典型煤焦油加氫工藝對比分析

牛鴻權 ，李 斌，劉振虎，史義存，王運濤

(陜煤集團榆林化學有限責任公司，陜西 榆林 719000)

煤焦油是煤炭在干餾或熱解過程中得到的液體產品，早在二十世紀初即開始了對其的加氫研究，1927年第一座煤及焦油加氫裝置實現工業化，并在二戰期間成為德國等石油資源短缺國家制備燃料油品的主要原料來源之一。隨著第二次世界大戰的結束和石油資源的大量開采，煤焦油加氫工藝的研究趨緩，煤焦油的應用轉向精細化學品的提取，除此之外大多直接作為鍋爐等的燃料油被燒掉。二十世紀后期，隨著人類環保意識的提升及石油資源日漸緊缺，煤焦油加氫的研究及應用再次提上日程，對于富煤少油的我國尤其明顯[1]。

1 煤焦油性質

煤焦油是是一種高芳香度的碳氫化合物的復雜混合物，絕大部分為帶側鏈或不帶側鏈的多環、稠環化合物和含氧、硫、氮的雜環化合物，并含有少量脂肪烴、環烷烴和不飽和烴，還夾帶20μm以下的煤塵、焦塵和熱解炭。由于有顆粒極細的焦粉的存在，水分往往和油形成穩定的乳化液。依據熱解溫度的不同，煤焦油可以簡單劃分為高溫煤焦油、中溫煤焦油、中低溫煤焦油以及低溫煤焦油，其基本性質見如表1。

表1 煤焦油的基本性質[2]

表1(續)

由表1可以看出，煤焦油具有如下特點：餾程寬，終餾點高，膠質和瀝青質含量較高，同時，硫、氮、氧及金屬元素含量較大，并攜帶大量機械雜質。在加氫過程中，高沸程餾分加氫裂化困難，煤焦油中的膠質和瀝青質放熱較大，極易造成催化劑床層局部過熱，硫、氮和氧的化合物及金屬化合物的含量過高將影響催化劑使用壽命[3-4]，同時，煤焦油中10μm以下的煤塵、焦塵和熱解炭難以用過濾器除去，這部分固體顆粒物最后全部聚集在催化劑床層上，造成反應器壓降升高。

針對煤焦油的這些特點，在工業應用領域形成了多種煤焦油加氫工藝，主要可歸納為[5-6]：脫水脫渣+固定床加氫工藝、分餾切割+固定床加氫工藝、延遲焦化+固定床加氫工藝、懸浮床+固定床加氫工藝和沸騰床+固定床加氫工藝。

2 加氫工藝對比

2.1 分餾切割+固定床加氫工藝

對于煤焦油沸程高、高含固、高瀝青質的特點，最簡單的處理方法即是將煤焦油中的高沸程餾分切割出去，僅將易于處理的低沸程餾分進行加氫，原料油分餾切割+固定床加氫工藝即是如此。分餾切割+固定床加氫工藝流程見圖1。

圖1 分餾切割+固定床加氫工藝流程圖

工藝流程簡述：原料煤焦油經過減壓閃蒸塔分餾切割為輕質煤焦油和煤瀝青，輕質煤焦油直接送至加氫裝置或者罐區，煤瀝青作為產品直接對外銷售。由減壓分餾單元來的輕質煤焦油經高壓泵升壓至一定壓力后(13～17MPa)后與氫氣混合經系列換熱器升溫后再經加熱爐加熱至一定溫度后進入固定床加氫精制反應器、加氫裂化反應器進行脫除硫、氮、氧、重金屬以及烯烴飽和、加氫裂化等反應，反應產物經過系列降溫后進入高壓分離器。高分氣經過循環氫壓縮機升壓后循環使用，高分油進入分餾系統進行產品分離。經產品分離后得到低硫煤制石腦油、煤制輕質燃料油和重質加氫蠟油(加氫尾油)。

該技術現有裝置加工規模基本在20萬t/a以下，煤焦油經減壓塔分餾后輕質油收率大約在70%～75%，煤焦油加氫的石腦油和輕質燃料油的硫含量在20ppm以下。粗煤瀝青收率在25%左右，價格較煤焦油焦炭便宜，加氫精制裝置產部分尾油。整體裝置的輕質油液收率在65%左右。企業整體經濟效益和企業在行業競爭力相對較低。

