CN111989386A - 重质沥青及具有高结垢趋势的其他原料的原位焦化 - Google Patents

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Abstract

公开了用于在焦化鼓内原位加热重质沥青的方法和系统。原位加热可以用于加工纯净沥青，提高焦化操作并增加液体产率。

Description

重质沥青及具有高结垢趋势的其他原料的原位焦化
背景技术
如果可能的话，通过延迟焦化来升级重质沥青和其他高结垢原料最多是挑战。重质沥青可源自各种工艺，包括溶剂脱沥青、超临界溶剂脱沥青(例如Rose装置或LCFining)、渣油淤浆加氢裂化以及源自致密油的残油等。通过延迟焦化加工重质沥青的困难主要是由于火焰加热器管的快速焦化引起的操作可靠性或者相对不可靠性，这迫使装置减速或关闭以进行机械加热器管除焦。
在加工重质沥青以及解决上述问题时，精炼厂选择通过将其与真空渣油、常压渣油和其他较轻质烃流混炼来加工这些沥青流，同时为了达到可接受的加热器运行长度，设计和/或操作焦化器以获得高生产率。结果，与其他流混炼需要更高的焦化装置设计或加工能力，以及更高的资本和运营费用。为了限制加热器管结垢而进行的轻质焦化瓦斯油的再循环及较高再循环率，还增加了装置尺寸，并导致焦炭产量增加和液体产率降低。从致密油源中获得的残油本质上是高链烷烃，需要更高的热量输入才能进行转化，因此会加速加热器管结垢。
发明内容
本文的实施方案涉及用于通过延迟焦化工艺原位焦化重质沥青来生产馏出物和焦炭的方法，所述重沥青源自溶剂脱沥青、超临界溶剂脱沥青、渣油加氢裂化、淤浆加氢裂化和来自页岩(致密)油的残油。本文的实施方案允许将纯净沥青或源自页岩油的残油加热至初始焦化温度，然后借助单独的加热介质在焦化鼓中完成焦化反应。在焦化循环结束时，焦化鼓将会包含部分转化的沥青，然后该沥青通过加热介质受到额外的热量达到最终反应温度，从而完成反应。由于仅将进料加热到初始焦化温度，较低的加热器盘管出口温度将防止加热器管的快速焦化，并显著地增加加热器和装置运行长度。此外，本文提出的方案允许在一组操作条件下焦化，该组操作条件使每种原料的液体产率最大化。同样，与本文公开的此类方法和系统相关的较低资金和运营费用，无论在何种情况下，都有利于设计或扩展项目的经济性。
在一个方面，本文公开的实施方案涉及一种用于生产焦炭的方法。该方法可以包括：将重质沥青加热至初始焦化温度以生产经加热的焦化原料；将经加热的焦化原料进料至焦化鼓；通过与过热介质的直接热交换在焦化鼓内原位加热经加热的焦化原料；使经加热的焦化原料在焦化鼓中经历热裂化以裂化一部分重质沥青，以生产裂化蒸气产物和焦炭产物。
在另一个方面，本文公开的实施方案涉及一种用于生产焦炭的方法。该方法可以包括：将重质沥青加热至初始焦化温度以生产经加热的焦化原料；将经加热的焦化原料进料至焦化鼓；用过热介质加热经加热的焦化原料并使经加热的焦化原料在焦化鼓中经历热裂化以裂化一部分重质沥青，以生产裂化蒸气产物和焦炭产物。
在另一个方面，本文公开的实施方案涉及一种用于生产焦炭的方法。该方法可以包括：将重质沥青加热至初始焦化温度以生产经加热的焦化原料；混合经加热的焦化原料和过热介质并将混合物进料至焦化鼓中；使经加热的焦化原料在焦化鼓中经历热裂化以裂化一部分重质沥青，以生产裂化蒸气产物和焦炭产物。
在另一个方面，本文公开的实施方案涉及一种用于生产焦炭的方法。该方法可以包括：将重质沥青加热至初始焦化温度以生产经加热的焦化原料；将经加热的焦化原料进料至焦化鼓；在焦化鼓中原位加热经加热的焦化原料并使经加热的焦化原料在焦化鼓中经历热裂化以裂化一部分重质沥青，以生产裂化蒸气产物和焦炭产物。
