沈 東,姚峻峰，魯曉峰，康紅艷，穆秋艷，侯戌琪（中國(guó)五洲工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，北京100053）

引 言

煤焦油是煤炭在熱解或氣化過(guò)程中得到的液體產(chǎn)品。根據(jù)熱解溫度不同，煤焦油可分為低溫煤焦油（450 ℃～650 ℃）、中低溫煤焦油（600 ℃～800 ℃）、中溫煤焦油（700 ℃～900 ℃）和高溫煤焦油（1 000 ℃左右）[1]。據(jù)相關(guān)報(bào)道[2-3]，2015 年國(guó)內(nèi)中高溫煤焦油產(chǎn)量突破2 000 萬(wàn)t，2018 年國(guó)內(nèi)中低溫煤焦油產(chǎn)量為750 萬(wàn)t。

2012 年，國(guó)家能源局印發(fā)的《國(guó)家能源科技“十二五”規(guī)劃》中將“煤焦油加氫制清潔燃料”列為重大技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目。2014 年，國(guó)務(wù)院印發(fā)的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020 年)》中明確指出：以新疆、內(nèi)蒙古、陜西、山西等地為重點(diǎn)，穩(wěn)妥推進(jìn)煤制油技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化升級(jí)示范工程，掌握核心技術(shù)，形成適度規(guī)模的煤基燃料替代能力[1]。近年來(lái)，一些高等院校、科研院所、設(shè)計(jì)單位及民營(yíng)企業(yè)的研究人員圍繞煤焦油加工利用進(jìn)行了大量的科研和實(shí)踐，形成了不同預(yù)處理+加氫技術(shù)專利及示范工程，推動(dòng)了我國(guó)煤焦油加工制備燃料油的技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展。

1 中低溫煤焦油加氫技術(shù)進(jìn)展

煤焦油加氫是一種生產(chǎn)輕質(zhì)燃料油工藝，即利用加氫精制、加氫裂化和加氫改質(zhì)原理，脫除煤焦油中硫、氮、氧、氯和金屬等雜質(zhì)和不飽和烴，使煤焦油中大分子烴類裂解為小分子烴類，并異構(gòu)化，生產(chǎn)出清潔優(yōu)質(zhì)的燃料油和液化氣。煤焦油加氫技術(shù)是以高活性、高選擇性和穩(wěn)定性催化劑體系為核心，通過(guò)多種技術(shù)組合來(lái)有效抑制結(jié)焦、控制反應(yīng)熱、實(shí)現(xiàn)不同性質(zhì)的煤焦油原料加氫改質(zhì)。

煤焦油中含有一定量的雜質(zhì)、水分和鹽類物質(zhì)，在加氫反應(yīng)前，首先要對(duì)煤焦油進(jìn)行預(yù)處理：由于煤焦油中金屬含量高，要求合適的保護(hù)劑級(jí)配；氧含量高，要求催化劑水熱穩(wěn)定性好；氯含量高，對(duì)加氫系統(tǒng)材質(zhì)要求高；氮含量高，要求催化劑活性高；膠質(zhì)體、瀝青質(zhì)含量高，要求加氫催化能進(jìn)行解聚，減緩生炭。

根據(jù)預(yù)處理工藝的不同，煤焦油加氫技術(shù)可分為煤焦油切割輕餾分加氫、延遲焦化加氫、懸浮床加氫、沸騰床加氫、寬餾分加氫、全餾分加氫等。

1.1 切割輕餾分加氫工藝技術(shù)

