一种荒煤气热量回收、煤焦油预处理装置和应用的制作方法

本发明属于涉及一种荒煤气热量回收、煤焦油预处理装置及应用，属于从煤制备液态烃混合物和煤气。

背景技术：

1、我国能源资源种类分布不均，特点是“富煤、缺油、少气”，即煤炭资源丰富，占化石能源探明储量的94.3%，在一次能源消费总量中也达到了70%左右。在丰富的煤炭资源中，低阶煤储量最大，占已探明储量的55%。在低阶煤的利用中，较难直接作为燃料，但却属于从煤中制备液态烃的优质原料。

2、从低阶煤制备液态烃，主要有两条路线，一是煤直接液化技术，其成本较高。另一种是煤干馏/炼焦技术，基本原理是低阶煤的热解反应，特点是技术简单成熟，得到的焦炭或半焦是优质的燃料和冶金工业所需的还原剂等原料，同时获得液态烃（即煤焦油），进一步加工可以用于生产液态燃料和多种化工原料。

3、煤干馏/炼焦过程中，排出的荒煤气具有较高温度，一般可达600℃以上，占焦炉支出热量的37%左右；荒煤气组成复杂，含有固体焦粉、组成复杂的混合烃、组成复杂的气相、水等。该气体虽然具有丰富的热量，但热量较难回收利用，主要问题在于换热设备的堵塞、结焦及腐蚀等。传统技术中，采用氨水进行喷淋降温，其中的热量全部损失，装置能耗较大。因此，如何有效回收荒煤气中的热量，特别是如何解决回收热量时的设备堵塞、结焦等问题，是本领域重点关注的事项。

4、cn 201310391012.7公开了一种焦炉荒煤气余热回收利用系统，包括换热介质循环系统和补水系统，换热介质循环系统包括换热器组、汽包和强制循环泵，换热器组的进水口通过强制循环泵与汽包的出水口相连接，换热器组的出水口与汽包的进水口相连接，汽包上的蒸汽出口与外界蒸汽管网相连接；补水系统包括缓冲水槽、补水泵、给水泵和除盐除氧水槽，给水泵设置于缓冲水槽和除盐除氧水槽之间，缓冲水槽通过补水泵与汽包相连接。本方案通过设置多个并联的换热器组和增设控制系统，检测到某换热器组发生故障时及时处量，来增加换热系统的安全性和靠性，提高系统安全正常运行性，降低事故发生率。但鉴于荒煤气的特性，换热器组的结焦积垢必然快速发生，即使采用并联方式，在其中一组进行维修时仍对正常操作带来较大的波动和操作难度。

5、cn201410692354.7公开了一种热解荒煤气除尘和油冷回收焦油的系统及方法，包括依次连接的颗粒除尘器、电除尘设备、焦油精制塔、煤气冷却塔和电捕焦油器。本发明在颗粒床除尘器和煤气冷却塔之间设置焦油精制塔，充分利用了煤气自身的热量，通过“精馏原理”将收集到的焦油进一步脱水精制，工艺流程短，所得焦油水分含量低、品质好；该方案将热解煤气所携带的显热直接作为含水焦油在焦油精制塔内精馏的热源，在同一个焦油回收系统内实现了热量的高效利用，目的在于为热解荒煤气冷却和焦油回收精制系统提供了一种全新的热量回收工艺及方法。但该方案中，采用颗粒除尘器、电除尘设备等方式，对于易结焦、易产生油泥状固体物的荒煤气来说，设备的积垢、结焦严重，运转周期受到较大影响。

6、cn201610213831.6公开了一种基于洗涤精馏的荒煤气热量回收系统及方法，荒煤气经过精馏洗涤脱除重质焦油和焦粉，得到高沸点油品和高温荒煤气，高沸点油品和/或高温荒煤气经换热产生高压蒸汽，然后对高压蒸汽进行汽水分离，对分离的蒸汽进行利用。该系统除尘效率高，运行稳定，不易堵塞，并可实现热量充分回收利用。但该系统存在以下不足，（1）虽然通过洗涤方式基本脱除了固体粉尘，解决了携带焦粉引起的设备堵塞问题，但洗涤精馏塔底的温度较高，荒煤气中高沸点组分在高温下易结焦的问题没有解决，仍影响装置运转周期；（2）基于板式塔的精馏塔的原理，虽然设计了专门结构的“穿流塔盘”（见其说明书30段），但物料的结焦物性未变，其结焦问题仍然存在；（3）得到煤焦油的结焦特性未改变，后续加工中存在结焦、堵塞设备的问题仍为突出。