在另一个方面，本文公开的实施方案涉及一种用于生产焦炭的系统。该系统可以包括：用于将重质沥青加热至初始焦化温度以生产经加热的焦化原料的加热器；用于将经加热的焦化原料进料至焦化鼓的流动管线(flow line，或称为流送管)；用于加热过热介质以生产经加热的过热介质的加热器；用于将经加热的过热介质供应至焦化鼓以在焦化鼓内通过与过热介质的直接热交换原位加热经加热的焦化原料的流动管线；用于从焦化鼓中回收裂化蒸气产物的流动管线，同时使经加热的焦化原料在焦化鼓中经历热裂化以裂化一部分重质沥青以生产裂化蒸气产物和焦炭产物。
在另一个方面，本文公开的实施方案涉及一种用于生产焦炭的系统。该系统可以包括：用于将重质沥青加热至初始焦化温度以生产经加热的焦化原料的加热器；用于将经加热的焦化原料进料至焦化鼓的流动管线；用于供应过热介质以加热经加热的焦化原料的流动管线，并将所得的经加热的焦化原料在焦化鼓中进行热裂化以裂化一部分重质沥青，以生产裂化蒸气产物和焦炭产物。
在另一个方面，本文公开的实施方案涉及一种用于生产焦炭的系统。该系统可以包括：用于将重质沥青加热至初始焦化温度以生产经加热的焦化原料的加热器；用于混合经加热的焦化原料和过热介质的混合器以及用于将混合物进料至焦化鼓中的流动管线，以将经加热的焦化原料在焦化鼓中进行热裂化以裂化一部分重质沥青，以生产裂化蒸气产物和焦炭产物。
在另一个方面，本文公开的实施方案涉及一种用于生产焦炭的系统。该系统可以包括：用于将重质沥青加热至初始焦化温度以生产经加热的焦化原料的加热器；将经加热的焦化原料进料至焦化鼓；用于控制焦化鼓内经加热的焦化原料的原位加热的控制系统，以及用于将经加热的焦化原料进行热裂化以裂化一部分重质沥青从而生产裂化蒸气产物和焦炭产物的焦化鼓。
在另一个方面，本文公开的实施方案涉及一种用于生产焦炭的方法。该方法可以包括：将重质沥青加热至初始焦化温度以生产经加热的焦化原料；将经加热的焦化原料进料至焦化鼓；在焦化鼓中通过直接热交换原位加热经加热的焦化原料；并使经加热的焦化原料在焦化鼓中经历热裂化以裂化一部分重质沥青从而生产裂化蒸气产物和焦炭产物。
在另一个方面，本文公开的实施方案涉及一种用于生产焦炭的方法。该方法可以包括：将重质沥青加热至初始焦化温度以生产经加热的焦化原料；将经加热的焦化原料与过热介质混合；将混合物进料至焦化鼓中；通过与过热介质直接热交换在焦化鼓内原位加热混合物；并使混合物在焦化鼓中经历热裂化以裂化一部分重质沥青，以生产裂化蒸气产物和焦炭产物。
在另一个方面，本文公开的实施方案涉及一种用于生产焦炭的系统。该系统可以包括：用于将重质沥青加热至初始焦化温度以生产经加热的焦化原料的加热器；用于将经加热的焦化原料进料至焦化鼓的流动管线；用于加热过热介质以生产经加热的过热介质的加热器；用于供应经加热的过热介质以在焦化鼓中通过与过热介质直接热交换原位加热经加热的焦化原料的流动管线；用于从焦化鼓中回收裂化蒸气产物的流动管线。
本发明的其他方面和优点在下述描述和所附权利要求中将是明显的。
附图说明
图1是根据本文公开的实施方案的焦化方法和设备的简化示意图。
具体实施方案
本文的实施方案涉及用于通过延迟焦化工艺原位焦化重质沥青和其他高结垢原料的系统及方法。重质沥青原料可以包括任何数量的精炼厂工艺流，其不能经济地进行进一步蒸馏、催化裂化或以其他工艺加工以制造燃料级的混炼流。通常，这些材料由于催化剂结垢和/或灰分及金属引起的失活而不适用于催化操作。本文的实施方案涉及使用重质沥青或其他高结垢原料作为焦化原料，包括源自溶剂脱沥青、ROSE装置、渣油加氢裂化、淤浆加氢裂化和来自页岩(致密)油的残油的重质沥青。
在一些实施方案中，可以将上述纯净原料(未经稀释)进料到焦化装置中以用于延迟焦化。在其他实施方案中，原料可以被最小限度地稀释，例如通过添加至多10重量％的稀释剂。用于本文实施方案中的稀释剂可以包括常用的焦化原料，例如常压蒸馏残渣(residuum，或称为渣油)、真空蒸馏残渣、催化裂化器残油、加氢裂化器残油和来自其他精炼厂装置的残油。包含最小量的稀释剂可以增强重质沥青和其他高结垢原料的可加工性，而不会对设备尺寸和本文所述的与纯净或接近纯净的重质沥青的加工相关的其他优点造成重大损失。
