算通过的，同样，在分支下降管和分支上升管的设计中更加关注与减少工质流动压力损失的同时避免工质在不同分支管中的流动不均匀的可能性。因此采用分支下降管外设取热套管，套管内通除氧水，分支下降管不受热。例如一种适宜的适合自然循环的取热元件，结构为每组取热元件由多组管束组成，每组管束包括一根分支下降管、n根分支取热上升管和m个集箱。分支下降管外设取热套管，套管内通除氧水，分支下降管不受热；每路管束中的分支下降管对称连接两根取热总管，每根取热总管分成k路取热管，与下降管外的套管一起组成n根分支取热上升管，n=2*K+1；分支取热上升管由两根总管汇集后引入上升管集箱总管；分支取热上升管布置在总集箱两侧，形成一片片的对称分布形式。其取热元件在每根集箱上布置管束的方式和数量均与现有取热元件不同。

本发明的目的之二是提供一种用于浆态床费托合成反应器的自然循环取热系统，包括：汽包、集中上升管、集中下降管和设置在反应器内的取热元件，

所述汽包、集中下降管、集中上升管和取热元件构成不需循环泵的循环取热系统。

正是由于本发明突破了传统的设计思路，将自然循环取热方法应用到浆态床费托合成反应器上，因此与现有工艺方案相比，本发明的有益效果也是显而易见的：

（1）大幅度降低装置能耗；

（2）简化工艺，简化操作

（3）减少机泵维护及检修工作。

附图说明

图1现有技术的浆态床循环取热方法示意图

图2本发明的浆态床自然循环取热方法示意图

图3本发明的取热元件布置图

图4本发明的取热元件管束结构示意图

附图标记：

1汽包；2集中下降管；3集中上升管；4取热元件；

5热水循环泵；6反应器；41上升管集箱总管；42下降管集箱总管；

43中间集箱；44套管；45分支上升管；46分支下降管；

a蒸汽；b开工蒸汽；c除氧水

A左上部取热系统 B右上部取热系统 C左下边取热系统 D右下部取热系统

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本发明。

实施例：

费托合成反应装置内设反应器2台，每台反应器反应热量~330MW，反应器内浆态床温度：正常温度255℃，最高温度270℃，能发生2.9MPa饱和蒸汽~510t/h左右。若采用原有强制循环方案，至少需设置热水循环6台，泵耗电1.5MW左右。为降低能耗，采用自然循环方法。具体方案为：

根据工艺设计要求、安装条件及相近工程的水循环计算结果，将反应器分为左上部取热、左下部取热、右上部取热、右下部取热四段取热，各段分别自成系统，每个系统由一台汽包、集中下降管、集中上升管、取热元件组成，其中取热元件布置在反应器内，共设9个，每个取热元件由多片管束组成。汽包位于反应器上方20米，集中下降管、集中上升管布置在汽包与反应器间的框架结构内，弯头数量~10个。取热元件内每一片管束组由一根设有外套的￠114的分支下降管及4根￠60的分支上升管组成，4根分支上升管与分支下降管套管环隙共计5根上升管引入2根中间集箱，再接入上升管集箱总管。集箱总管从侧面引出与反应器外的集中管分别相连。取热元件的结构首先要满足传热计算的要求，若不满足调整分支上升管的直径及数量直至通过计算。具体结构详见图3、图4所示。

每个系统的汽水流动方式均相同，以左上部取热系统为例：锅炉给水（除氧水）首先进入左上部系统汽包1，与汽包内原有循环的水混合，沿底部多根集中下降管2流入反应器左上部集箱，由每个上部集箱再引出分支下降管至下部集箱，从下部集箱向上折返，分多路小管组成分支取热上升管。饱和水在取热管中吸热，产生部分蒸汽，成为汽水混合物，经上升管集箱汇集后，最后经多根集中上升管3返回汽包1。整个汽水的流动采用自然循环，不设循环水泵。

管路系统及取热元件结构初步规划完成后，进行水循环核算。核算步骤为：首先假定一个循环倍率，根据该循环倍率求出选定系统中集中下降管、集中上升管及取热元件内上升管、下降管的流速，然后计算出循环回路高度、确定上升管各区段高度，计算循环回路的运动压头，同时计算集中下降管、集中上升管及取热元件内上升管、下降管的流动阻力。本实例经过计算后，在循环倍率为20倍条件下，运动压头远小于总阻力（20%以上），表明计算未通过，需进行系统调整。由于汽包高度已较高，提高汽包高度比较困难，所以以修改取热元件的结构形式为主，在满足取热元件的传热计算的基础上，更改分支上升管的管径，管数为6根￠89的分支上升管，6根分支上升管与分支下降管套管环隙共计7根上升管引入2根中间集箱，再接入上升管集箱总管。调整后再次进行水循环核算，核算结果表明运动压头稍大于总阻力，则计算通过设计结束；水循环计算结束后还需要对所选参数合理性进行判断，经对取热元件设计制造可行性、安装可行性及运行可靠性进行判断、补充、完善后，整个系统工艺及设备满足工程设计要求。

开工期间，从外部引入6.0MPa的开工蒸汽，经压力调节控制后通入上升管集箱底部，加热除氧水，产生部分蒸汽，保证下降管中水柱与上升管中的汽水混合物之间的循环压差，确保实现汽水循环。

Claims (7)

1.一种用于浆态床费托合成反应器的自然循环取热方法，其特征在于所述方法包括：

汽水在循环取热系统中不需泵动力，自然循环，回收浆态床费托合成反应器内的反应热；所述自然循环取热系统通过水循环核算；

所述循环取热系统包括：汽包、集中上升管、集中下降管和设置在反应器内的取热元件，所述汽包、集中下降管、集中上升管和取热元件构成不需循环泵的自然循环取热系统；

所述汽包内的液位高于取热元件顶部10～20米；

所述自然循环取热系统的循环倍率为20-30；

所述取热元件包括多组管束，每组管束含一根分支下降管、n根分支上升管，分别与上升管集箱总管、下降管集箱总管相连；所述分支上升管设置在上升管集箱总管四周；所述上升管集箱总管、下降管集箱总管为环形布置或水平直管；

所述管束为光管或翅片管；

在上升管集箱总管底部设有开工蒸汽引入管；

开工初期，在上升管集箱总管底部通入2.5-6MPa的蒸汽，加热除氧水并产生自然循环动力，保证开工初始阶段的汽水自然循环。

2.如权利要求1所述的自然循环取热方法，其特征在于：

所述分支上升管及分支下降管与多个中间集箱相连后再与上升管集箱总管、下降管集箱总管相连。

3.如权利要求1所述的自然循环取热方法，其特征在于：

所述取热元件均匀分布在整个反应器内，取热元件分别与反应器外的集中上升管、集中下降管中的一根或多根相连。

4.如权利要求1所述的自然循环取热方法，其特征在于：

分支上升管直径≤140mm。

5.如权利要求1所述的自然循环取热方法，其特征在于：

分支上升管内水流速≥0.4m/s，小于1.0m/s。

6.如权利要求1所述的自然循环取热方法，其特征在于：

浆态床反应器内的浆态床反应温度为220℃～280℃，饱和蒸汽压力为1.0MPa～5MPa。

7.一种采用如权利要求1～6之一所述的自然循环取热方法的系统，包括：汽包、集中上升管、集中下降管和设置在反应器内的取热元件，其特征在于：

所述汽包、集中下降管、集中上升管和取热元件构成不需循环泵的循环取热系统。