CN101220286B - 一种煤与石油共同加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种煤与石油共同加工的方法，包括以下步骤：(1)将煤粉和溶剂油配制成煤浆；(2)对煤浆进行加氢、裂解反应；(3)对步骤(2)产物脱除固体后的油品再进行加氢反应；(4)将步骤(3)产物馏分中350-520℃的馏分循环用作溶剂油；其中，步骤(1)所述溶剂油还包括来自石油的渣油，环烷基渣油最佳。利用本发明的方法，可以充分转化渣油并保持较高的煤浆浓度，提高优质发动机燃料的产率。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤与石油共同加工工艺，即以煤和石油为原料生产优质发动机液体燃料产品和化工原料，具体地说，本发明根据煤直接液化过程和石油加工过程的特点，把煤和石油的加工过程结合起来，从而生产出更多、高质量的发动机燃料产品和化工产品。
背景技术
石油加工和煤直接液化是两种分别以石油和煤为原料来生产燃料油、化工原料的过程，其中，石油加工过程是一种传统的工业化过程，经过将近一个世纪的发展，加工流程和各个操作单元技术都已经相对比较成熟。而煤直接液化技术自从上世纪初首次提出以来，许多国家和企业都投入了很大的力量进行研究，尤其是到上世纪七十年代以后，世界范围的石油危机加速了煤直接液化技术的开发，多种煤直接液化工艺和专项技术都相继开发成功，但由于当时其经济性不如石油加工而一直没有用于大规模的工业化生产。然而，最近几年来，随着石油价格飙升，以煤为原料生产液体发动机燃料的煤直接液化技术又一次引起了人们的关注，其经济性在特定的国家和地区逐步变为可行，这为煤直接液化技术的工业化提供了条件，同时，也推动了更先进煤直接液化技术的进一步开发。
由于煤直接液化和石油中重油的加工都是大分子烃的加氢和裂解过程，而且现代煤直接液化技术的工艺条件与重油加工的工艺条件非常接近，使得煤直接液化和重油裂解反应在相同的条件下可以同时兼顾，所以，在不断开发煤直接液化技术的同时，煤与石油共同加工来生产发动机液体燃料、化工原料的技术研究工作也受到了人们的重视，并提出了多种煤和石油共同加工工艺。宏观上看，目前已经公开的煤和石油共同加工的工艺可以分为两大类，第一类是选用低品质的石油或重油与煤共同加工，尤其是高金属含量、高沥青质含量的石油或重油等，因为这些石油或重油含有较多的金属和沥青质，它们在常规的加工过程中容易出现明显的沉积和结焦倾向，对石油加工过程中的催化剂使用寿命和产品质量造成不同程度的影响，增加了石油加工过程的苛刻度，但是，这类石油或重油在设备、工艺条件要求更苛刻的煤直接液化过程中进行加工，其中所含的金属和沥青质不再是问题，并且当与煤共同加工时，石油或重油中所含的某些金属对煤直接液化反应还有催化作用，可以减少煤直接液化催化剂的使用量，甚至可以不添加催化剂。所以这类低品质的石油或重油与煤共同加工，既回避了给石油加工过程带来的困难，又促进了煤直接液化反应，是一种先进的工艺过程。目前已经公开的这类技术有刻度专利4,541,916、4,510,038、4,330,390和4,330,393,其中美国专利4,541,916是这类技术的典型代表，其技术特点是：在煤直接液化过程中，选用含有催化活性金属组分的重油(要求钒、镍含量最少300ppm)和煤直接液化生成的部分油灰渣共同作为溶剂油来配制煤浆，利用重油和煤中所含活性金属组分作为液化反应的催化剂，不需要外加催化剂，在适宜的反应条件下，煤发生液化反应，重油发生裂解反应，从而实现煤和石油共同加工，煤和石油的转化率和需要的催化剂量可以通过调整油灰渣循环比和石油馏分油的加入量来控制。
