CN112892413B - 用于提高油品喷雾气化效率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于提高油品喷雾气化效率的方法。具体而言，是将亚(超)临界水增溶进入石油、石油馏分、生物质油或生物柴油形成均相或者乳液体系。经过上述处理的各种油品的粘度有效降低，可在喷雾过程中形成较小的油雾滴粒径分布。利用溶于油雾滴中的水分子或者分布于油雾滴中水滴的微爆效应，可进一步加速油雾滴在高温环境中的气化。上述方法，适用于石油、石油馏分、生物质油或生物柴油制合成气、制氢以及催化裂化等装置的喷雾气化进料。

Description

用于提高油品喷雾气化效率的方法
技术领域
本发明涉及石油、石油馏分、生物质油或生物柴油技术领域，尤其涉及一种用于提高油品喷雾气化效率的方法。
背景技术
将石油、石油馏分、生物质油或生物柴油通过喷嘴进行喷雾气化，是制合成气、制氢和催化裂化等过程的重要环节。喷雾气化效果的好坏直接决定了上述过程效率的高低。例如，在催化裂化过程中，重油通过喷嘴在提升管下部形成雾滴并在高温条件和催化剂进一步接触气化。只有经过气化的重油分子才能进入催化剂孔道完成碳正离子机理的催化裂化得到轻质产品。一旦重油的气化未能有效完成，重油分子将在油雾滴中发生自由基机理的热裂化并迅速生焦。对于石油馏分制合成气和制氢而言，如果石油馏分的喷雾气化未能有效完成，则反应区域内油与氧的比例无法达到安全上限甚至可能发生爆炸(Appl.Energy108, 2013,202–217)。
以往学术界和工业界提高各种油品喷雾气化效率的措施主要集中在以下若干方面：
1)优化喷嘴结构。文献“热力发电，45(3)，2016，105–109”报道了一种采用内混级雾化和Y型雾化两级串联复合结构的生物质油常温雾化喷嘴。CN200910086373.4公开了一种大处理量进料雾化喷嘴，采用组合旋流器、多点注气结构以及多孔互击结构的喷头，并且在喷孔处采用了堆焊硬质合金结构。该喷嘴适用于重油催化裂化装置进料。CN201911355804.2公开了燃烧器、燃烧器油枪和燃烧器油枪喷嘴，包含了重油的乳化和喷嘴结构的优化。CN201710555436.0、CN201710498911.5和CN201710610848.X分别公开了石油加工用重油进料雾化喷嘴和石油加工用混合雾化喷嘴，其中嘴体为空心圆柱体，嘴体内设有内腔，嘴体左端的出口段设有喷头，嘴体内设有雾化装置，嘴体右端的进料段上部设有原料油入口。CN201410421345.4和CN201410421361.3公开了一种重油催化雾化喷嘴，包括第一和第二混合室、喷嘴腔和喷头。其中，混合室设于喷嘴腔内而喷头设于喷嘴腔的出口端。喷嘴腔内同时设球形、半球形、渐进弧面、椭圆形或抛物面的雾化结构。
2)强化油雾与蒸汽的接触。CN201610250255.2公开了一种重油催化裂化的原料油多级雾化喷嘴结构的使用方法，通过部分“汽包油”形式强化喷嘴的雾化效果。CN201580040109.0公开了一种用于流化床反应器的流体注入喷嘴，涉及用于循环流化床反应器的液体进料喷嘴组件，包括形成液体进料/蒸汽混合物的节流阀体预混合器、将液体/蒸汽混合物输送到喷嘴的主体导管、和剪切液体进料/蒸汽混合物的排放喷嘴、以及增加表面积的液体进料的喷射射流分散器。CN201510386619.5公开了一种重油喷嘴，提出的新型重油喷嘴设置有3个流道，外、内流道俱为蒸汽流道，中间流道为重油流道，可对重油进行两次雾化。
3)引入乳化微爆。文献“车用发动机，214，2014，58–62”报道了Span-80和Tween-80复配乳化剂用于生物质油和柴油混合物的乳化喷射。CN201410640805.2公开了一种重油乳化剂及其制备方法，通过添加乳化剂保持油水不分离。其中重油可掺水20～50％，添加剂用量为1～30％。CN201310725905.0公开了一种重油乳化复合添加剂。按重量份计的组分组成：破乳剂10～35份；表面活性剂8～20份；助燃剂10～20份；稳定分散剂20～35份；缓蚀剂3～15份；水20～50份。