根据本文的实施方案使用的原料可以具有高康拉逊残碳含量(Conradson carboncontent，或称为康氏残碳含量)，例如大于35重量％。根据本文的实施方案使用的原料还可以具有高沥青质含量，例如大于15重量％，大于25重量％或甚至大于35重量％，例如可以与康拉逊残碳含量一样高的沥青质含量。
如本领域中已知的，可以在焦化装置的上游处理焦化原料。例如，焦化原料可以经历加氢处理工艺、脱盐工艺、脱金属工艺、脱硫工艺或用于生产期望的焦炭产物的其他预处理工艺。
在常规的焦化工艺中，将焦化原料加热至焦化温度，然后通过利用已经经过焦化加热器传递给焦化原料的能量，使其停留在焦化鼓中以完成焦化/裂化反应。其他设计将原料加热至高于焦化温度的温度以促进裂化，并在焦化鼓的上游骤冷原料。相反，本文的工艺将重质沥青/高结垢进料加热至初始焦化温度，该温度不足以驱动焦化反应完成。然后将能量平衡传递给积聚在焦化鼓内部的加热器流出物，从而驱动焦化/裂化反应完成。将能量平衡通过过热介质直接传递给焦化鼓上游和/或内部的加热器流出物，该过热介质在装填循环完成之后和/或在装填焦化鼓的循环过程中经进料管线引入至焦化鼓。除了焦化加热器外，还需要一个温度足够高的单独能量源。据发明人所知，迄今为止尚未进行焦化鼓中纯净重质沥青/高结垢原料的原位加热。
在火焰加热器中，仅将重质沥青/高结垢进料加热至初始焦化反应温度，而不是加热到常规延迟焦化中实施的充分焦化温度。初始焦化反应温度可以取决于重质沥青/高结垢原料或所使用的原料混合物，并且对于不同的原料可以是不同的。焦化反应是在焦化鼓内部完成的，借助单独的加热介质将能量直接传递给焦化加热器流出物，从而驱动焦化反应完成。重质沥青/高结垢进料的原位加热可以持续焦化反应接近完成所需的时长，并且该时长也可以根据所使用的重质沥青/高结垢原料的类型而变化。然而，对于每种原料，作为该装置的工艺设计的一部分，可以进行中试测试以确定初始焦化温度、焦化鼓在原位加热中的持续时间以及焦化鼓内部的预热沥青水平。
本文的实施方案涉及加工100％(纯净)沥青/高结垢原料，其具有高康拉逊残碳含量(＞35重量％)和可以与康拉逊残碳含量一样高的沥青质含量。当加工来自上述来源或源自页岩(致密)油的残油的100％(纯净)沥青/高结垢进料(其在正常焦化条件下会严重限制装置运行长度并导致较低的液体产率)时，本文的实施方案允许较高的装置运行长度。加工上述原料类别中的纯净沥青的能力：消除混入大量其他稀释剂的需求，其使单位容量需求更高；增加装置有效运行长度；增加液体产量；并且降低装置的动力要求。
现参考图1，示出了根据本文公开的实施方案的焦化方法。将重质沥青/高结垢原料10引入焦化分馏器12的底部，在此处其与从焦化蒸气流14(即生成的内部再循环流)冷凝的烃类结合。重质沥青/高结垢原料可以在流动至主焦化分馏器12的底部之前，另外在一个或多个预热交换器中加热。
然后将所得混合物16(加热器装料流)泵送通过焦化加热器18，在此处将其温度升高至料流的初始焦化温度，例如在500℉至750℉之间。可以通过使用温度传感器24来测量和控制加热器流出物流20的温度，该温度传感器24将信号发送到控制阀26以调节进料至加热器18的燃料28的量。如果需要，可以将蒸气或锅炉给水30注入加热器以减少管32中焦炭的形成。
可以从焦化加热器18回收加热器流出物流20，以进料至焦化鼓36。如本领域中已知的，可以并行使用两个或更多个焦化鼓36，以在操作循环期间提供连续操作(焦炭生产、焦炭回收(除焦)、为下一个焦化生产周期做准备、重复)。例如，切换阀38，例如三通或四通阀，将加热器流出物流转向到期望的处于装填操作模式的焦化鼓36中。