第二类技术是基于石油馏分中含有具有良好供氢性能的环烷基芳烃，这些环烷基芳烃是煤液化反应过程中理想的活性氢源。并且当煤和石油共同加工时会出现协同作用——共同加工时的转化率高于单独加工时的转化率，因此，可以用石油馏分或重油作为煤直接液化过程的溶剂油配制煤浆，在煤直接液化条件下，实现煤和石油共同转化。这类技术有美国专利5,120,429、4,054,504、4,853,111和3,870,621等，其中美国专利5,120,429提出的是一种两段煤直接液化工艺，在第一段发生煤浆液化反应，生成物脱除固体后进入第二段进行催化加氢反应，生产馏分油产品和用于第一段配制煤浆的循环溶剂油。第一段煤浆液化反应在管式反应器或煤浆加热炉内进行，如果需要可以再另加其它反应器，第二段催化加氢反应选用沸腾床或膨胀床反应器。第一段液化反应典型的工艺流程为：石油馏分或重油与原料煤配成煤浆，升压、与氢气混合后进入管式加热炉反应器，循环溶剂油分多点(3点以上)在不同的位置注入加热炉管内与煤浆混合，要求每点注入的溶剂油量都多于相邻前面注入点的注入量，这样可以保持液化反应过程中供氢溶剂的浓度相对稳定，有利于煤的转化。溶剂油的注入量与原料煤之比为0.1-1.0。用石油馏分或重油配制煤浆时，经过加氢的石油或石油馏分可以直接进入第一段作为配制煤浆的溶剂油，未经加氢的石油馏分或重油应该先进入第二段进行加氢反应，然后再返回到第一段配制煤浆。这种加工流程有利于提高转化率，增加轻油产品收率。该技术要求与煤共同加工的石油馏分或重油的初馏点大于315℃，例如，减压渣油、加氢处理后的减压渣油、减渣催化裂化未转化油、重油催化裂化循环油、减压渣油减粘裂化重油、减压渣油脱沥青所得到的沥青等。美国专利4,054,504和4,853,111的技术特点是用重油作为溶剂油配制煤浆，在两个反应器内进行煤直接液化和重油裂解反应，其中第一个反应器条件相对较缓和，主要进行加氢饱和、脱金属、脱杂原子等反应，第二个反应器条件较苛刻，主要发生裂化和加氢反应，这种控制方案可以得到较多的轻馏分油和较少的小分子气体。
上述专利都提出了煤与石油共同加工的概念，并且分别详细阐述了煤与石油共同加工的思路和各自工艺技术的特点。然而，它们的共同之处都是用石油馏分或重油代替煤直接液化过程中的循环溶剂油去配制煤浆，然后在适宜的条件下进行加氢和裂化反应。这种工艺技术实现了煤和石油共同加工，体现了煤和石油共同加工的优越性，但在技术优化方面还存在有如下不足之处：
第一，溶剂油的性质直接影响着配成煤浆的性质，在单独的煤直接液化过程中，要求用于配制煤浆的循环溶剂油具有适当的粘度，一般小于40mm2/s(80℃)，而渣油的粘度远远大于煤液化循环溶剂油的粘度(参见表1所列典型渣油)，所以，上述煤与石油共同加工工艺中用这种大粘度的重油用配制煤浆时，一方面会大幅度降低煤浆中煤粉的比例，通常煤浆中煤粉的含量只能控制在40m％以下，甚至低于35％，采用这种低浓度煤浆原料相当于降低了煤直接液化装置的处理能力，降低了设备的利用率，不利于充分体现煤直接液化系统设备的价值；另一方面，会大幅度提高煤浆的粘度，这种高粘度煤浆不利于在系统中输送，尤其是增加了在加热设备中的结焦倾向。
第二，当今车用柴油产品标准要求十六烷值指标达到45以上，甚至49以上，而上述煤和石油共同加工工艺中，由于原料组成的原因，在其生成的柴油产品中含有大量的芳烃和环烷烃，其十六烷值偏低，一般在35以下，很难生产出满足当今车用柴油标准的轻柴油产品，如果选用加氢改质、加氢裂化等技术对其再进行加工，将损失5-10％的柴油收率，同时增加氢耗量和加工成本。
因此需要一种改进的煤直接液化工艺，以充分转化渣油并提高煤浆中煤粉的含量，来生产优质发动机燃料。
发明内容
本发明的发明目的可以通过下述方法实现：一种煤与石油共同加工的方法，包括以下步骤：
(1)将煤粉和溶剂油配制成煤浆；
(2)对煤浆进行加氢、裂解反应；
(3)对步骤(2)产物脱除固体后的油品再进行加氢反应；
(4)将步骤(3)产物馏分中350-520℃的馏分循环用作溶剂油；
其中，步骤(1)所述溶剂油还包括来自石油的渣油，且石油的渣油的引入量可根据煤直接液化单元配制煤浆所需要溶剂油的量进行调节。
优选地，石油的渣油选自环烷基原油的渣油、中间-环烷基原油的渣油及其混合物。
优选地，步骤(3)产物馏分还包括初馏点-150℃的石脑油馏分和150-350℃的柴油馏分。
优选地，步骤(2)后还包括分馏出初馏点-150℃的石脑油馏分和150-350℃的柴油馏分的步骤，该步骤分馏出石脑油馏分和柴油馏分不再参与步骤(3)的反应。
优选地，还包括以下步骤：
(5)对获得的柴油馏分进行深度加氢精制；
(6)将步骤(5)获得产物与石油加工过程中产生的高十六烷值柴油组分按所需比例调和，从而获得优质发动机燃料。