7、cn 201911169496.4公开了一种焦炉荒煤气与焦炭偶合深度脱硫系统及方法，通过设置高温焦炭加氢反应器，无需另外加氢，利用荒煤气自身富含的h2即可完成焦炭的加氢反应，从而将焦炭中的硫转移至煤气中；通过设置催化加氢反应器，采用催化剂使荒煤气的有机硫接近完全转化为h2s，从源头高效深度脱除焦炉煤气中有机硫和无机硫，从而大大降低焦化苯产品和焦炭的硫含量，提高苯产品和焦炭质量，并减轻后续精脱硫的负荷与难度。该方法在高温下（荒煤气中煤焦油组分为气相）进行，比如加氢反应器要控制650~1000℃，在这个条件下，煤焦油组分会进一步脱氢（加氢/脱氢是可逆的，在一定条件下如低温高压下主要为加氢，在一定条件下如高温低压下主要为脱氢），使烃类生成更多不饱和的烯烃、二烯烃、芳烯烃等易结焦物质，不但没有对煤焦油进行预处理，而且给后续煤焦油加工带来更严重的结焦问题。

8、虽然现有技术在荒煤气热量利用方面进行了较多的研究，但未改变其结焦特性，结焦问题没有好的解决方式，结焦造成的影响装置稳定动转问题没有解决。

9、沸腾床加氢反应是本领域传统的重质油加工技术，用于煤焦油的加工处理也有较多研究和工业应用实例。但现有技术中，沸腾床煤焦加氢处理技术，集中于煤焦油的加氢中，并没有延伸到从荒煤气中回收热量的同时处理煤焦油的相关方案。典型方案如cn201811618736.x公开的一种全馏分煤焦油沸腾床-固定床组合处理工艺，所述组合处理工艺为全馏分煤焦油原料与助剂进入预处理罐进行混合，混合处理后进行液固分离，分离后得到的液相物料进入沸腾床加氢反应单元进行加氢反应，得到的反应流出物进入分离罐进行气液分离，分离后得到气相物料和液相物料，所述液相物料分成第一液相物料和第二液相物料两股物流，其中第一液相物料循环回预处理罐；第二液相物料进入固定床加氢反应单元进行加氢反应，反应流出物分馏后得到石脑油、柴油和加氢尾油。

10、煤焦油是从荒煤气中回收的液态混合烃，组分复杂，具有明显的结焦倾向，传统的方式是在缓和的条件下进行加氢，将易结焦的二烯、芳烯类基团进行加氢饱和，缓解后续加工中存在的问题。

11、cn 200710034412.7公开了一种煤焦油的预处理方法，将煤焦油分别与馏分油、芳烃混合进行两步萃取过程将煤焦油中的大部分杂质脱除。该方法煤焦油利用率可达到90％，经过预处理的煤焦油进行加氢改质生产燃料油时，可以延缓加氢催化剂的结焦、延长装置的运行周期。但该方法在预处理步骤仍损失了较多的煤焦油原料，并且两步萃取需要溶剂回收等能耗较大的步骤，运行成本较高。

12、cn 200810030954.1公开一种煤焦油加氢工艺，包括煤焦油进行预处理后得到煤焦油加氢进料；所得煤焦油加氢进料自下而上进入预加氢固定床反应器；所得预加氢生成油自上而下进入主加氢固定床反应器；所得主加氢生成油进入分馏系统，得到汽油馏分、柴油馏分和轻质燃料油馏分。该方案采取上流式预加氢固定床反应器串联下流式主加氢固定床反应器，改变了工艺中物流方向，增加了反应物流在催化剂床层上的停留时间，可有效抑制或减缓煤焦油在高温下的结焦反应、延长煤焦油加氢装置连续运转周期的过程。该方案中，用上流式加氢方式缓解结焦的方式，作用效果有限，只能在催化剂床层堵塞方面有一效果，结焦物使催化剂活性失效的问题仍无法解决。

13、cn 201010621125.8公开了一种煤焦油与焦化馏分油组合加氢方法，包括：(1)煤焦油原料与焦化馏分油原料混合和氢气进入加氢预处理反应器进行脱二稀烃反应；(2)加氢预处理反应器反应流出物与步骤(4)加氢裂化反应流出物经过加热炉加热的物料直接混合，达到加氢处理反应器入口所需温度；(3)加氢处理反应器反应流出物进入分离系统，分离出循环氢、汽油馏分、柴油馏分和重油馏分；(4)步骤(3)重油馏分和循环氢混合进入加氢裂化反应器，加氢裂化反应器反应流出物经加热炉加热后与加氢预处理反应器反应流出物直接混合进入加氢处理反应器。该方案采用预加氢饱和二烯烃的方法，解决煤焦油和焦化馏分油加氢处理装置的结焦问题。