目前，学术界和工业界就各种油品喷射雾化达成的共识包括：1)降低油品的粘度有利于减小喷射后油雾滴的平均粒径(赵宇龙，硕士学位论文：黏度和表面张力对液体雾化效果影响的实验研究，东北大学，2012)；2)微爆效应可加速油雾滴在高温环境中的气化(内燃机工程，40(3)，2019,10–14))。值得注意的是，通过优化喷嘴结构或者强化油雾滴与蒸汽的接触以改善油品的喷雾气化，往往只能针对特定类型的油品以及特定的油品加工目的。添加乳化剂可以引入微爆效应，然而为了将水增溶进入各类油品中，必须添加一般包含长链烷烃的两性表面活性剂。大量乳化剂的引入反而会引起乳化体系粘度的上升并导致油雾滴粒径的增大，从而部分抵消微爆效应(工业安全与环保，42(7)，2016，19–22)。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺点，提供一种不依赖于喷嘴结构并显著提高各种油品喷雾气化效率的方法。
本发明提供的方法，是将极性可调的亚(超)临界水与石油、石油馏分、生物质油或生物柴油进行物理混合。利用亚(超)临界水与各类油品的自发互溶形成分子尺度的均相溶液或者介观尺度的乳液，据此降低油品的粘度并在喷射雾化过程中降低油雾滴的平均粒径。进一步，基于溶解于油雾滴的水分子或者分散于油雾滴中水滴在高温下的微爆效应，促进油雾滴的气化。
其中，本发明的技术依据如下：
1、石油、石油馏分、生物质油或生物柴油制合成气、制氢和催化裂化等工艺中均有水的参与，在此过程中水或者以反应物形式存在，或者用于对油雾滴的物理分散和夹带。
2、常规条件下水属于典型的极性溶剂，介电常数达到80。在亚(超)临界区域，随着水分子之间氢键的破坏，水的介电常数大幅下降。相应地，水对有机物的溶解性能有效改善。例如，250℃和10MPa时亚临界水的介电常数为24，对有机物的溶解能力介于甲醇和乙醇溶剂之间；300℃和10MPa时亚临界水的介电常数为20，等同于丙酮溶剂；380℃和 23MPa时超临界水的介电常数为1，等同于苯或者三甲基苯溶剂。
3、石油或石油馏分与亚(超)临界水混合物的相态符合van Konynenburg和Scottis所定义的IIIb或II类型相结构(J Supercrit.Fluids 77,2013,142–152；FluidPhase Equilib.370, 2014,75–84)。超临界水与四环以下的稠环芳烃能够完全互溶，这一结果得到视窗观察的证实(J.Supercrit.Fluids 39,2006,160–173)。当石油馏分中含有两到三环的轻质芳烃时，它们能够促进重芳烃与亚(超)临界水的互溶(Chem.Eng.Sci.195,2019,958–967)。根据亚(超) 临界水热力学状态以及石油馏分的不同，石油馏分与亚(超)临界水能够自发形成稳定的均相溶液或者乳液。生物质油和生物柴油在结构和性质上与石油馏分高度相似，它们与亚 (超)临界水的混合物与石油馏分/亚(超)临界水在相结构方面同样接近。
4、控制亚(超)临界水与石油、石油馏分、生物质油或生物柴油的混合条件(温度、压力和时间)可以确保混合为一个物理过程，在混合物的喷射雾化前没有化学反应的发生。这与CN201910196728.9、CN201710229072.7、CN201610831172.2、CN201080027544.7、CN200780044316.9和CN200610026906.6等将亚(超)临界水作为重油或者有机物等进行化学改质的反应介质不同。
5、将亚(超)临界水自发增溶进入石油、石油馏分、生物质油或生物柴油可降低油品的粘度，有利于在喷射雾化过程中降低油雾滴的粒径分布。溶解于油雾滴中的水分子或者分散于油雾滴中的水液滴，在高温环境下存在微爆效应。
为了有效改善石油、石油馏分、生物质油或生物柴油喷雾气化效果，对油品的类型、亚(超)临界水的热力学状态、油品和亚(超)临界水混合的工艺参数、以及油品的喷雾气化条件做出优选，其范围为：
