常壓渣油與煤共煉的研究

許遼遼，馮 歡，崔智輝，王 驍，高 磊，侯自強

(陜煤集團榆林化學有限責任公司，陜西 榆林 719000)

煤直接液化狹義的定義是將煤與某種溶劑充分混合后，通入氫氣，在一定溫度和壓力下，經過復雜的物理、化學過程，使固體煤轉化為液體產物的過程稱為煤的直接液化。廣義定義，將固態煤經過一定的物理、化學作用轉化為液態產物的過程稱為煤液化。煤液化的目的之一是尋找石油的替代能源，煤炭資源10倍于石油，所以認為液化煤是石油最理想的替代能源。

油煤共煉是在煤直接液化技術、重油加氫裂化技術的基礎上發展起來的新技術，油煤共煉實現了煤直接液化與重油在懸浮床加氫工藝的優勢互補，充分利用油、煤在加氫裂化反應中的協同效應，將煤粉均勻分散到重質油中，通過懸浮床加氫裂化反應器轉化成小分子物質，在經過固定床加氫改制，生產清潔的油品調和組分，具有原料轉化率高、液體收率高、產物品質優、投資成本低、市場廣闊等優點。

油煤共煉過程是指煤在臨氫條件下、有適當的壓力(18～22 MPa)和溫度(350～500 ℃)，與溶劑油、添加劑、催化劑作用發生加氫和裂化反應，使煤轉化成液體烴類，并生成少量氣體，同時脫除煤中的硫、氮、氧等雜原子的深度轉化過程。煤液化過程大致通過熱解、氫轉移和加氫三個反應步驟進行。在合適的溫度范圍內，煤的結構單元之間的橋鍵發生快速斷裂，產生以結構單元為基礎的自由基碎片，這些碎片不帶電荷，卻有未配對電子，很不穩定，需要從煤的基質中或者溶劑中獲得活性氫，將生成的自由基碎片轉化為穩定的小分子化合物。

油煤共煉實現了煤直接液化與重質油懸浮床加氫工藝的優勢互補，能夠實現重劣質油的高效轉化[1]、煤炭資源清潔利用，探索不同原料油作為煤油共煉溶劑油可行性，達到擴寬煤油共煉原料油來源的目的，經過懸浮床加氫裝置研究中證明FCC油漿和DCC油漿是一種加氫裂化比較的適合原料，但產量有限，為了拓寬原料范圍，本文將常壓渣油與原料煤混合作為工藝原料，開展油煤共煉研究[2]，考察反應轉化效果及穩定性，探索常壓渣油作為原料油與煤混合共煉研究的可行性。

1 煤液化的典型工藝

1.1 美國HTI工藝

美國HTI工藝流程簡圖如圖1所示，其主要特點是：該工藝為兩段催化液化工藝，采用近10年來開發的懸浮床反應器和HTI擁有專利的鐵基催化劑(GelCat TM)。

圖1 美國HTI 工藝流程簡圖Fig.1 Schematic diagram of HTI process in USA

1.2 日本NEDOL工藝

日本NEDOL工藝流程簡圖如圖2所示，其主要特點是：反應壓力較低，壓力為17-19MPa，反應溫度455～465 ℃，催化劑采用合成硫化鐵或天然硫鐵礦，固液分離采用減壓蒸餾的方法，配煤漿用的循環溶劑單獨加氫，以提高溶劑的供氫能力。

圖2 日本NEDOL 工藝流程簡圖Fig.2 Japanese NEDOL process diagram

1.3 懸浮床加氫工藝

圖3 懸浮床加氫裝置工藝流程簡圖Fig.3 Process diagram of suspension bed hydrogenation unit

該工藝主要特點是：C1～C4氣體產率高，氫耗低；工藝流程簡單，投資成本低，熱高分底部未轉化重質油可以循環利用，供氫溶劑與催化加氫，提高了催化劑的使用壽命。

2 原料油性質

因常壓渣油保持了烴類的化學組成特點，具有雜原子、多環芳烴、膠質、瀝青質含量高和灰分高等特點，導致常壓渣油采用常規的石油加氫處理催化劑及工藝過程時存在反應系統結焦沉積、催化劑使用壽命不長等問題。依照相似相溶的原理，溶劑結構與煤分子近似的多環芳烴對煤熱解的自由基碎片有較強的溶解能力，因此將常壓渣油作為溶劑，油與煤進行反應，是實現常壓渣油與煤共加工的一種重要途徑。本次研究的原料包括FCC油漿、DCC油漿、常壓渣油，其主要性質見表1。

表1 原料油基本性質Table 1 Basic properties of raw oil

由表1可知，密度：DCC油漿>FCC油漿>常壓渣油；固含量：DCC油漿>FCC油漿>常壓渣油；四組分：常壓渣油飽和分含量很高74.72%，裂化性能更好，而FCC油漿及DCC油漿芳香分含量較高，分別為44.27%及56.02%，常壓渣油中芳香分含量僅為16.45%，因此常壓渣油在煤油共煉反應中的供氫能力不如FCC油漿及DCC油漿。

從餾程分布來看，常壓渣油與FCC油漿的餾程分布非常相近，而DCC油漿餾程整體稍輕(DCC油漿的餾程輕而密度較大，可能是由于其中的固含量高引起)，FCC油漿、DCC油漿及常壓渣油中>525 ℃餾分含量分別為36.0%、19.5%、39.0%。