2.2 延遲焦化+固定床加氫工藝

針對煤焦油高含固、高瀝青質、高沸程特點的另一個處理方法就是將重餾分進行延遲焦化處理，進而得到針狀焦和可用于加氫的餾分油，延遲焦化+固定床加氫工藝即是基于這一方法。延遲焦化+固定床加氫工藝流程見圖2。

圖2 延遲焦化+固定床加氫工藝流程圖

工藝流程描述：煤焦油經加熱后進入延遲焦化塔，轉化成煤焦油焦(針狀焦)和焦化輕質煤焦油。焦化輕質煤焦油經原料高壓泵升壓至一定壓力后(15～17MPa)后與氫氣混合經系列換熱升溫后再經加熱爐加熱至一定溫度后進入固定床加氫精制反應器、加氫裂化反應器進行脫除硫、氮、氧、重金屬、烯烴飽和、加氫裂化等反應，反應產物經過系列降溫后進入高壓分離器。氫氣經過循環壓縮機循環使用，反應油進入分餾系統進行產品分離。經產品分離后得到低含硫煤制石腦油、煤制輕質燃料油和重質加氫蠟油(加氫尾油)。

該工藝的固定床加氫規模是20萬t/a，煤焦油延遲焦化的加工規?；驹?0萬t/a以上，50萬噸/年的較多。隨著煤焦油針狀焦的加工利用率的提高，延遲焦化的經濟效益得以增加。但是延遲焦化的輕質油收率低，僅有70%，裝置能耗較高環境污染較大，污水較難處理。裝置總液收大約為60%，加氫裝置的液收約90%左右。裝置整體效益隨著延遲焦化的收率和質量變化較大，有良好的運行業績。

2.3 脫水脫渣+固定床加氫工藝

脫水脫渣+固定床加氫工藝與前兩種加氫工藝不同，煤焦油通過簡單的脫水脫渣后，全部進行加氫，以富產尾油的方式來解決煤焦油組成復雜這一問題，產品液收率得到極大提升。脫水脫渣+固定床加氫工藝流程見圖3。

圖3 脫水脫渣+固定床加氫工藝流程圖

工藝流程簡述：原料油經電脫鹽脫除游離無機化合物后進入離心機進行脫除煤焦油中的機械雜質。脫渣后煤焦油經高壓泵將壓力升至13～16MPa后與氫氣混合，然后經換熱器、加熱爐升溫至一定溫度后先進入加氫精制反應器，脫除重金屬和S、N、O后進入后面的加氫裂化反應器。反應器出來的油氣經冷卻后進去分餾塔，經產品分離后得到低硫煤制石腦油、煤制輕質燃料油和重質加氫蠟油(加氫尾油)，部分尾油進行加氫循環，另一部分尾油作為產品直接進行銷售。

該技術現有裝置加工規?；驹?0萬噸/年以下，煤焦油經經脫水和脫渣后的收率大約在98%，加氫尾油的產量高達15%～20%。裝置運行周期較延遲焦化和輕質油加氫的時間短，所產石腦油和輕質燃料油的硫含量在20ppm以下，質量較好。但因裝置加工規模小，企業整體經濟效益和行業競爭力相對較低。

2.4 沸騰床加氫+固定床加氫工藝

與固定床加氫反應器不同，沸騰床加氫反應器對含固物料的處理有著天生的優勢，全返混物流狀態可有效抑制局部放熱的發生，無催化劑床層壓降問題，同時還可實現催化劑的在線加排以及催化劑的再生利用。因此，煤焦油沸騰床+固定床加氫工藝應運而生。沸騰床加氫+固定床加氫工藝流程見圖4。

工藝流程簡述：煤焦油經分餾塔簡單脫水后經原料油升壓泵升壓至22.0MPa，然后與壓縮機來的氫氣混合，經換熱器、加熱爐升溫至反應溫度后依次進入兩臺上流式懸浮床反應器，反應溫度由反應器底部循環油泵來控制，反應器出口溫度由反應器出口冷油、冷氫來控制。沸騰床催化劑經過催化劑專用泵注入沸騰床反應器，然后由催化劑卸出口卸出。沸騰床反應器出口反應漿液進入熱高分進行氣、液、固三相分離，熱高分液相進入減壓塔進行液固分離。減壓塔塔底產品為含催化劑的減壓渣油，減壓塔分離的輕質餾分油經高壓泵升壓后進入固定床反應器進行加氫裂化精制。經固定床加氫反應精制后油品進入分餾塔進行產品分離，經分離后得到低含硫煤制石腦油、煤制輕質燃料油和重質加氫蠟油，加氫蠟油與減壓蠟油經升壓后進入固定床反應器進行裂化精制。