14、煤焦油从荒煤气中回收的单元，与后续的加工单元是独立的，之间需经过储存、运输等环节，在这些环节中，煤焦油结焦前身物在氧（荒煤气存在少量氮、储存运输不可避免接触氧）、活性硫等作用下，形成了初步聚合，这些初步聚合物在温度升高后极易形成结焦物，因此后期解决煤焦油在加工中的结焦问题时难度大、效果不理想。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种荒煤气热量回收、煤焦油预处理装置，本发明装置将荒煤气热量回收和煤焦油预处理现有技术在两个单元中完成的工作，有机结合在一个装置中，在荒煤气热量回收的同时，改变了煤焦油的结焦特性，保证了热量回收装置的操作稳定，同时为后续加工单元对煤焦油进行了有效预处理，有效解煤焦油后续加工中的结焦问题。

2、本发明荒煤气热量回收、煤焦油预处理装置，包括以下内容：

3、（1）沸腾床加氢反应器，包括立式筒体和内部构件；

4、（2）沸腾床加氢反应器内部构件包括：中部设置换热器，上部设置气液固三相分离器；

5、（3）沸腾床加氢反应器底部设置进料口，顶部设置气相物料出料口，气液固三相分离器位置侧壁设置液相出料口；

6、（4）沸腾床加氢反应器内热换器位置填充微球形催化剂或微球形惰性填料；

7、（5）在使用状态下：微球形催化剂或微球形惰性填料呈沸腾状态，冲刷换热器管束外表面；在气液固三相分离器区域，分离的气相从反应器顶部排出，液相从液相出料口排出，微球形催化剂或微球形惰性填料循环回反应器中部和下部。

8、本发明装置中，沸腾床加氢反应器立式筒体包括上封头、下封头、中部圆柱形筒身。

9、本发明装置中，换热器为列管式换热器，列管之间的间隙为微球形催化剂或微球形惰性填料直径的3倍以上，优选为3~20倍，最优选为5~10倍。列管式换热器为本领域常规结构换热器，优选管束垂直设置。为防止物料局部堵塞，在满足换热面积要求的前提下，管束间的间隙尽量大，保证沸腾状态物料的流动性。

10、本发明装置中，三相分离器为两端开口的双套筒结构，外层套筒上沿高于内层套筒上沿，外层套筒下沿高于内层套筒上沿；外层套筒与沸腾床加氢反应器筒体之间为液相区，双套筒之间为固体颗粒沉降区，内层套筒内为气液固物料上升区。

11、本发明装置中，三相分离器内层套筒上部为圆柱筒，下部为圆台筒结构。外层套筒与沸腾床加氢反应器筒体之间为液相区对应的反应器壁位置设置液相物料出口。

12、本发明装置中，三相分离器对应的反应器筒体为直径扩大的结构。

13、本发明装置中，内部构件包括物料分布器，物料分布器设置在沸腾床加氢反应器内下部。

14、本发明装置中，三相分离器采用中国石化抚顺石油化工研究院研究设计的沸腾床加氢反应器的三相分离器结构，包括该三相分离器的沸腾床加氢反应器已经在工业上取得较好使用效果，具体可参见相关专利，如cn 200810012191.8等。

15、本发明装置中，微球形催化剂或微球形惰性填料的直径为0.2~1.2 mm，优选为0.4~0.8 mm；优选地，微球形催化剂或微球形惰性填料的装填量静止状态下为反应器容积的5%~60%，优选为10%~40%。微球形催化剂为具有加氢活性的加氢催化剂，微球形惰性填料为不具催化活性的惰性氧化铝微球、陶瓷微球等。鉴于在该反应体下，微球形催化剂的活性丧失较快，所以优选微球形惰性填料，或其它沸腾床加氢装置外排的废沸腾床加氢催化剂。微球形催化剂或微球形惰性填料的主要作用是对换热器管束表面进行冲刷，有效控制热器管束积垢结焦，长周期保持高的换热效率。

16、本发明提供一种荒煤气热量回收、煤焦油预处理装置的应用，炼焦装置或煤干馏装置导出的荒煤气直接进入沸腾床加氢反应器，在热量回收的同时进行煤焦油预处理。

17、本发明应用中，沸腾床加氢反应器内平均反应温度为180~420℃，优选220~380℃，最优选260~350℃，通过换热方式控制反应温度并回收荒煤气的热量；沸腾床加氢反应器顶部排出的气相采用换热和/或氨水喷淋降温后回收轻质煤焦油和煤气；沸腾床加氢反应器排出的液相物料（含有悬浮固体物，本技术中，为表述方便，沸腾床加氢反应器排出的液相物料中含有悬浮固体物，仍称为液相物料，此悬浮固体物不包括微球形催化剂或微球形惰性填料），分离出固体杂质后得到重质煤焦油。