处于装填模式的焦化鼓36允许接受进料，直到材料达到焦化鼓内部的某个安全水平。在这个时刻，进料可以被送至准备装填的另一个焦化鼓。
一旦焦化鼓中填满加热器流出物(被加热到初始焦化温度的重质沥青)，焦化鼓中的内容物通过注入合适的过热介质被进一步加热。过热介质可以经由流动管线76注入焦化鼓36中，流动管线76可以与在分流阀38和焦化鼓36之间的加热器流出物输送管线连接。可选地或另外地，可以将过热介质经由焦化鼓底部处或附近的一个或多个入口(未示出)直接注入焦化鼓中，例如穿过或接近底部头48。在一些实施方案中，可以在装填循环期间将过热介质与加热器流出物一起进料。
在本文的实施方案中使用的过热介质包括蒸汽、二氧化碳、氮气和其他惰性气体，以及在焦化温度下相对稳定的较轻质烃类。在一些实施方案中，过热介质可以具有足够的热容量以直接加热沥青，在焦化鼓操作条件下不冷凝，并且不与重质沥青或裂化产物反应。
过热介质可以在与加热器流出物或焦化鼓18的进料混合之前在单独的加热器(未示出)中加热。在其他实施方式中，过热介质的过热可以发生在加热器18的一个区域中，而重质沥青在加热器的另一个区域被加热到初始焦化温度。然后，在装填循环完成之后和/或在装填循环期间，可以将过热介质经由进料管线引入焦化鼓。
在焦化鼓36中提供足够的原位加热和停留时间，以允许热裂化和焦化反应进行至完成。以这种方式，重质沥青原料在焦化鼓36中热裂化以产生较轻质烃类，较轻质烃类汽化并通过流动管线40离开焦化鼓。石油焦碳和一些残余物(例如，裂化的烃类)保留在焦化鼓36中。当焦化鼓36中充满焦炭，并且原位加热已充分驱动了焦化反应完成时，焦化循环结束。在焦化循环完成之后，在第一焦化鼓中开始除焦循环。
在除焦循环中，将焦化鼓36的内容物冷却，除去残留的挥发性烃类，从焦化鼓中钻出焦炭或以其他方式除去焦炭，并且焦化鼓36准备用于下一焦化循环。焦炭的冷却通常在三个不同的阶段进行。在第一阶段中，将焦炭冷却并通过蒸汽或其他汽提介质42汽提以经济地最大化夹带或以其他方式保留在焦炭中的可回收烃类的除去。在冷却的第二阶段中，注入水或其他冷却介质44以降低焦化鼓的温度，同时避免对焦化鼓的热冲击。来自该冷却介质的汽化水进一步促进另外的可汽化烃类的除去。在最后的冷却阶段中，用水或其他骤冷介质46对焦化鼓进行骤冷，以将焦化鼓的温度快速降低至有利于安全除去焦炭的条件。在骤冷完成之后，分别移除或打开焦化鼓36的底部头和顶部头或滑阀48、50。然后将石油焦碳切割，例如通过液压水射流，并从焦化鼓中除去。在除去焦炭之后，分别更换或关闭焦化鼓头或滑阀48、50，并且将焦化鼓36预热，并以其他方式准备用于下一个装填和焦化循环。
在装填、原位加热和焦化循环期间，包括较轻质烃蒸气的过热介质和裂化产物作为塔顶馏分40从焦化鼓36中回收。然后将塔顶馏分40作为焦化蒸气流14转移至焦化分馏器12中，在焦化分馏器12中将回收的组分分离成两个或更多个馏分并回收。例如，重质焦化瓦斯油(HCGO)馏分52和轻质焦化瓦斯油(LCGO)馏分54可以在期望的沸腾温度范围下从分馏器中抽出。HCGO可以包括例如沸点在650至870℉范围内的烃类。LCGO可以包括例如沸点在400至650℉范围内的烃类。在一些实施方案中，还可以从焦化分馏器12中回收其他烃馏分，例如骤冷油馏分56和/或洗油馏分57，骤冷油馏分56可以包括与HCGO相似或重于HCGO的烃类。分馏器塔顶物流、焦化湿气馏分58进入分离器60，在其中被分离为湿气馏分62、水/含水馏分64和石脑油馏分66。部分石脑油馏分66可以作为回流68返回分馏器。
在其他实施方案中，过热介质可以包括较重质烃流，例如，正常沸点在约400℉至约650℉范围内的烃类，例如LCGO流54。例如，LCGO馏分54可以从焦化分馏器12中抽出并在加热器(未示出)中部分地汽化。未汽化的部分可以被收集并返回至焦化分馏器12。然后可以在相同或不同的加热器中将蒸气部分过热，然后将其引入焦化鼓中以进行原位焦化。
