浅谈油-煤共炼工艺的工艺变量

孙育滨

（陕西延长石油集团油煤新技术开发公司生产技术部，陕西 榆林 718500）

浅谈油-煤共炼工艺的工艺变量

孙育滨

（陕西延长石油集团油煤新技术开发公司生产技术部，陕西 榆林 718500）

油-煤共炼技术充分利用了褐煤或年轻烟煤与炼厂渣油具有的良好协同效应，可大大缓解煤直接液化的反应苛刻度，促进煤中的有机大分子结构单元中较弱桥键的断裂，并有利于将存在于桥键和芳烃侧链上的部分硫、氧和氮原子以硫化氢、水和铵盐的形式脱除。文章对油-煤共炼技术中相关的工艺变量进行了讨论。

油-煤共炼；温度；压力；空速；工艺变量

2012年4月，延长石油(集团)油煤新技术开发公司45万t·a-1油-煤共炼项目开工建设，这是全球首个油-煤共炼工业化示范项目。该项目概算总投资17.9亿元，采用全球领先的美国KBR公司悬浮床加氢裂化技术，利用榆林炼油厂的副产品渣油，与榆林地区丰富的低阶煤加氢混炼，制取柴油、汽油、液化气以及石脑油等高附加值产品。与煤直接液化相比，油-煤共炼每t油品投资额减少一半以上，氢气消耗量减少约20%，油品收率可从50%左右提升至75%以上，二氧化碳排放量减少约50%，煤转化率可达90%以上，每t油品综合能耗下降15%以上。

油-煤共炼工艺是将配置好的油煤浆经过悬浮床反应器转化成低馏分油，这部分低馏分油再经过固定床反应器转化以及汽提塔、分馏塔的精细切割，生产出高品质的柴油、汽油调和组分、液化气以及石脑油等高附加值产品。下面把油-煤共炼工艺中的工艺变量，分别按悬浮床反应器工艺和固定床反应器工艺进行讨论。

1 悬浮床反应器的工艺变量

1.1 原料属性

原料性质的相对稳定是影响悬浮床反应器平稳操作的一个重要因素。对于悬浮床反应器，煤粉中灰分、煤矸石等杂质含量过高，易堵塞管道，也增加了对管道和设备的磨损，严重时会导致高压分离器不能正常分离出反应产物而被迫停车，还会以油渣的形式带走一定的油品。如果油煤配比发生变化，就必须调整反应器入口温度，使反应温度处在合理的反应区间，达到理想的反应程度，使煤的热裂解和渣油的加氢裂化反应处于可控状态，从而达到目标转化率。

油-煤共炼工艺对原料煤适应性很强，煤的性质主要影响煤的转化率，对渣油的转化率和生成的低馏分油的性质影响很小。煤中灰分能吸附渣油中的重金属，以油渣的形式排出，起到保护固定床催化剂的作用。

渣油中520℃以上的组分越多越好；氢含量越高越好；重金属含量越低越好。重组分多，悬浮床反应器中气、液、固三相的分布就好；氢含量高，渣油的供氢性能高，系统的耗氢就小；重金属少，固定床催化剂的运行周期就会延长，工厂的经济效益就好。

1.2 新氢

新氢的注入，是保证反应系统氢纯度、氢分压的关键环节之一。只有保证系统处于较高氢分压的环境，悬浮床反应器才能在较高反应温度条件下操作，才能避免反应器结焦，并能提高前沥青烯、沥青烯的转化率，增加油品的收率。

1.3 循环氢

循环氢作为悬浮床反应器急冷氢，用来控制反应器床层温度。如果悬浮床反应器中的循环氢流量太低，会导致悬浮床反应器中气、液、固分布不良，反应放热不能很好地被带出。急冷氢除了降温外，还可用于补充反应耗氢，维持整个反应器处在较高的氢分压状态下。为了取得最佳性能，在满足反应温度控制的前提下，应尽量使氢循环保持最大，较高的循环量会使反应放热对加权平均温度影响最小。

随着装置的持续运转，在气循环回路中会出现轻烃组分的积聚。为了减轻这个影响，将一股连续的氢气在流量控制器控制下从高压氢气循环回路引至膜分离系统。循环氢中的氢气纯度通过提高进入膜分离系统的氢气流量来保证。所需的循环氢纯度（最小80Vol%）根据以下条件设定：要至少保持悬浮床和固定床反应器中的氢分压。

1.4 氢油比

悬浮床反应器内氢油比的大小，直接关系到氢分压和物料的停留时间，并且还会影响油与煤的混合程度。氢油比增加可以保证系统有足够的氢分压，有利于加氢反应，可及时将反应热从系统带出，有利于反应器床层的热平衡，使反应器内温度容易控制。但过大的氢油比会使系统的压降增大，从而会导致反应深度下降，循氢机负荷增大，动力消耗增大。氢油比过高会使反应器内的气含量增加，反应太剧烈容易导致飞温。