綜合來看，初步推測：常壓渣油可摻入FCC油漿作為與煤油共煉的原料，但其反應效果不如FCC油漿，必須控制摻入量以確保裝置運行的平穩性。

2.1 原料煤的性質

本次研究的原料煤采用榆林某煤礦的煤，原料煤的基本性質見表2。

表2 原料煤基本性質Table 2 Basic properties of raw coal

由表2可知，原料煤灰分較高，為9.61%，但H/C原子比較高，達到了0.69%；揮發分含量為35.20%，高于適宜液化的煤揮發分含量指標35.00%；原料煤中未檢測到殼質組的存在，但其鏡質組含量較高，而惰質組含量比較低；此外，原料煤中S含量為2.64%，對于煤的轉化具有一定的促進作用。綜合來看，這種煤基本滿足于煤油共煉的原料煤性質要求。

2.2 研究方法

常壓渣油與原料油和煤混合后經高壓進料泵升壓至操作壓力后，與預熱至相同溫度的循環氫、新氫混合，進入加熱爐進一步加熱至一定溫度后進入懸浮床反應器，反應器主要的熱量來自于反應自身放熱和加熱爐出口的溫度，將反應器內物料進一步升至反應溫度(450～470 ℃)并維持在該溫度，在催化劑的作用下，進行熱裂解和加氫反應。

經懸浮床反應器反應后的物料全部進入熱高壓分離器，進行殘渣物與氣相油氣的分離。其中熱高分底部殘渣物經減壓閥減壓后進入熱低壓分離器中緩沖后獲得熱高分底部產物；為了防止熱高分底部產物長時間在熱高分罐中結焦，增加擾動氫氣，防止結焦、沉積。熱高壓分離器頂部的氣相油氣經冷卻后進入冷高壓分離器進行進一步分離。冷高壓分離器中進行分離后頂部氣相一部分外排以維持系統氫純度，一部分送至循環氫壓縮機升壓后再并入系統。冷高壓分離器底部液相油水物減壓后進入油水分離罐進行油水分離，分別得到酸性水和冷高分底部產物，循環氫氣繼續由循環氫壓縮機進行壓縮升壓循環使用，和新氫壓縮機的補充氫氣混合后進入加熱爐循環使用。

經過研究證明FCC油漿和DCC油漿是一種較適合于油煤共煉的原料[3]。而本次研究采用的常壓渣油與煤共煉存在一定的不確定性，故本次研究前期在以FCC油漿和DCC油漿為基本原料的基礎上，混入常壓渣油，其混入量由小逐漸增大(研究原料組成方案見表3)。

表3 原料組成Table 3 Composition of raw materials

針對不同原油和常壓渣油的混合占比不同，在相同空速和溫度、壓力下液體收率不同[4]。研究時反應溫度468 ℃；反應壓力22 MPa；體積空速(0.5 h-1)；循環氫中H2S濃度1500～5000 ppm；氫油比為3000 NL/kg；循環氫純度>90%。通過研究可以看出，本次研究常壓渣油混合占比高達35%，而采用的原料煤粉由低到高最高達30%[5]，為了研究的真實性和工藝運行的穩定性我們最初選擇以FCC和DCC為基礎，逐漸替換成常壓渣油，在35%常壓渣油與30%的煤配比最高，并且其工藝參數相同的條件下，常壓渣油與煤的轉化效果，整體液收最好[6]。

2.3 研究結果

在不同的工藝參數下，取得研究結果見表4。

從表 4 可以看出：

(1)單獨常壓渣油加氫裂化時，重餾分轉化率只有75%，但常壓渣油與煤共煉時，重餾分轉化率有較大幅度的提高，說明煤與常壓渣油具有協同效應作用，二者適合混合加工，可以提高產品液體收率。

(2)在468 ℃、22 MPa的條件下常壓渣油與煤共煉，煤轉化率可達到85%以上，液體收率可達到80%以上。

(3)常壓渣油與煤共煉時，隨著煤濃度的增加，煤和重餾分轉化率的轉化率均有所下降，說明煤濃度不宜過高[7]。

(4)常壓渣油與煤共煉時，隨著常壓渣油比例的增加，煤和重餾分的轉化率均有所下降，說明常壓渣油摻煉的比例不宜過高。

3 結 論

(1)常壓渣油與煤在共轉化時存在協同效應，將常壓渣油與FCC油漿混合后與原料煤進行油煤共煉，通過懸浮床加氫工藝證明其轉化是可行的，且常壓渣油與FCC油漿混合與原料煤反應的轉化率比FCC油漿單獨與原料煤；和常壓渣油單獨與原料煤轉化率都高，再次證實常壓渣油與煤在共轉化時存在協同效應[8]。

(2)常壓渣油與煤一起轉化時，原料煤的濃度不宜過高，常壓渣油的混入量也應適當控制，原料煤的濃度太高原料的兼容性、流動性差，油煤混合不均勻，容易沉積，堵塞進料管線及進料泵流量波動大；常壓渣油混合量太大，原料油中的膠質瀝青質含量高，在加熱爐和反應器中容易結焦，造成反應器超溫，影響裝置長周期運行，降低其經濟效益。

(3)常壓渣油與煤共同轉化時，懸浮床反應器的溫度控制在455～468 ℃、系統壓力在22 MPa的條件下、空速0.5，可得到較高的轉化率和液體收率，反應器溫度控制過高或是加熱爐溫度過高混合原料都容易出現結焦傾向。