优选地，步骤(5)所述高十六烷值柴油组分选自直馏柴油、加氢裂化柴油、加氢精制柴油或其混合物。
优选地，还包括对石脑油馏分可以采用常规的催化重整技术来生产汽油或化工原料的步骤。
优选地，步骤(1)中煤粉粒径小于0.3mm，煤浆煤粉含量为40-50％。
优选地，步骤(2)所述反应在两个或多个上流式浆态床反应器进行，氢分压为5.0-20.0MPa，反应温度为420-480℃。
优选地，步骤(3)所述反应在沸腾床、膨胀床或固定床反应器进行，氢分压为5.0-20.0MPa，反应温度为300-420℃。
优选地，步骤(5)所述反应在固定床反应器进行，使用加氢精制催化剂，氢分压为5.0-20.0MPa，反应温度为280-420℃，控制步骤(6)产物中芳烃含量小于10％，硫、氮含量小于10ppm。
使用本发明的方案，(1)配制煤浆的溶剂油的沸点高于350℃，改善了溶剂油或煤浆得高温性能，也避免了液化生成轻油的二次裂化。(2)溶剂油的粘度小于单独渣油的粘度，能保证所配制的煤浆的浓度在40％以上，基本上不影响煤直接液化装置的加工能力。(3)解决了石油加工过程难以加工的渣油尤其是环烷基渣油的问题。
另外，本发明的方案减少了液化生成油的二次裂化，提高了液体产品的收率，降低了生产过程中的氢耗。
附图说明
下面结合如下的附图对本发明进行详细的说明，附图中：
图1为一种煤直接液化单元工艺流程图；
图2为另一种煤直接液化单元工艺流程图；
图3为煤和石油共同加工工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细的描述。但是本领域技术人员能够理解，本发明并不局限于具体的实施例。
煤直接液化直接生产燃料油过程的特点：(1)液化生成油中芳烃含量高，柴油十六烷值低，硫含量低。为了提高柴油的十六烷值，通常需要对生成油进行选择性加氢裂化，但这样导致液体产品收率降低、气体产率增加、氢耗增加，减少了产品产量，增加了加工成本。即便如此，柴油的十六烷值通常只能提高到40左右，无法上产出满足当今车用柴油标准(要求十六烷值高于45甚至49)的产品。(2)为了满足液化自身配煤浆的需要，液化生成油中除了350-520℃的馏分油用于循环溶剂配制煤浆外，一部分小于350℃的轻质油品(多数工艺都占循环溶剂油的30％以上)也需要作为溶剂油循环使用，导致液化生成的轻油发生二次裂化，降低液体产品收率。同时，由于部分液化生成轻油作为溶剂油用于配制煤浆，使加热炉和反应器内气化率增加，降低了煤浆的高温性能，也降低了反应器内的氢分压。
石油加工过程的特点：(1)可以生产出高十六烷值的柴油调和组分。(2)环烷基原油、中间——环烷基原油的渣油中含有较大比例的多环芳烃，其可裂解性与其它原油相比较差，因此，用环烷基渣油来生产轻质油品时难度较大，通常选用比较苛刻的工艺条件。但这类渣油却可以作为煤直接液化过程的溶剂油。
本发明的技术特点是：以煤和石油为原料生产高质量的车用发动机液体燃料产品或化工原料，根据煤直接液化过程和石油加工过程各自的特点，通过物料互供，实现过程优化、降低生产成本、改善产品质量、提高轻质馏分油产率的目标。
本发明的技术关键是：第一，调整煤直接液化工艺中所用溶剂油的组成。把煤直接液化生成油中＜350℃的馏分油作为液化单元的产品送出装置，仅把其中的350-520℃用于循环溶剂配制煤浆，配制煤浆所需溶剂油的不足部分由来自石油的渣油补充，理想的渣油是环烷基渣油。理想的环烷基渣油包括环烷基原油的渣油(例如，初馏点大于350℃的常压渣油或初馏点大于500℃的减压渣油)、中间——环烷基原油的渣油(例如，初馏点大于350℃的常压渣油或初馏点大于500℃的减压渣油)、以及它们的混合物。这种工艺流程的优点是：(1)配制煤浆的溶剂油的沸点高于350℃，改善了溶剂油或煤浆得高温性能，也避免了液化生成轻油的二次裂化。(2)溶剂油的粘度小于单独重油的粘度，能保证所配制的煤浆的浓度在40％以上，基本上不影响煤直接液化装置的加工能力。(3)解决了石油加工过程难以加工的环烷基渣油加工问题。第二，以上述煤直接液化单元的生成油(＜350℃)生产高质量车用燃料油时，其中＜150℃馏分油可以采用传统的催化重整技术来生产车用汽油或化工原料，用其中的150-350℃馏分油生产车用柴油时，不采用能大幅度提高十六烷值的加氢裂化技术，而采用传统的深度加氢精制技术，仅达到饱和绝大部分芳烃、脱除硫氮等杂原子、有限幅度提高十六烷值的目的即可，深度加氢精制之后的柴油馏分与石油加工过程中得到的高十六烷值柴油馏分进行调和，从而生产出满足当今车用柴油标准的柴油产品。这种流程的优点是减少了液化生成油的二次裂化，提高了液体产品的收率，降低了生产过程中的氢耗，同时也可以生产出高质量的车用柴油产品。