此技術(shù)為減壓蒸餾耦合固定床技術(shù)，通過(guò)蒸餾預(yù)處理去除煤焦油內(nèi)的雜質(zhì)、水分、鹽類、金屬元素等物質(zhì)，以保證產(chǎn)品油的質(zhì)量。煤焦油通過(guò)原料預(yù)處理——蒸餾裝置，將約30%的煤瀝青切割分離，剩余65%～70%（低于370 ℃的餾分，為輕油）作為加氫裝置進(jìn)料。該技術(shù)煤焦油利用率較低，輕油收率低，柴油油品密度大，十六烷值低，切除的瀝青軟化性強(qiáng)、延展度低，不適合在建筑材料的生產(chǎn)加工上使用。由于此工藝能保證后續(xù)加氫穩(wěn)定運(yùn)行，早先建設(shè)的煤焦油加氫裝置基本采用減壓蒸餾耦合固定床加氫工藝，新建煤焦油加氫裝置大多也還在采用此技術(shù)。該技術(shù)由于原料利用率低，近30%的切割重油無(wú)法利用，進(jìn)而影響煤焦油加氫總體效益。

1.2 延遲焦化加氫工藝技術(shù)

延遲焦化固定床加氫技術(shù)是在對(duì)中低溫煤焦油進(jìn)行全餾分裂解的過(guò)程中，為加快裂化反應(yīng)并使反應(yīng)徹底進(jìn)行，把生成的膠質(zhì)和瀝青變成焦炭，然后通過(guò)加氫反應(yīng)產(chǎn)出柴油和汽油。煤焦油先焦化，產(chǎn)生約15%的焦炭、3%～8%的液化氣+ 干氣，剩余的77%～82%進(jìn)煤焦油加氫裝置。從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上來(lái)看，煤干餾煉焦得到副產(chǎn)品煤焦油，焦化工藝又把煤焦油變成了焦炭，相當(dāng)于部分產(chǎn)品又回到了原點(diǎn)。該技術(shù)煤焦油的利用率較低，油品收率低；低附加值產(chǎn)品焦炭量較多。

延遲焦化技術(shù)能夠提高產(chǎn)品生成率，對(duì)設(shè)備的磨損消耗程度也非常小，但是因?yàn)椴僮鞴に囕^為繁瑣，整體來(lái)看利用效率并不高。

1.3 沸騰床加氫工藝技術(shù)

沸騰床加氫工藝技術(shù)主要包括原料預(yù)處理、沸騰床加氫、加氫精制、加氫裂化、產(chǎn)品分餾，典型工藝流程示意圖見圖1。沸騰床加氫效率高，適用于易結(jié)焦、有堵塞催化劑床層固體顆粒物、金屬Ni 和V 質(zhì)量分?jǐn)?shù)在150×10-6～800×10-6的原料。此工藝技術(shù)產(chǎn)生約5%的加氫尾油，尾油可作為燃料油，環(huán)保及經(jīng)濟(jì)效益稍差。

圖1 沸騰床加氫工藝流程示意圖

1.4 懸浮床加氫工藝技術(shù)

懸浮床預(yù)處理耦合固定床技術(shù)典型工藝流程示意圖見圖2。脫水、脫雜質(zhì)后的煤焦油首先經(jīng)過(guò)原料預(yù)處理、分餾，將煤焦油分離成＜230 ℃輕油，230 ℃～370 ℃中油和＞370 ℃重油（包括瀝青）3 個(gè)餾分；＜230 ℃餾分采用酸堿洗滌的方法，將其中的粗酚分離出來(lái)，獲得具有高附加值的酚類和脫酚油；重油餾分采用懸浮床加氫裂化，產(chǎn)出油中＜370 ℃餾分油與前述的脫酚油和中油餾分一起去加氫精制，生產(chǎn)1#煤基氫化油和2#煤基氫化油，＞370 ℃的重質(zhì)裂化油循環(huán)再裂化。

