煤焦油加氢工艺概述

郑发元

（甘肃钢铁职业技术学院，甘肃 嘉峪关 735100）

在国家能源发展规划中，指出“着力提高清洁低碳化石能源和非化石能源比重，大力推进煤炭高效清洁利用，科学实施传统能源替代，加快优化能源生产和消费结构”，而煤化工是以煤炭为主要原料生产化工产品的行业，大力发展煤化工，以工业强国为举措，技术技能型人才为基础。新型煤化工是我国未来能源的发展方向，新型煤化工是指煤制烯烃、煤制天然气、煤制油、煤制二甲醚和煤制乙二醇等。煤焦油加工工业是随着传统的炼焦工业发展而发展起来的。煤焦油传统加工方法以物理分离、提取单组分或窄馏分产品为目标，从煤焦油中提炼洗油、轻油、蒽油、工业萘、粗酚及劣质沥青等产品。随着人们对环境的要求越来越高，在全世界都重视可持续发展的今天，所面临的形势严峻可想而知。煤焦油是煤炭在干馏过程中所得到的一种液体副产物，2018 年煤焦油产量为1806 万t，其中中低温煤热解油年产量已超过500 万t。

煤焦油加氢技术是一个新的探索，是开发新型煤焦油清洁利用技术探索的主要方向；可延长产业链，提高资源利用率，减少环境污染，提取高附加值产品。我国的车用燃料未来市场有很大缺口，煤焦油加氢制取燃料油将是煤焦油加工利用的一条新途径，对能源可持续发展也具有重要战略意义[1]。本文结合煤焦油的发展，就煤焦油加氢的具体工艺简单论述。

1 原料预处理单元

预处理部分采用了高速离心分离(卧螺离心机)技术、萃取沉降分离技术、膜强化传质技术等。萃取混合油温度进入膜脱盐设施。在膜脱盐设施中注入除盐水，脱除油中盐类化合物。除盐水中加入一定量的脱金属剂，然后与混合油从膜脱盐设施的上面并流而下，流入底部的卧式沉降罐，在沉降罐中进行三相分离，上部为净化煤焦油，中部出含油、含酚污水，底部出萃取重油。萃取重油的热值较高，可作为锅炉燃料，或送热电厂发电。净化煤焦油（水含量小于1%）进入常压脱水塔，将净化煤焦油中水分控制在0.2%以下，后进入自动反冲洗过滤器，脱除25um 以上固体颗粒，再进入液相加氢装置液相预加氢进料缓冲罐。

2 煤焦油液相加氢单元

预处理后的煤焦油进入液相加氢装置，进行加氢脱硫、脱氧、烯烃饱和等。液相加氢主要目的，一是提高煤焦油的热稳定性，延长加氢精制装置的运行周期；二是脱除硫、氮、氧杂元素，降低煤焦油极性，使生成油与煤焦油中金属、灰分、结焦前驱物，延长加氢精制催化剂的寿命。焦油加氢过程中的主要操作参数有反应压力、反应温度、氢油比和空速等。

提高反应压力，能加快氢气在油品中的溶解速度，并能提高氢气的溶解浓度，有利于反应进行，反应速度加快，反应深度加深。但反应压力提高到一定程度，当氢气已全部溶解入油品中后，反应压力对加氢反应的影响将降低，且过高的反应压力会增加装置的承受压力。

提高反应温度，有利于加氢反应的进行，反应速度加快，油品中杂质脱除越彻底，但同时聚合、结焦反应增加，催化剂表面积炭速度加快，加氢生成油的极性下降，同时加氢反应是一个放热反应，加氢产生的化学热同样可以提高反应温度，因此温度因在一定范围内适度提高为宜。

适当提高氢油比，原料分子浓度增加，有利于加氢反应的进行，产品杂质含量降低，聚合、结焦反应减少，催化剂结焦速度减缓，但过大的氢油比会导致反应体系气相体积增加，破坏反应物相态，反而降低反应效率。

空速减少，反应物在催化剂上的停留时间增加，有利于加氢反应的进行[2]。但空速过低，催化剂积炭速度加快，氢耗增加，装置加工能力下降。

液相加氢技术具有低温加氢活性高、催化剂用量少、化学热温升小、反应效率高的特点，适合应用于焦油加氢方面。

3 煤焦油加氢精制单元

煤焦油加氢精制过程的主要反应包括：含硫、含氮、含氧化合物等非烃类的加氢分解反应；烯烃和芳烃（主要是稠环芳烃）的加氢饱和反应[3]；此外还有少量的开环、断链和缩合反应。这些反应还包括一系列平行反应，构成复杂的反应网络，而反应深度和速率往往取决于煤焦油原料的化学组成、催化剂以及过程的工艺条件。

