中低溫煤焦油懸浮床加氫裂化反應(yīng)參數(shù)研究

聞容基，問王偉，高 偉，郭彥新，段小鋒

(延長石油(集團)碳氫高效利用技術(shù)研究中心，陜西 西安 710075)

煤焦油是煤炭熱解過程的產(chǎn)物，主要包括高溫煤焦油(熱解工藝溫度大于1 000 ℃，主要產(chǎn)自煉焦工藝)，中低溫煤焦油(熱解工藝溫度小于900 ℃，主要工藝有直立爐生產(chǎn)蘭炭、褐煤熱解等中低溫?zé)峤夤に?[1]，顏色呈黑色，相對密度為1左右，其成分和分子結(jié)構(gòu)與煤比較相似，多環(huán)芳烴、雜環(huán)化合物及金屬含量較高，是一種比較難處理的原料。

隨著我國煤炭綜合開采技術(shù)的不斷提高，粉煤在采掘煤中的占比越來越高，配套粉煤利用的熱解技術(shù)有了進一步發(fā)展，國內(nèi)多家科研機構(gòu)相繼開發(fā)了多種粉煤熱解技術(shù)，例如固熱載體回轉(zhuǎn)窯熱解、低階粉煤回轉(zhuǎn)熱解、循環(huán)流化床熱解技術(shù)、直立塔式粉煤熱解[2]及延長石油的粉煤熱解氣化一體化技術(shù)。未來粉煤熱解焦油將占煤焦油總量的很大一部分比例。

懸浮床加氫裂化技術(shù)可以高效加工含固煤焦油、重劣質(zhì)渣油、高瀝青質(zhì)的重餾分油，具有原料適應(yīng)性強、產(chǎn)品輕油收率高、工藝流程簡單等特點，是粉煤熱解煤焦油行之有效的加工技術(shù)[3]。筆者以含固的中低溫煤焦油為原料，在延長石油(集團)碳氫研究中心懸浮床加氫裂化中試裝置上開展實驗，考察了反應(yīng)溫度、反應(yīng)空速對轉(zhuǎn)化率、瀝青質(zhì)轉(zhuǎn)化率、氣體產(chǎn)率等產(chǎn)物指標的影響。

1 實 驗

1.1 主要原料

實驗原料為陜北某公司中低溫煤焦油，性質(zhì)見表1。水分、含固量較高，常溫下呈黑褐色非均相液體，有絮狀沉積物，流動性較差，伴有強烈刺激性氣味[4]，是常規(guī)固定床加氫裂化裝置難以直接化工的原料[5]。

表1 中低溫煤焦油主要性質(zhì)

采用實沸點蒸餾儀將煤焦油按照六個餾分段進行切割，結(jié)果如表2所示。

表2 煤焦油實沸點切割餾分分布

從表2可見，餾分油中小于360 ℃的組分占41.55%，整體餾分較輕，在液相反應(yīng)器中可能存在較多組分氣化的可能性，不利于反應(yīng)的進行[6]。

1.2 催化劑和添加劑

實驗用催化劑為廉價赤泥催化劑，相對密度為1.556 g/cm3，堆密度1.56 g/cm3，主要化學(xué)組成為FeO3和Al2O3。添加劑主要為蘭炭，堆密度0.39 g/cm3，比表面積593.9 m2/g，主要作用為減緩反應(yīng)過程生焦趨勢，作為結(jié)焦載體，將反應(yīng)器中的生焦物帶離反應(yīng)系統(tǒng)。

1.3 實驗裝置及流程

采用延長石油(集團)碳氫研究中心懸浮床加氫中試裝置進行中低溫煤焦油全餾分懸浮床加氫的研究，裝置流程示意見圖1。

圖1 懸浮床加氫中試裝置流程簡圖

在40 L轉(zhuǎn)運罐中將中低溫煤焦油與添加劑、催化劑混合均勻。將混合均勻的煤焦油加入原料罐，通過高壓進料泵升壓至裝置試驗壓力后與加熱至180 ℃的新氫、循環(huán)氣混合，通過加熱器將溫度升至320～340 ℃后進入反應(yīng)器，反應(yīng)器維持在440～460 ℃的溫度，煤焦油進行熱裂解、加氫反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)物進入溫度為380 ℃的熱高壓分離器，進行氣相、液固混合相分離。分離器底部固液混合物通過間歇式減壓閥排出至熱低壓分離器，得到熱低分產(chǎn)物。熱高壓分離器頂部氣體經(jīng)冷卻、注水后進入冷高壓分離器，進行不凝氣與液相分離。液體油水混合物經(jīng)減壓后進入低壓油水分離罐，分離得到酸性水和冷低分產(chǎn)品。冷高壓分離器底部產(chǎn)物通過減壓蒸餾裝置分離出<200 ℃石腦油餾分和200～370 ℃柴油餾分。熱高壓分離器底部產(chǎn)物通過減壓蒸餾分離出370～525 ℃的餾分油和>525 ℃的殘渣。