圖2 懸浮床加氫技術(shù)工藝流程示意圖

該工藝采用氫氣、煤焦油、催化劑氣- 液- 固三相循環(huán)接觸，提高了煤焦油的轉(zhuǎn)化率，但實(shí)際上有3%～5%的含催化劑粉末的焦油渣排出，目前這部分焦油渣并沒(méi)有好的解決辦法，采用堆積存放，實(shí)際上目的產(chǎn)品對(duì)原料的收率約82%。另外，懸浮床加氫工藝復(fù)雜，投資大，操作、管理要求高，有5%的殘?jiān)枰幚淼沫h(huán)保問(wèn)題也比較突出。目前國(guó)內(nèi)只有2 家企業(yè)采用此技術(shù)，推廣難度較大。

1.5 寬餾分加氫工藝技術(shù)

寬餾分煤焦油加氫技術(shù)是專門針對(duì)高含塵、高含鹽煤焦油原料開發(fā)的技術(shù)，其工藝流程示意圖見圖3。

圖3 寬餾分加氫技術(shù)工藝流程示意圖

該技術(shù)主要對(duì)預(yù)處理部分做了升級(jí)改進(jìn)，預(yù)處理工序采用膜脫鹽、輕油萃取，進(jìn)一步提高了煤焦油原料中的塵、水、鹽、金屬和強(qiáng)極性有機(jī)物的脫除率，同時(shí)還可飽和大部分二烯烴、苯乙烯等易結(jié)焦前驅(qū)物，脫除部分硫、氮、氧等雜質(zhì)，初步改善煤焦油加氫進(jìn)料的穩(wěn)定性，以保證后續(xù)加氫工段的催化劑活性穩(wěn)定、裝置的平穩(wěn)操作和連續(xù)長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.6 全餾分固定床加氫工藝技術(shù)

現(xiàn)有煤焦油固定床加氫技術(shù)主要存在以下問(wèn)題：（1）煤焦油中機(jī)械雜質(zhì)、灰分、易生焦物質(zhì)（殘?zhí)?、膠質(zhì)瀝青質(zhì)、烯烴）含量高，易在換熱器、加熱爐和催化劑表面或床層間沉積堵塞結(jié)焦；（2）煤焦油中金屬鐵、鈣含量高，容易造成催化劑中毒失活、催化劑床層結(jié)垢；（3）柴油產(chǎn)品十六烷值低（＜40）。

全餾分固定床加氫技術(shù)在煤焦油中添加絮凝劑，通過(guò)過(guò)濾預(yù)處理技術(shù)，脫除煤焦油中的金屬、雜質(zhì)、微量水分（煤焦油中金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜20×10-6)，再配合加氫催化劑級(jí)配技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了煤焦油原料的全餾分加氫，原料預(yù)處理裝置收率大于99%，產(chǎn)品1#和2#煤基氫化油對(duì)原料的收率達(dá)到95%以上，沒(méi)有瀝青和加氫尾油的產(chǎn)出（尾油返回?zé)捴疲?。該技術(shù)具有工藝流程短、操作費(fèi)用低、產(chǎn)品收率高、效益高等特點(diǎn)，同時(shí)油品質(zhì)量好，柴油質(zhì)量達(dá)到國(guó)V 標(biāo)準(zhǔn)。新疆某企業(yè)的煤焦油裝置采用該技術(shù)，在煤焦油利用率、油品品質(zhì)方面優(yōu)勢(shì)明顯，但是裝置運(yùn)行一年多，期間經(jīng)歷了幾次停車、更換催化劑，影響了項(xiàng)目的長(zhǎng)周期滿負(fù)荷運(yùn)行。

2 中低溫煤焦油加氫工程化及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

2.1 中低溫煤焦油加氫的工程化

目前，除懸浮床技術(shù)外，上述煤焦油加氫技術(shù)在我國(guó)都有工業(yè)運(yùn)行項(xiàng)目，懸浮床加氫技術(shù)方面也做了大量的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，承接國(guó)家計(jì)劃課題，積極推動(dòng)示范裝置的建設(shè)。以新疆哈密地區(qū)煤焦油為原料，對(duì)建設(shè)規(guī)模為40 萬(wàn)t/a 的某煤焦油加氫裝置進(jìn)行技術(shù)比較，幾種加氫技術(shù)的對(duì)比見表1。