圖4 沸騰床加氫+固定床加氫工藝流程圖

該工藝具有該技術現有加工規模為20萬t/a煤焦油加氫和在建的多套50萬t/a的煤焦油沸騰床加氫裝置正在建設。該工藝具有反應壓力高17.0～21.0MPa，反應溫度高450～470℃，轉化率高和固定床加氫尾油全循環等工藝特點。沸騰床所用催化劑為重金屬氧化物，具有再生的可行性，但是催化劑再生和含催化劑油品處理難度大。該裝相比較其他煤焦油加氫裝置具有工藝流程短，裝置液收率高在90%以上。裝置對原料中的固含量、瀝青質和重金屬等要求較小，所產減壓渣油可以做鍋爐燃料或者煤瀝青的原料。

2.5 懸浮床加氫+固定床加氫工藝

懸浮床反應器與沸騰床反應器有著相似的特點，同時采用廉價可拋棄性催化劑，無催化劑再生問題，對原料煤焦油適應性更強。因此，懸浮床加氫+固定床加氫工藝有著不錯的應用前景，懸浮床加氫+固定床加氫工藝流程見圖5。

圖5 懸浮床加氫+固定床加氫工藝流程圖

工藝流程簡述：煤焦油經分餾塔簡單脫水后與懸浮床催化劑混合后經原料油升壓泵升壓至22.0MPa，然后與壓縮機來的氫氣混合，經換熱器、加熱爐升溫至反應溫度后依次進入三臺上流式懸浮床反應器，反應溫度由反應器中部冷氫和反應器出口冷油、冷氫來控制。經過懸浮床反應后的反應漿液進入熱高分進行氣、液、固三相分離，熱高分氣相降溫至一定溫度后直接進入固定床加氫反應器進行精制裂化，熱高分液相進入減壓塔進行液固分離。減壓塔塔底產品為含催化劑的減壓渣油，減壓塔分離的輕質餾分油進入固定床反應器進行加氫裂化精制。懸浮床反應油氣經固定床加氫反應精制后進入分餾塔，經產品分離后得到低含硫煤制石腦油、煤制輕質燃料油和重質加氫蠟油，加氫蠟油與減壓蠟油經升壓后進入固定床反應器進行裂化精制。

該技術現有加工規模為50萬噸/年煤焦油加氫和45萬t/a的油煤共煉裝置及相關工藝流程的其他裝置。該工藝具有反應壓力高17.0～21.0MPa，反應溫度高450～470℃，轉化率高和固定床加氫尾油全循環等工藝特點，懸浮床所用催化劑為粉末狀蘭炭和赤泥等相關重金屬化合物。該裝相比較其他煤焦油加氫裝置具有工藝流程短，裝置液收率高在90%以上。裝置對原料中的固含量、瀝青質和重金屬等要求較小，所產減壓渣油可以做鍋爐燃料或者煤瀝青的原料。

2.6 幾種煤焦油加氫工藝技術特點對比

幾種煤焦油加氫工藝技術特點對比見表2。

表2 幾種煤焦油加氫工藝技術特點對比

表2 (續)

3 結論

對比分析結果表明，五種工藝都有較好的運行業績，其中分餾切割+固定床加氫工藝由于要切出約25%的粗煤瀝青，煤焦油利用率較低，延遲焦化+固定床加氫工藝和脫水脫渣+固定床加氫工藝通過副產品焦炭和加氫尾油實現了煤焦油的全部利用，但主產品液收率較低，而沸騰床+固定床加氫工藝和懸浮床+固定床加氫工藝的原料適應性最強，產品液收率也高，具有較高的競爭力。

盡管如上所述，沸騰床和懸浮床加氫工藝具有良好的原料適應性，但也存在投資大、操作復雜等問題，相比較而言，固定床加氫工藝投資少，技術成熟，操作簡單，更適合小規模的加氫裝置。因此，對于具體工藝方案的選擇，尚需以具體項目情況為依據。