新氢量、循环氢量、油煤浆进料量三者关系是互为影响的，任意的一个量发生变化，其它的两个量也要调整，以满足反应器对氢油比的要求。油煤浆进料量微量调整，氢气量可不做调整，这样可以保证物料通过加热炉炉管的流速不降低。

1.5 反应温度

悬浮床反应器在运行过程中是强放热反应，如果反应热没有及时被带出，反应器内温度会不断上升，而反应速度又随温度的上升而加快，从而又会产生更多的反应热，使反应器温度上升更快。在实际生产过程中，许多因素变化都会造成反应器温度的波动，严重时会造成液收降低，反应器内结焦，油渣不能成型等，最终装置会被迫停工。

由于油-煤共炼工艺采用的是3个串联悬浮床反应器技术，反应温度控制在一定温度下，一反主要是将大部分煤转化成前沥青烯以及沥青烯；二反、三反将一反转化成的前沥青烯、沥青烯加氢裂化成我们希望得到的低馏分油。同时，渣油通过转化变成良好的供氢载体，也被加氢裂化生成低馏分油。

在装置生产运转过程中，如果反应温度控制偏低，会出现气产率降低、油收率也降低的现象，实际转化率达不到设计值。主要原因是受热的油煤浆和催化剂、添加剂、硫化氢、氢气混合后，进入第一反应器反应，所生成的前沥青烯及沥青烯和部分反应生成的煤液化油，进入第二、第三反应器中反应，由于反应温度偏低，使得大量的前沥青烯及沥青烯并没有转化成煤液化油，还是以前沥青烯及沥青烯的形式进入分离器、减压塔，造成减底油渣外排量大于设计量，成型的油渣表面黑亮，化验分析表明减渣中含有大量的沥青烯及前沥青烯。只要保证悬浮床反应器反应温度平稳，就能保证输送给下游系统的物料中，大部分是被转化生成的煤液化油，经过分离器并通过固定床反应器加氢后才能得到目标产品。

随着反应温度升高，氢传递及加氢反应速度也随之加快，气产率和氢耗量也随之增加，前沥青烯及沥青烯减少。但反应温度并非越高越好，若反应温度偏高，会使部分反应生成物产生缩合或裂解生成气体产物，造成气产率增加，结焦倾向增加，严重影响煤转化过程的正常进行。

在一定操作条件下，煤首先发生膨胀局部溶解，随着温度的升高，煤随后会发生热裂解、加氢等反应，继而转化率和氢耗量同时增加。油-煤共炼装置是在较高的氢分压条件下运行的，当悬浮床反应器在温度470℃时，转化率、油收率最高，气产率相对较低、处理量较大。

1.6 反应压力

反应系统工作压力其实不是一个工作参数，因为工作压力在工艺设计阶段已经设定。与设计工作压力相关的关键参数是氢气压力——氢分压。高氢分压有利于加氢反应， 降低聚合反应，降低结焦沉积，有利于前沥青烯、沥青烯转化。

1.7 空速

悬浮床反应器空间速度被定义为：对于反应器容积(m3)来说，每h以t计的无水(MF)煤的进料速度。较低的空间速度有利于增大残留物转化、液体和气体产出，但经济效益不高。油-煤共炼装置的最小进料量为设计值的70%。空间速度对煤转化的影响非常小或可以忽略不计，因为煤的转化主要与温度有关。

2 固定床反应器的工艺变量

2.1 原料属性

对于固定床反应器，原料变重，需升高床层温度以维持一定的转化率。另外，原料杂质如硫、氮含量的变化对加氢精制和加氢裂化反应影响较大。从脱硫和脱氮反应均属放热反应的角度看，硫和氮的含量升高，都会影响反应温度的上升。但硫含量增加，会产生H2S，导致催化剂活性上升，往往导致床层超温。脱氮产生的铵盐，会使催化剂活性降低。油-煤共炼工艺采用悬浮床和固定床串联流程，正常操作中，悬浮床反应器操作要平稳，避免固定床反应器入口原料性质变化过大。

2.2 循环氢

循环氢作为固定床反应器急冷氢，被加入到固定床反应器中用来控制各催化剂床层入口和出口的温度。除了降温外，急冷氢还可补充反应耗氢，维持整个反应器处在较高的氢分压状态下。

固定床反应器中的循环氢量过低会导致催化剂活性降低，增加焦炭的沉积和加速催化剂的失活。加氢裂化催化剂活性受氢分压影响，为了取得最佳性能，整个工作循环中，在满足反应温度控制的前提下，应尽量使氢循环保持最大，较高的循环量会带走反应放热，使固定床各床层温度处于可控状态。

