煤焦油加氫工藝概述

鄭發(fā)元

（甘肅鋼鐵職業(yè)技術學院，甘肅 嘉峪關 735100）

在國家能源發(fā)展規(guī)劃中，指出“著力提高清潔低碳化石能源和非化石能源比重，大力推進煤炭高效清潔利用，科學實施傳統(tǒng)能源替代，加快優(yōu)化能源生產(chǎn)和消費結構”，而煤化工是以煤炭為主要原料生產(chǎn)化工產(chǎn)品的行業(yè)，大力發(fā)展煤化工，以工業(yè)強國為舉措，技術技能型人才為基礎。新型煤化工是我國未來能源的發(fā)展方向，新型煤化工是指煤制烯烴、煤制天然氣、煤制油、煤制二甲醚和煤制乙二醇等。煤焦油加工工業(yè)是隨著傳統(tǒng)的煉焦工業(yè)發(fā)展而發(fā)展起來的。煤焦油傳統(tǒng)加工方法以物理分離、提取單組分或窄餾分產(chǎn)品為目標，從煤焦油中提煉洗油、輕油、蒽油、工業(yè)萘、粗酚及劣質(zhì)瀝青等產(chǎn)品。隨著人們對環(huán)境的要求越來越高，在全世界都重視可持續(xù)發(fā)展的今天，所面臨的形勢嚴峻可想而知。煤焦油是煤炭在干餾過程中所得到的一種液體副產(chǎn)物，2018 年煤焦油產(chǎn)量為1806 萬t，其中中低溫煤熱解油年產(chǎn)量已超過500 萬t。

煤焦油加氫技術是一個新的探索，是開發(fā)新型煤焦油清潔利用技術探索的主要方向；可延長產(chǎn)業(yè)鏈，提高資源利用率，減少環(huán)境污染，提取高附加值產(chǎn)品。我國的車用燃料未來市場有很大缺口，煤焦油加氫制取燃料油將是煤焦油加工利用的一條新途徑，對能源可持續(xù)發(fā)展也具有重要戰(zhàn)略意義[1]。本文結合煤焦油的發(fā)展，就煤焦油加氫的具體工藝簡單論述。

1 原料預處理單元

預處理部分采用了高速離心分離(臥螺離心機)技術、萃取沉降分離技術、膜強化傳質(zhì)技術等。萃取混合油溫度進入膜脫鹽設施。在膜脫鹽設施中注入除鹽水，脫除油中鹽類化合物。除鹽水中加入一定量的脫金屬劑，然后與混合油從膜脫鹽設施的上面并流而下，流入底部的臥式沉降罐，在沉降罐中進行三相分離，上部為凈化煤焦油，中部出含油、含酚污水，底部出萃取重油。萃取重油的熱值較高，可作為鍋爐燃料，或送熱電廠發(fā)電。凈化煤焦油（水含量小于1%）進入常壓脫水塔，將凈化煤焦油中水分控制在0.2%以下，后進入自動反沖洗過濾器，脫除25um 以上固體顆粒，再進入液相加氫裝置液相預加氫進料緩沖罐。

2 煤焦油液相加氫單元

預處理后的煤焦油進入液相加氫裝置，進行加氫脫硫、脫氧、烯烴飽和等。液相加氫主要目的，一是提高煤焦油的熱穩(wěn)定性，延長加氫精制裝置的運行周期；二是脫除硫、氮、氧雜元素，降低煤焦油極性，使生成油與煤焦油中金屬、灰分、結焦前驅物，延長加氫精制催化劑的壽命。焦油加氫過程中的主要操作參數(shù)有反應壓力、反應溫度、氫油比和空速等。

提高反應壓力，能加快氫氣在油品中的溶解速度，并能提高氫氣的溶解濃度，有利于反應進行，反應速度加快，反應深度加深。但反應壓力提高到一定程度，當氫氣已全部溶解入油品中后，反應壓力對加氫反應的影響將降低，且過高的反應壓力會增加裝置的承受壓力。

提高反應溫度，有利于加氫反應的進行，反應速度加快，油品中雜質(zhì)脫除越徹底，但同時聚合、結焦反應增加，催化劑表面積炭速度加快，加氫生成油的極性下降，同時加氫反應是一個放熱反應，加氫產(chǎn)生的化學熱同樣可以提高反應溫度，因此溫度因在一定范圍內(nèi)適度提高為宜。

適當提高氫油比，原料分子濃度增加，有利于加氫反應的進行，產(chǎn)品雜質(zhì)含量降低，聚合、結焦反應減少，催化劑結焦速度減緩，但過大的氫油比會導致反應體系氣相體積增加，破壞反應物相態(tài)，反而降低反應效率。

空速減少，反應物在催化劑上的停留時間增加，有利于加氫反應的進行[2]。但空速過低，催化劑積炭速度加快，氫耗增加，裝置加工能力下降。

液相加氫技術具有低溫加氫活性高、催化劑用量少、化學熱溫升小、反應效率高的特點，適合應用于焦油加氫方面。

3 煤焦油加氫精制單元

煤焦油加氫精制過程的主要反應包括：含硫、含氮、含氧化合物等非烴類的加氫分解反應；烯烴和芳烴（主要是稠環(huán)芳烴）的加氫飽和反應[3]；此外還有少量的開環(huán)、斷鏈和縮合反應。這些反應還包括一系列平行反應，構成復雜的反應網(wǎng)絡，而反應深度和速率往往取決于煤焦油原料的化學組成、催化劑以及過程的工藝條件。