工艺流程简要说明如下：
一、煤直接液化单元工艺流程：煤直接液化采用两段工艺流程，第一段进行煤和渣油的加氢、裂解反应，最大限度地多生产液体产品。第二段进行液体油品加氢反应，对第一段反应生成物脱除固体后的油品进行加氢，主要生产性能适宜的循环供氢溶剂油。
如图1所示，原料煤经过磨粉、干燥设备1干燥、破碎成粒径小于0.3mm的煤粉后，在煤浆制备设备2中与溶剂油混合，制备成煤粉含量为40-50m％的煤浆，然后按比例加入催化剂，经升压、混氢、升温后进入液化反应器3进行加氢、裂解反应。反应器3的流出物经过分离器4后得到富氢气体和液固相物流两部分，富氢气体用作循环氢，液固相物流经常减压分馏塔5后得到液化残渣和液化全馏分油(初馏点-520℃)，其中，液化生成油作为第二段加氢反应的原料，经过加氢反应器6、分离器7后得到加氢后的液化全馏分油，然后在分馏塔8中分离出初馏点-350℃馏分和＞350℃馏分，其中，＞350℃的馏分油作为循环供氢溶剂与环烷基渣油混合后用于配制原料煤浆，初馏点-350℃馏分作为煤直接液化单元的生成油，需进一步加工成合格的产品。
也可以按如图2所示的流程，第二段仅进行溶剂油的加氢精制，其中9为气提塔。
第一段的反应部分3由两个或两个以上上流式浆态床反应器组成，氢分压5.0-20.0MPa，反应温度420-480℃。第二段反应器6可选用沸腾床、膨胀床或固定床，氢分压5.0-20.0MPa，反应温度300-420℃。
二、煤直接液化生成油加工流程(见图3)：煤直接液化生成油初馏点-350℃可分为两部分——石脑油馏分(初馏点-150℃)和柴油馏分(150-350℃)，其中石脑油馏分可以按照传统的催化重整技术用于生产车用汽油产品或化工原料，而柴油馏分按照如下流程进行加工：
煤直接液化柴油的加工流程分为两个阶段，第一阶段为深度加氢精制阶段，选用传统的固定床反应器和加氢精制催化剂，煤直接液化柴油在氢分压5.0-20.0MPa、反应温度280-420℃条件下进行加氢反应，控制加氢精制生成油中芳烃含量小于10m％，硫、氮含量小于10ppm。第二阶段为产品调和阶段，用深度加氢精制后的煤直接液化柴油馏分与石油加工过程中生产的高十六烷值柴油组分(例如：直馏柴油、加氢裂化柴油、加氢精制柴油、以及它们的混合物等)按照所需的比例进行调和，从而生产出低硫、低氮、低芳烃含量，十六烷值高于45或49等不同牌号的车用柴油产品。
以辽河原油、神华煤为原料。其中煤直接液化单元数据为高压釜试验结果(见表3)，其它单元的数据为中试结果。主要中间馏分和产品的收率标注于图3中。(图中的数据的单位为相对重量单位)
最终柴油产品的十六烷值达50以上。
虽然以上通过具体的实施例对本发明的方法说明，但在不超出本发明的构思的范围内，本领域技术人员可以根据具体应用的需要对以上优选实施例进行修改和变化。
表1辽河原油性质
| 项目 | 原油 | 减压渣油 |
| 密度(20℃) | 926.5 | 999.6 |
| 凝点℃ | 4 | ＞50 |
| 粘度(100℃) | 40(80℃) | 1508 |
| 残炭％ | - | 8.2 |
| 硫％ | 0.3 | 0.4 |
| 金属ppm | 70 | 198 |
表2神华煤性质
| 灰分％ | 5.68 |
| 元素分析，％ | |
| Cdaf | 80.09 |
| Hdaf | 5.04 |
| Ndaf | 0.88 |
| Sdaf | 0.37 |
| 0daf | 13.62 |
注：daf表示无水无灰基煤
表3煤直接液化试验结果
| 工艺条件 | |
| 反应温度，℃ | 450 |
| 氢分压，MPa | 16 |