1.4 試驗過程

實驗過程保持反應(yīng)器入口溫度320 ℃，熱高壓分離器溫度380 ℃，系統(tǒng)壓力22 MPa，循環(huán)氣中氫氣純度保持在85%以上，氫油比為2 000 L/kg，催化劑占進料量1%，添加劑占進料量0.5%。在空速為0.5 kg/(h·L)條件下和反應(yīng)溫度為445 ℃條件下分別進行試驗。

產(chǎn)物試樣進行4 h在線取樣。裝置調(diào)整操作條件到達穩(wěn)定狀態(tài)后，再穩(wěn)定運行約12 h，置換裝置管線、容器內(nèi)殘余的其他操作條件反應(yīng)的物料，獲得真實試樣。試驗主要分析產(chǎn)品為熱低壓分離器產(chǎn)物、冷低壓分離器產(chǎn)物和循環(huán)氣。在計時取樣開始后，對進料流量、各管路補入氫氣流量、循環(huán)氣流量、循環(huán)氣排放量、熱低分氣、冷低分氣分別進行累計。將熱低壓分離器產(chǎn)物、冷低壓分離器產(chǎn)物收集稱重。取樣計時結(jié)束后進行物料平衡計算，損失小于5%算為合格樣。在取樣開始2 h后對所有氣相產(chǎn)物進行取樣，氣體產(chǎn)物在線取樣時，需將取樣器置換3次。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)溫度對中低溫煤焦油轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的影響

圖2為固定空速條件下反應(yīng)溫度對產(chǎn)物的影響。

圖2 反應(yīng)溫度對產(chǎn)物的影響

由圖2可見，反應(yīng)溫度控制在455 ℃為宜。隨著反應(yīng)溫度的升高，反應(yīng)深度加深，煤焦油整體轉(zhuǎn)化率逐步提高，最終接近100%全轉(zhuǎn)化；隨著反應(yīng)溫度的提高，瀝青質(zhì)轉(zhuǎn)化率逐步提高，但提高幅度逐步減??；隨著反應(yīng)溫度提高，反應(yīng)深度加深，裂化反應(yīng)更加激烈，氣體產(chǎn)率逐步增加[7]?？梢?，反應(yīng)溫度對煤焦油轉(zhuǎn)化率影響明顯，但持續(xù)升高反應(yīng)溫度并不能持續(xù)提高液體收率，而是會大幅增加低價值氣體產(chǎn)率。

2.2 反應(yīng)空速對中低溫煤焦油轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的影響

表2為445 ℃條件下,空速對反應(yīng)產(chǎn)物的影響結(jié)果。

表2 空速對反應(yīng)產(chǎn)物的影響

從表2可以看出，空速控制在0.5 kg/(h·L)為宜。隨著空速的提高(即加工量增大)，由于煤焦油整體停留時間變短，反應(yīng)深度減弱，重組分、瀝青質(zhì)轉(zhuǎn)化率均降低；低空速(即長停留時間)反應(yīng)深度加深，裂化氣產(chǎn)率增加，產(chǎn)品油質(zhì)量可能也有一定程度提高[8]。因此，低空速、長停留時間對煤焦油轉(zhuǎn)化有一定的促進作用，高空速有利于提高裝置處理量。

3 結(jié) 論

a.對陜北某公司中低溫煤焦油而言，隨著反應(yīng)溫度的升高，臨氫熱裂化反應(yīng)不斷加強，促進煤焦油大分子向小分子轉(zhuǎn)化，重質(zhì)油輕質(zhì)化效果明顯。

b.在低空速條件下，低溫有利于提高整體轉(zhuǎn)化率，但低空速不利于提高裝置處理量。從液體收率的變化來看影響不明顯，對煤焦油的轉(zhuǎn)化率、瀝青質(zhì)轉(zhuǎn)化率有降低趨勢。