2.3 氢油比

固定床反应器氢油比的大小、循环氢量大小直接关系到氢分压和物料的停留时间，循环氢的增加可以保证系统有足够的氢分压，有利于加氢反应。此外，过剩的氢气可起到保护催化剂的作用，在一定的范围内可防止油在催化剂表面缩合结焦，同时可及时将反应热从系统带出，有利于反应床层的热平衡，使反应器内温度容易控制平稳。但过大的氢油比会使系统的压降增大，油品和催化剂接触的时间缩短，从而会导致反应深度下降，循氢机负荷增大，动力消耗增大。通常循环氢流量在催化剂整个运转周期内应保持恒定。

2.4 反应温度

对于固定床反应器，提高反应温度，可提高脱硫率、脱氮率，使裂解反应速度加快，生成油中低沸点组分含量增加，气体产率增高。提高反应温度也可加快加氢速度，烯烃的饱和程度也提高，使得产品安定性好。加氢过程是一个放热过程，升温不利于该过程进行，因此实际操作中应选择适当的反应温度。

反应温度的提高会使催化剂表面积炭，结焦速度加快，影响催化剂的寿命。所以，温度条件的选择一般受催化剂活性、操作温度的上限值、产品分布等诸多因素的影响。通常在催化剂活性允许的条件下，应采用尽可能低的反应温度。

催化剂床层温度是反应部分最重要的工艺参数，其它工艺参数对反应的影响，也可通过调整催化剂的床层温度来补偿。催化剂活性下降时，需要相应适当提高反应温度。当进料量减少时，需要降低催化剂床层温度。

加氢精制催化剂床层的温升通常被限制在28℃以下，而加氢裂化床层的温升则被限制在16℃以下，该温升会随着原料和运行时间的不同而变化。在操作中，应按0.5℃、最大1℃的增量来调节固定床反应器入口温度，以满足目标转化率的要求。对催化剂床层进行温度调节时，每次调节后要稳定一定的时间，再进行进一步调节以确定反应程度。当工作温度达到最大允许工作温度、反应器材质温度限值以及反应器床层压降过大时，催化剂必须更换。

2.5 反应压力

固定床系统反应压力的实际影响因素是氢分压。氢分压要在满足设备要求前提下尽可能高。氢分压过低会使催化剂活性降低，导致操作所需温度更高以及装置运行周期变短。提高系统的氢分压，可促使加氢反应的进行，烯烃和芳烃的加氢速度加快，脱硫、脱氮率提高，对胶质、沥青质的脱除有好处，所得产品的溴价低，含硫、含氮化合物少，油品安定性好，同时还可防止或减少结焦，有利于保持固定床反应器催化剂活性，提高催化剂的稳定性。

2.6 空速

固定床反应器中的液时空速定义为：单位体积催化剂每h通过的油的体积数。降低处理量可减小空速，增加催化剂与原料油的接触时间。在低空速下操作时，反应器温度必须降低，既可满足目标转化率要求，还能避免可能的温度剧增。如果进料量提高，反应器温度必须增加，以补偿较高空速下的目标转化率。但温度增加也会导致催化剂失活和开工周期缩短。

对于固定床反应器，由于物料在催化剂中的停留时间延长，在一定的温度下，缩合结焦的机会也随之增加，在VCC加氢工艺中，在调整悬浮床反应器的进料量时，一定要考虑对固定床反应器的影响，要从保护催化剂的角度调整操作。

3 结论

通过以上讨论我们可以发现，各个工艺变量在实际操作中的提高和降低，没有绝对标准化的操作值，相互之间是互为影响的。应根据实际工况（渣油的性质变化、煤质的性质变化、煤浆浓度的变化、催化剂性质和量的变化、总的进料量的变化、氢气量及纯度的变化）等诸多因素的变化，及时调整操作，使油-煤共炼装置处于“安、稳、长、满、优”的状态下运行。

[1] 舒歌平，史士东，李克健.煤炭液化技术[M].北京：煤炭工业出版社，2003.

[2] 高晋生，张德祥.煤液化技术[M].北京：化学工业出版社，2005.

[3] 崔之栋，李嘉珞.煤炭液化[M].大连：大连理工大学出版社，1993.

[4] 陈继军，刘洋，王军.煤油共炼：煤代油战略新选择[N].中国化工报，2012-06-06.

Discussion on Process Variable of Coal-oil Coprocess

SUN Yu-bin
(Department of Production Technology, Shaanxi Yanchang Petroleum Group Oil-coal New Technology Development Company, Yulin 718500, China)

TE 624.4

B

1671-9905(2014)04-0063-03

孙育滨，陕西省靖边县河东油煤新技术开发公司生产技术部，电话：15691221089

2014-02-26