1、石油或石油馏分是石油原油、石油经过常减压蒸馏所得馏分、以及石油馏分经过热加工或者催化加工所得产品的一种或者多种。
2、生物质油是纤维素、半纤维素和/或木质素的各种降解物所组成的混合物。
3、生物柴油是植物油、动物油、废弃油脂或微生物油脂与甲醇或乙醇经酯转化而形成的脂肪酸甲酯或乙酯。
4、亚(超)临界水的温度在150～450℃之间，压力在3～25MPa之间。
5、亚(超)临界水与石油、石油馏分、生物质油或生物柴油的质量比为1:3～1:20。
6、亚(超)临界水与石油、石油馏分、生物质油或生物柴油的混合在温度150～450℃和压力3～25MPa条件下完成。
7、亚(超)临界水与石油、石油馏分、生物质油或生物柴油的混合在0.5～30min内完成。
8、亚(超)临界水与石油、石油馏分、生物质油或生物柴油的混合在具有搅拌的釜式装置或者具有静态混合器的管式装置中完成。
9、亚(超)临界水与石油、石油馏分、生物质油或生物柴油的混合物通过喷嘴进行雾化及进一步的气化。
10、石油、石油馏分、生物质油或生物柴油的气化方法适用于制合成气、制氢以及催化裂化等装置的原料喷雾气化进料。
附图说明
图1a和1b分别为生物柴油增溶亚临界水前后的喷雾油滴的粒径分布。
图2a和2b分别为减压渣油增溶超临界水前后的喷雾油滴的粒径分布。
图3为距喷嘴轴向不同位置检测生物质油的油雾滴的粒径分布装置示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
实施例1：
将某生物柴油作为生物柴油的代表，其基本性质如表1所示。
表1试验用生物柴油的基本性质
Figure BDA0002908592300000041
生物柴油和水分别加压至3MPa进入预热器，达到150℃后进入混合搅拌釜。此时，水的热力学状态点处于亚临界区域。生物柴油和亚临界水的质量比例为3:1。搅拌釜内温度维持在150℃，并且采用500rpm的搅拌转速以促进水向油相的增溶。生物柴油和亚临界水混合物在搅拌釜内的平均停留时间为30min，达到相平衡的物料通过直径为0.6mm的喷嘴雾化进入常温大气环境。为比较起见，同时进行了生物柴油在150℃和3MPa下通过直径为0.6mm喷嘴的喷雾。
采用英国Malvern公司的Spraytec系列激光喷雾粒度仪检测油雾滴的粒径分布。未增溶和增溶了亚临界水的生物柴油的油雾滴粒径分布如图1a和1b所示。采用生物柴油作为喷雾原料时，所得油雾滴的索特平均直径为67μm。向生物柴油中增溶了亚临界水后，喷雾所得油雾滴的索特平均直径为42μm。根据激光粒度表征结果，当生物柴油中增溶了亚临界水后，喷雾所得油雾滴的索特平均直径下降37％。
此外，增溶了亚临界水的生物柴油恢复至常温常压后分层为水/油两相。根据对油相的取样分析，生物柴油的性质并未显著改变，表明在试验所用混合工艺条件下亚临界水的增溶属物理过程。
实施例2：
将某减压渣油作为减压渣油的代表，其性质如表2所示。
表2试验用减压渣油的基本性质
Figure BDA0002908592300000051
减压渣油和水分别加压至23MPa进入预热器，达到400℃后进入管式静态混合器。此时，水的热力学状态点处于超临界区域。减压渣油和超临界水的质量比例为20:1。减压渣油和超临界水在管式静态混合器中的平均停留时间为0.5min。达到相平衡的物料通过直径为1.0mm的喷嘴喷雾进入常温大气环境。为比较起见，同时进行减压渣油在400℃和23 MPa下通过直径为1.0mm喷嘴的喷雾。
采用英国Malvern公司的Spraytec系列激光喷雾粒度仪检测重油雾滴的粒径分布。未增溶和增溶了超临界水的重油的油雾滴粒径分布如图2a和2b所示。采用减压渣油作为喷雾原料时，所得油雾滴的索特平均直径为417μm。向减压渣油中增溶了超临界水后，喷雾所得油雾滴的索特平均直径为142μm。根据激光粒度表征结果，当减压渣油中增溶了超临界水后，喷射所得油雾滴的索特平均直径下降66％。