如果需要，根据本文的实施方案的焦化系统还可以包括用于回收和再循环过热介质的设备。这样的系统可以包括在焦化分馏器12和相关设备内。例如，过热介质回收设备可以包括用于回收与过热介质相关的特定温度切取馏分(cut)的侧取馏出物，或者可以仅包括来自水/含水馏分64的冷凝物。可选地，其他设备可设置在焦化分馏器12上游或下游，用于过热介质的回收和再循环。
经过流动管线40离开焦化鼓的蒸气的温度可以是重要的控制参数，用于表示在焦化工艺中焦化鼓36内材料的温度。例如，可以以生产多种焦炭的方式控制条件，该焦炭的按照ASTM D3175t测得的挥发性可燃材料(VCM)含量在按重量计约3％至约25％的范围内。
生产的焦炭产物类型也可能受到过热介质的温度和类型以及原位加热的持续时间的影响。因此，在本文的实施方案中使用的控制系统可以变化，以控制进料到焦化鼓以进行原位加热的过热介质的温度。
如上所述，本文的实施方案提供了用于通过延迟焦化工艺原位焦化重质沥青以生产馏出物和焦炭的系统和方法。本文的实施方案允许将纯净沥青或源自页岩油的残油加热至初始焦化温度，然后借助单独的加热介质在焦化鼓中完成焦化反应。在装填循环结束时，焦化鼓会包含部分转化的沥青，然后通过加热介质使其受到额外的热量达到最终反应温度，从而完成反应。由于仅将进料加热到初始焦化温度，较低的加热器盘管出口温度将防止加热器管的快速焦化，并显著增加加热器和装置运行长度。此外，本文提出的方案允许在一组操作条件下焦化，该组操作条件使每种原料的液体产率最大化。同样，与本文公开的此类方法和系统相关的较低资金和运营费用，无论在何种情况下，都有利于设计或扩展项目的经济性。进一步，本文公开的实施方案可通过以较低的容量(CPAEX)、较高的开工率(on-stream factor)、较高的液体产率和较低的动力消耗量(OPEX)加工难以处理的原料来提高或增加延迟焦化器的有利性。本文的实施方案还允许不同技术的有吸引力的组合，例如超临界溶剂脱沥青(例如LCFining)、残渣加氢裂化(例如LC-MAX)、渣油淤浆加氢裂化或加工源自链烷烃基原料(如页岩(致密)原料)的高结垢残油。
尽管本公开包括有限数量的实施方案，但是受益于本公开的本领域技术人员将理解，可以设计出不背离本公开的范围的其他实施方案。因此，本公开的范围应仅由所附权利要求书限制。

Claims (25)

1.一种用于生产焦炭的方法，所述方法包括：
将重质沥青加热至初始焦化温度以生产经加热的焦化原料；
将所述经加热的焦化原料进料至焦化鼓；
通过直接热交换在所述焦化鼓内进一步原位加热所述经加热的焦化原料；和
使所述经加热的焦化原料在所述焦化鼓中经历热裂化以裂化一部分所述重质沥青，以生产裂化蒸气产物和焦炭产物。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述直接热交换是通过所述经加热的焦化原料与过热介质的接触进行的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中通过直接热交换加热和热裂化步骤同时发生。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述初始焦化温度在500℉至750℉之间。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将所述裂化蒸气产物进料至用于回收一种或多种轻质烃馏分的焦化分离器中。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括停止向所述焦化鼓进料所述经加热的焦化原料，并从所述焦化鼓中除去所述焦炭产物。