18、本发明应用中，所述的炼焦装置或煤干馏装置为以煤为原料，进行热处理，生产焦炭、半焦，副产煤焦油、煤气的装置。

19、本发明应用中，荒煤气温度为450~850℃，优选为600~800℃。

20、本发明应用中，沸腾床加氢反应器反应压力为常压，或通过增加方式在不高于6mpa表压下操作。增压的操作方式有利于加氢反应的进行，但增加设备投资和操作费用，可根据实际具体调整。

21、本发明应用中，沸腾床加氢反应器引入荒煤气之前充填至少一半容积的重油，同时加入微球形催化剂或微球形惰性填料，重油在反应条件下保持液相状态。

22、本发明应用中，所述的重油可以来自本装置的重质煤焦油或其它重质烃类。

23、本发明应用中，在沸腾床加氢反应器内添加重油悬浮床加氢催化剂，包括粉末状悬浮床加氢催化剂、水溶性悬浮床加氢催化剂或油溶性悬浮床加氢催化剂，悬浮床加氢催化剂含有元素周期表中ⅵb族和ⅷ族中至少一种元素的物质。悬浮床加氢催化剂为含有钴、钼、镍、钨、铁中至少一种元素的物质。

24、本发明应用中，以元素重量计，悬浮床加氢催化剂添加剂加入量为50~50000μg/g，优选100~10000μg/g，最优选500~5000μg/g。

25、本发明应用中，粉末状悬浮床加氢催化剂为50目过筛通过物，优选100目过筛通过物，最优选200目过筛通过物。

26、本发明应用中，悬浮床加氢催化剂含有钴、钼、镍、钨、铁中的氧化物、硫化物、硫酸盐、有机化合物中的一种或几种。

27、本发明应用中，粉末状悬浮床加氢催化剂为废加氢催化剂粉末；优选废加氢催化剂中在重油保护状态下湿法粉碎后添加使用。

28、本发明应用中，悬浮床加氢催化剂可以按本领域现有技术制备。如cn200510047529.x公开的分散型（固体粉末）悬浮床加氢催化剂，cn 01106013.1公开的油溶性悬浮床加氢催化剂，cn 02109397.0公开的水溶性悬浮床加氢催化剂，也可以是其它现有技术中的悬浮床加氢催化剂，最简便有效的是废加氢催化剂粉碎后使用。

29、本发明应用中，沸腾床加氢反应器按外排重质煤焦油部分循环方式操作，以保持微球形催化剂或微球形惰性填料的沸腾状态。沸腾床加氢反应器按外排重质煤焦油（不包括循环量）液相计的液时体积空速为0.1~10 h-1，优选0.4~3 h-1。

30、本发明以荒煤气的热量回收的同时对煤焦油进行预处理为目标，取得如下技术效果：（1）荒煤气的热量回收与煤焦油的预处理有机耦合，改变现有技术在后续煤焦油加工单元进行预处理的方式，实现煤焦油回收中同步预处理，解决了荒煤气的热量回收装置结焦等稳定操作问题，同时解决了煤焦油回收后后续加工前之间的工段中形成结焦前体加剧结焦问题，简化了后续加工单元的流程和设备；（2）采用沸腾床加氢反应器，其中的加氢催化剂为悬浮床催化剂，沸腾床指的是沸腾状态的微球形催化剂或微球形惰性填料，在微球形催化剂或微球形惰性填料的冲刷作用下，换热器管束表面不易积垢和结焦，可长周期保持较高的换热效率；（3）虽然悬浮床加氢是加氢效果相对较弱的方式，但煤焦油在未经后续储存运输中形成结焦前体之前，经简单的悬浮床加氢即可对二烯、芳烯类基团有效加氢，相比在煤焦油加氢单元更为容易有效；（4）工艺过程简单，利用煤焦油在荒煤气中的状态和性质，利用荒煤气中存在的氢，一个过程实现了热量回收、煤焦油回收、煤焦油预处理多个功能，有利于降低设备投资；（5）沸腾床加氢、悬浮床加氢工艺及催化剂虽然属于本领域现有技术，但主要应用目的是将重烃类进行加氢裂化获得轻质烃产物。因悬浮床加氢技术的加氢效率相对较低，没有现有技术将悬浮床加氢用于煤焦油的预处理，并且本发明方法中，也不是直接将沸腾床和悬浮床加氢用于回收后煤焦油的预处理，而是在煤焦油回收过程热量回收的同时进行预处理，并且因为避免了处理、储存、运输中结焦聚合前体初步生成前进行预处理以及换热器表面的积垢结焦，实现以加氢效果较差的方式获得较好的预处理结果，以沸腾的微粒保持换热器的清洁。（6）沸腾床加氢反应器属于接近全返混状态，物料混合充分，反应器内温度均匀，有利于控制结焦反应。（7）沸腾床的全返沸物流状态，使悬浮床加氢的效果进一步提升。