此外，增溶了超临界水的减压渣油恢复至常温常压后分层为水/油两相。根据对油相的取样分析，减压渣油的性质并未显著改变，表明在试验所用混合工艺条件下超临界水的增溶属物理过程。
实施例3：
将某生物质油作为生物油的代表，其性质如表3所示。
表3试验用生物质油的性质
Figure BDA0002908592300000061
生物质油和水分别加压至15MPa进入预热器，达到350℃后进入混合搅拌釜。此时，水的热力学状态点处于亚临界区域。生物质油和亚临界水的质量比例为10:1。搅拌釜内保温维持在350℃，并且采用500rpm的搅拌转速以促进水向油相的增溶。生物质油和亚临界水在搅拌釜内的平均停留时间为15min，达到相平衡的物料通过直径为0.6mm的喷嘴喷雾进入图3所示600℃高温氮气环境。沿着喷嘴不同轴向位置检测是否存在油雾以确认油分子的气化速率。为比较起见，同时进行了生物质油在350℃和15MPa下通过直径为0.6mm 喷嘴的喷雾。
激光粒度检测表明，在距离喷嘴15cm处，增溶了亚临界水的生物质油雾滴的索特平均直径为53μm。在距离喷嘴45cm处，生物质油雾滴完全气化完毕。对照实验表明，在距离喷嘴15cm处，未增溶亚临界水的生物质油雾滴的索特平均直径为83μm。在距喷嘴95cm 处，生物质油雾滴完全气化完毕。根据激光粒度表征结果，生物质油中增溶了亚临界水后，喷雾所得油雾滴的索特平均直径下降36％。并且，综合微爆效应后油雾滴完全气化所需时间有效缩短。
此外，增溶了亚临界水的生物质油恢复至常温常压后分层为水/油两相。根据对油相的取样分析，生物质油的性质并未显著改变，表明在试验所用混合工艺条件下亚临界水的增溶属物理过程。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (6)

1.一种用于提高油品喷雾气化效率的方法，其特征在于，所述的方法包括，将亚/超临界水增溶进入石油、石油馏分、生物质油或生物柴油形成均相溶液或者乳液，使得油品粘度降低，以减小喷射雾化过程中油雾滴的粒径分布；并基于溶于油雾滴中的水分子或者分布于油雾滴中的水滴的微爆效应，加速油雾滴在高温环境中的进一步气化；
所述的亚/超临界水与所述的石油、石油馏分、生物质油或生物柴油的质量比为1:3～1:20；
所述的亚/超临界水与所述的石油、石油馏分、生物质油或生物柴油的混合在0.5～30min内完成；
所述的亚/超临界水与所述的石油、石油馏分、生物质油或生物柴油的混合在具有搅拌的釜式装置或者具有静态混合器的管式装置中完成；
所述的亚/超临界水的温度在150～450℃之间，压力在3～25MPa之间；
所述的亚/超临界水与所述的石油、石油馏分、生物质油或生物柴油的混合在温度150～450℃和压力3～25MPa条件下完成。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的方法用于制合成气、制氢或催化裂化的装置的原料喷雾气化进料。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的石油或石油馏分是石油原油、石油经过常减压蒸馏所得馏分、以及石油馏分经过热加工或者催化加工所得产品的一种或者多种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的生物质油是纤维素、半纤维素和/或木质素的各种降解物所组成的混合物。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的生物柴油是植物油、动物油、废弃油脂或微生物油脂与甲醇或乙醇经酯转化而形成的脂肪酸甲酯或乙酯。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的亚/超临界水与所述的石油、石油馏分、生物质油或生物柴油的混合物通过喷嘴进行雾化及进一步的气化。
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