| 反应时间，min | 60 |
| 煤浆组成，m％ |
| 煤 | 45 |
| 减压渣油 | 25 |
| 循环溶剂油 | 30 |
| 产品收率，m％ | |
| H2O+CO+CO2 | 7.2 |
| NH3 | 1.1 |
| H2S | 0.4 |
| C1-C3 | 4.0 |
| C4-350℃ | 46.7 |
| ＞350℃ | 30.0 |
| 油灰渣 | 14.1 |
| 合计 | 103.5 |
注：因为原料中消耗了氢气，没在表中列出，所以合计大于100。
Claims (13)
1.一种煤与石油共同加工的方法，包括以下步骤：
(1)将煤粉和溶剂油配制成煤浆；
(2)对煤浆进行加氢、裂解反应；
(3)对步骤(2)产物脱除固体后的油品再进行加氢反应；
(4)将步骤(3)产物馏分中350-520℃的馏分循环用作溶剂油；
其中，步骤(1)所述溶剂油还包括来自石油的渣油，且石油的渣油的引入量根据煤直接液化单元配制煤浆所需要溶剂油的量进行调节，配置煤浆所需溶剂油的不足部分由石油的渣油补充，所述石油的渣油选自环烷基原油的渣油、中间-环烷基原油的渣油及其混合物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)产物馏分还包括初馏点-150℃的石脑油馏分和150-350℃的柴油馏分。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)后还包括分馏出初馏点-150℃的石脑油馏分和150-350℃的柴油馏分的步骤，该步骤分馏出石脑油馏分和柴油馏分不再参与步骤(3)的反应。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
(5)对步骤(3)获得的柴油馏分进行深度加氢精制；
(6)将步骤(5)获得产物与石油加工过程中产生的高十六烷值柴油组分按所需比例调和，从而获得优质发动机燃料。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(5)所述高十六烷值柴油组分选自直馏柴油、加氢裂化柴油、加氢精制柴油或其混合物。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
(5)对获得的柴油馏分进行深度加氢精制；
(6)将步骤(5)获得产物与石油加工过程中产生的高十六烷值柴油组分按所需比例调和，从而获得优质发动机燃料。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(5)所述高十六烷值柴油组分选自直馏柴油、加氢裂化柴油、加氢精制柴油、或其混合物。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括对石脑油馏分采用常规的催化重整技术来生产汽油或化工原料的步骤。
9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括对石脑油馏分采用常规的催化重整技术来生产汽油或化工原料的步骤。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中煤粉粒径小于0.3mm，煤浆煤粉含量为40-50％。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述反应在两个或多个上流式浆态床反应器进行，氢分压为5.0-20.0MPa，反应温度为420-480℃。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述反应在沸腾床、膨胀床或固定床反应器进行，氢分压为5.0-20.0MPa，反应温度为300-420℃。
13.根据权利要求4或6所述的方法，其特征在于，步骤(5)所述反应在固定床反应器进行，使用加氢精制催化剂，氢分压为5.0-20.0MPa，反应温度为280-420℃，控制步骤(5)产物中芳烃含量小于10％，硫、氮含量小于10ppm。
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