煤焦油加氫過程中的操作變量主要有反應壓力（氫分壓）、反應溫度、氫油比和空速等。

煤焦油加氫反應是體積縮小反應。提高壓力，有利于加氫反應進行，反應速度加快，反應深度加深，縮合反應減少，積碳和結焦趨向減少；但壓力過高又會影響到煤焦油加氫的經(jīng)濟性，操作費用增加。提高溫度，有利于加氫反應的進行，反應速度加快，硫、氮、氧和金屬等雜質(zhì)脫除越徹底。但同時聚合、結焦反應增加，催化積炭速度加快，反應熱增加。因此溫度應在一定范圍內(nèi)并適度提高為宜。

提高氫油比，原料分子濃度增加，有利于加氫反應的進行，產(chǎn)品質(zhì)量提高，聚合、結焦反應減少，催化劑結焦速度減緩，并可及時帶走反應熱；但氫油比太高，會增加裝置的能耗和氫氣的損耗。提高氫油比的方法有：提高壓力；增加壓縮機排量等。

空速減少，反應物在催化劑上的停留時間增加，有利于加氫反應的進行；但空速過低，加氫裂化反應加劇，聚合、結焦反應增加，催化劑積炭速度加快，氫耗增加。

4 分餾部分工藝單元

實現(xiàn)分餾過程的設備被稱為分餾塔，或因其實際用途及分餾的精度不同可稱為蒸餾塔、汽提塔或精餾塔。待分離的混合物在塔內(nèi)被加熱汽化為氣相從下向上流動，遇到向下流動、溫度相對較低的液相混合物后二者進行熱交換形成溫度相同的體系，氣相溫度降低而液相溫度升高，氣相中相對沸點較高的物質(zhì)（或者說相對揮發(fā)度較低的物質(zhì)）由于溫度降低從氣相變?yōu)橐合喽懦鰺崃浚瑫r液相由于吸收了氣相放出的熱量而溫度升高，溫度升高導致液相中沸點相對較低的物質(zhì)吸收熱量從液體變成氣體。這一過程是一個氣相向液相傳遞熱量的過程--即傳熱過程；同時，氣相中相對沸點較高的物質(zhì)從氣體變?yōu)橐后w進入液相、液相吸收熱量后沸點相對較低的物質(zhì)從液體變成氣體進入了氣相，就發(fā)生了氣相與液相之間互相傳遞物質(zhì)的過程--即傳質(zhì)過程。

根據(jù)分餾的原料性質(zhì)和分餾要求不同，在分餾塔中安裝有許多塔盤。主要分為兩大類即塔盤類和填料類。其中應用較廣的就是浮閥塔盤。浮閥塔盤上開有許多孔，并在開孔處安裝有可以上下活動的蓋板（即浮閥），液體在塔盤上方流過，而氣體由于壓力的作用頂起浮閥通過塔盤上的開孔沖開液體向上流動。這樣就完成了一次氣液接觸過程----即完成了一次傳質(zhì)傳熱的分餾過程。介質(zhì)每通過一層塔盤就完成一次分餾過程，隨著從塔底到塔頂溫度由高到低的變化的同時，介質(zhì)在塔盤上完成了混合物的沸點從高到低的分餾過程，這樣從塔頂排出介質(zhì)的沸點就低，而從塔底排出介質(zhì)的沸點就高。

5 加氫裂化工藝單元

煤焦油加氫裂化是指在催化劑和氫氣存在下，煤焦油加氫精制生成油中柴油和蠟油餾分中的烯烴和芳烴分子發(fā)生加氫反應使其飽和，同時烴類化合物在具有酸性功能活性中心發(fā)生催化裂解，碳鏈斷裂，生成分子量較小的烴類化合物[4]。為了防止加氫裂化催化劑中毒，結焦等，在加氫裂化催化劑還裝有深度加氫精制催化劑，進行加氫脫除硫、氮、氧，以及烯烴和芳烴加氫飽和。通過加氫裂化可以將蠟油輕質(zhì)化為石腦油、柴油組分，同時煤焦油加氫柴油的密度降低，柴油凝點降低、十六烷值增加，從而改善油品的穩(wěn)定性、顏色、氣味和燃燒性能，滿足更高國家柴油質(zhì)量標準。煤焦油加氫改質(zhì)反應的特點是：深度加氫難度大、易結焦、反應熱大、氫耗大、催化劑性能要求高。焦油加氫裂化采用的催化劑體系具有活性高、良好裂化選擇性和穩(wěn)定性、產(chǎn)品質(zhì)量好、收率高的有點。

煤焦油加氫可以提高所生產(chǎn)燃料油的質(zhì)量，豐富我國能源結構，減小我國能源的對外依從度，從國家能源戰(zhàn)略來看具有重大意義。