表1 幾種加氫技術(shù)對(duì)比

從表1 可看出, 采用寬餾分加氫工藝投資最大，主要原因是其預(yù)處理流程較長(zhǎng)。全餾分加氫和沸騰床加氫投資相近，由于懸浮床加氫技術(shù)無(wú)工程化業(yè)績(jī)，投資估算誤差較大，其投資預(yù)計(jì)與沸騰床相近。從運(yùn)行周期看，輕餾分加氫技術(shù)與延遲焦化加氫技術(shù)運(yùn)行周期都有超過(guò)一年的業(yè)績(jī)；沸騰床加氫技術(shù)目前還沒(méi)有運(yùn)行超一年的記錄，專利商介紹可連續(xù)運(yùn)行兩年，建議建設(shè)單位關(guān)注沸騰床技術(shù)運(yùn)行業(yè)績(jī)；全餾分加氫技術(shù)采用新的預(yù)處理技術(shù)（藥劑絮沉與過(guò)濾），也值得關(guān)注。

幾種煤焦油加氫技術(shù)產(chǎn)品收率、輕油收率（1#、2#、3#煤基氫化油收率之和）和工程業(yè)績(jī)情況見表2。

表2 幾種加氫技術(shù)主要產(chǎn)品收率、輕油收率及工程業(yè)績(jī)

從表2 可以看出，僅從產(chǎn)品收率及油品品質(zhì)方面來(lái)說(shuō)，絮凝劑過(guò)濾預(yù)處理耦合全餾分煤焦油加氫技術(shù)具有較大優(yōu)勢(shì)，輕油收率可達(dá)95%，其柴油的密度、硫、氮含量符合國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)，十六烷值平均值達(dá)到國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)（5#、0#、-10#要求不小于46），總體指標(biāo)在煤焦油加氫技術(shù)中處于領(lǐng)先地位。

2.2 煤焦油加氫的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

仍以年處理40 萬(wàn)t 煤焦油的某裝置為例，分析沸騰床加氫技術(shù)與全餾分加氫技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益。不同技術(shù)煤焦油加氫裝置的消耗數(shù)據(jù)和成本分析數(shù)據(jù)分別見表3 和表4。

表3 不同技術(shù)煤焦油加氫裝置的消耗數(shù)據(jù)

表4 不同技術(shù)煤焦油加氫裝置的成本分析 萬(wàn)元

從表3 可看出，全餾分加氫技術(shù)氫氣消耗低于沸騰床加氫技術(shù)，但是輔助材料消耗全餾分加氫為沸騰床加氫的5 倍，原因是全餾分加氫藥劑（絮凝劑）消耗費(fèi)用比較高，約6 000 萬(wàn)元/a。公用工程部分除生產(chǎn)水、凝結(jié)水、低壓蒸汽及燃料氣消耗略高于沸騰床加氫，其余指標(biāo)均低于沸騰床加氫。

從表4 的成本分析看，全餾分加氫成本較沸騰床加氫低約100 元/t。加工1 t 煤焦油總成本費(fèi)用接近4 000 元。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)幾種中低溫煤焦油加氫工藝的分析、油品收率和技術(shù)經(jīng)濟(jì)的比較，得出以下結(jié)論：合適的預(yù)處理工藝，可獲得較高的煤焦油收率，進(jìn)而確保煤焦油加氫整體收率，并減少渣油的外排，環(huán)境效益也較為明顯。催化劑級(jí)配技術(shù)合理的全餾分加氫工藝，油品收率和油品品質(zhì)方面優(yōu)勢(shì)較明顯。沸騰床工藝和全餾分加氫工藝工業(yè)化投資相近，噸油總成本相差不大，工業(yè)化前景較好，但沸騰床工藝有待進(jìn)一步提高油品品質(zhì)。