7.根据权利要求2所述的方法，其中所述过热介质通过所述焦化鼓上游的进料入口、所述焦化鼓上游的过热介质加热器或将所述过热介质直接引入所述焦化鼓的进料入口中的一个或多个与所述经加热的焦化原料接触。
8.根据权利要求2所述的方法，其中所述过热介质在焦化循环期间在焦化鼓的操作条件下不会冷凝。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述过热介质是蒸汽、二氧化碳、氮气和其他惰性气体中的一种或多种，或一种或多种轻质烃类。
10.根据权利要求2所述的方法，其中所述过热介质在填装循环、焦化循环或两者期间进料至所述焦化鼓中。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述经加热的焦化原料的原位加热持续使所述热裂化接近完成所需的时长。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述重质沥青是100％重质沥青。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述重质沥青包括至多10重量％的稀释剂。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述重质沥青具有35重量％或更高的康拉逊残碳含量以及15重量％或更高的沥青质含量。
15.一种用于生产焦炭的方法，所述方法包括：
将重质沥青加热至初始焦化温度以生产经加热的焦化原料；
将所述经加热的焦化原料与过热介质混合；
将所述混合物进料至焦化鼓中；
通过与所述过热介质直接热交换在所述焦化鼓内原位加热所述混合物；和
使所述混合物在所述焦化鼓内经历热裂化以裂化一部分所述重质沥青，以生产裂化蒸气产物和焦炭产物。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述过热介质是蒸汽、二氧化碳、氮气和其他惰性气体中的一种或多种，或一种或多种轻质烃类。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述经加热的焦化原料的原位加热持续使所述热裂化接近完成所需的时长。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述重质沥青是100％重质沥青。
19.根据权利要求15所述的方法，其中所述重质沥青包括至多10重量％的稀释剂。
20.根据权利要求15所述的方法，其中所述重质沥青具有35重量％或更高的康拉逊残碳含量以及15重量％或更高的沥青质含量。
21.一种用于生产焦炭的系统，所述系统包括：
用于将重质沥青加热至初始焦化温度以生产经加热的焦化原料的加热器；
用于将所述经加热的焦化原料进料至焦化鼓的流动管线；
用于加热过热介质以生产经加热的过热介质的加热器；
用于供应所述经加热的过热介质以在所述焦化鼓内通过与所述过热介质的直接热交换原位加热所述经加热的焦化原料的流动管线；
用于从所述焦化鼓中回收裂化蒸气产物的流动管线。
22.根据权利要求21所述的系统，进一步包括用于混合所述经加热的焦化原料和所述过热介质的混合器，以及用于将混合物进料至所述焦化鼓中的流动管线。
23.根据权利要求21所述的系统，其中所述用于供应所述经加热的过热介质的流动管线与所述焦化鼓连接。
24.根据权利要求21所述的系统，其中用于加热所述重质沥青的所述加热器和用于加热所述过热介质的所述加热器设置在共用加热器的不同区域中。
25.根据权利要求21所述的系统，进一步包括用于控制所述焦化鼓内所述经加热的焦化原料的原位加热的控制系统。
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