煤焦油加氢过程中的操作变量主要有反应压力（氢分压）、反应温度、氢油比和空速等。

煤焦油加氢反应是体积缩小反应。提高压力，有利于加氢反应进行，反应速度加快，反应深度加深，缩合反应减少，积碳和结焦趋向减少；但压力过高又会影响到煤焦油加氢的经济性，操作费用增加。提高温度，有利于加氢反应的进行，反应速度加快，硫、氮、氧和金属等杂质脱除越彻底。但同时聚合、结焦反应增加，催化积炭速度加快，反应热增加。因此温度应在一定范围内并适度提高为宜。

提高氢油比，原料分子浓度增加，有利于加氢反应的进行，产品质量提高，聚合、结焦反应减少，催化剂结焦速度减缓，并可及时带走反应热；但氢油比太高，会增加装置的能耗和氢气的损耗。提高氢油比的方法有：提高压力；增加压缩机排量等。

空速减少，反应物在催化剂上的停留时间增加，有利于加氢反应的进行；但空速过低，加氢裂化反应加剧，聚合、结焦反应增加，催化剂积炭速度加快，氢耗增加。

4 分馏部分工艺单元

实现分馏过程的设备被称为分馏塔，或因其实际用途及分馏的精度不同可称为蒸馏塔、汽提塔或精馏塔。待分离的混合物在塔内被加热汽化为气相从下向上流动，遇到向下流动、温度相对较低的液相混合物后二者进行热交换形成温度相同的体系，气相温度降低而液相温度升高，气相中相对沸点较高的物质（或者说相对挥发度较低的物质）由于温度降低从气相变为液相而放出热量，同时液相由于吸收了气相放出的热量而温度升高，温度升高导致液相中沸点相对较低的物质吸收热量从液体变成气体。这一过程是一个气相向液相传递热量的过程--即传热过程；同时，气相中相对沸点较高的物质从气体变为液体进入液相、液相吸收热量后沸点相对较低的物质从液体变成气体进入了气相，就发生了气相与液相之间互相传递物质的过程--即传质过程。

根据分馏的原料性质和分馏要求不同，在分馏塔中安装有许多塔盘。主要分为两大类即塔盘类和填料类。其中应用较广的就是浮阀塔盘。浮阀塔盘上开有许多孔，并在开孔处安装有可以上下活动的盖板（即浮阀），液体在塔盘上方流过，而气体由于压力的作用顶起浮阀通过塔盘上的开孔冲开液体向上流动。这样就完成了一次气液接触过程----即完成了一次传质传热的分馏过程。介质每通过一层塔盘就完成一次分馏过程，随着从塔底到塔顶温度由高到低的变化的同时，介质在塔盘上完成了混合物的沸点从高到低的分馏过程，这样从塔顶排出介质的沸点就低，而从塔底排出介质的沸点就高。

5 加氢裂化工艺单元

煤焦油加氢裂化是指在催化剂和氢气存在下，煤焦油加氢精制生成油中柴油和蜡油馏分中的烯烃和芳烃分子发生加氢反应使其饱和，同时烃类化合物在具有酸性功能活性中心发生催化裂解，碳链断裂，生成分子量较小的烃类化合物[4]。为了防止加氢裂化催化剂中毒，结焦等，在加氢裂化催化剂还装有深度加氢精制催化剂，进行加氢脱除硫、氮、氧，以及烯烃和芳烃加氢饱和。通过加氢裂化可以将蜡油轻质化为石脑油、柴油组分，同时煤焦油加氢柴油的密度降低，柴油凝点降低、十六烷值增加，从而改善油品的稳定性、颜色、气味和燃烧性能，满足更高国家柴油质量标准。煤焦油加氢改质反应的特点是：深度加氢难度大、易结焦、反应热大、氢耗大、催化剂性能要求高。焦油加氢裂化采用的催化剂体系具有活性高、良好裂化选择性和稳定性、产品质量好、收率高的有点。

煤焦油加氢可以提高所生产燃料油的质量，丰富我国能源结构，减小我国能源的对外依从度，从国家能源战略来看具有重大意义。