煤炭直接液化工藝與工程

本書可供從事煤炭轉化、煉油領域的工程技術人員及高校有關專業(yè)師生閱讀和參考。

序

前言

第1章緒論1

1.1我國原油與成品油的需求與生產(chǎn)1

1.2我國成品油的生產(chǎn)與消費2

1.3煤炭直接液化的可行性簡要分析3

1.3.1可行性研究報告結論簡介3

1.3.2項目總體優(yōu)化5

1.4煤炭直接液化工程工藝過程綜述6

1.4.1制氫系統(tǒng)8

1.4.2煤炭直接液化系統(tǒng)12

1.4.3煤炭液化產(chǎn)品精制系統(tǒng)17

1.4.4環(huán)境保護系統(tǒng)18

參考文獻25

第2章煤炭直接液化原料煤及前處理26

2.1原料煤及前處理與液化特性的關系26

2.1.1煤化程度與液化特性的關系26

2.1.2煤的巖相組成與液化特性的關系31

2.1.3煤中礦物質(zhì)與液化特性的關系35

2.1.4原料前處理與液化特性的關系38

2.2原料和產(chǎn)品40

2.2.1原煤40

2.2.2原煤篩分浮沉試驗結果49

2.2.3洗精煤原料52

2.2.4煤粉產(chǎn)品52

2.3工藝過程54

2.3.1洗精煤的粉碎54

2.3.2煤粉的干燥55

2.4工藝流程58

2.4.1煤粉加工工藝流程58

2.4.2煤粉加工基本原理58

2.4.3煤粉加工流程概述60

2.5主要操作參數(shù)和操作技術62

2.5.1操作參數(shù)62

2.5.2主要操作技術63

2.6主要設備64

2.6.1磨煤機64

2.6.2熱風爐66

參考文獻67

第3章煤炭直接液化催化劑68

3.1煤炭直接液化催化劑分類、機理與應用69

3.1.1煤炭直接液化催化劑種類69

3.1.2煤炭直接液化催化劑的作用機理69

3.1.3煤炭直接液化催化劑在各工藝中的應用7;

3.2“863”催化劑制備化學72

3.2.1a-FeOOH72

3.2.2r-FeOOH73

3.2.3S-FeOOH75

3.3“863”催化劑制備的原料和產(chǎn)品76

3.3.1主要原料的影響76

3.3.2產(chǎn)品主要質(zhì)量指標的影響因素及工藝調(diào)整原理77

3.4“863”催化劑的制備工藝過程和工藝流程78

3.4.1催化劑制備的工藝過程78

3.4.2催化劑制備工藝流程8;

3.5主要操作錄和控制85

3.5.1工藝控制參數(shù)85

3.5.2工藝控制過程86

3.6主要設備87

3.6.1溢流球磨機87

3.6.2隔膜板框壓濾機89

3.6.3刮板輸送機9;

3.6.4濾餅倉把料器91

3.6.5回轉圓筒干燥機92

3.6.6風掃磨92

3.6.7選粉機95

3.6.8氧化反應器96

參考文獻97

第4章煤炭直接液化98

4.1煤炭直接液化機理98

4.1.1煤炭的結構98

4.1.2煤炭直接液化機理103

4.1.3煤炭直接液化化學反應126

4.2煤炭直接液化工藝過程和工藝條件130

4.2.1煤炭直接液化工藝過程130

4.2.2煤炭直接液化工藝條件161

4.3原料和產(chǎn)品180

4.3.1原料180

4.3.2產(chǎn)品182

4.4工藝流程188

4.4.1神華煤炭直接液化工藝188

4.4.2神華煤炭直接液化項目工藝流程196

4.4.3神華煤炭直接液化項目工藝流程概述207

4.4.4物料平衡和元素平衡214

4.5操作面和主要操作技術219

4.5.1操作參數(shù)219

4.5.2主要操作技術221

4.6主要設備224

4.6.1煤炭液化反應器224

4.6.2煤炭直接液化高溫高壓分離器226

4.6.3煤炭直接液化常壓蒸餾塔226

4.6.4煤炭直接液化減壓蒸餾塔228

4.6.5煤漿加熱爐229

4.6.6減壓壓餾塔進料加熱爐230

4.6.7煤漿混合罐底菜230

4.6.8高壓油煤漿進料菜232

4.6.9反應器循環(huán)菜233

4.6.10減壓壓餾塔塔底菜235

4.6.11煤漿混捏機236

4.6.12煤粉在線質(zhì)量流量計237

4.6.13煤液化高壓差調(diào)壓閥237

參考文獻238

第A章煤炭直接液化油加氫穩(wěn)定240

5.1煤液化油加氫穩(wěn)定的化學反應240

5.1.1烯烴的加氫飽和反應241

5.1.2加氫脫雜原子反應241

5.1.3芳烴部分加氫飽和245

5.2加氫穩(wěn)定催化劑246

5.2.1Ni-Mo類加氫催化劑249

5.2.2預硫化Ni-Mo類催化劑258

5.2.3Ni-W類加氫催化劑273

5.2.4加氫穩(wěn)定催化劑的失活與再生277

5.2.5催化劑的器外預硫化279

5.3加氫穩(wěn)定原料和產(chǎn)品280

5.3.1加氫穩(wěn)定裝置的原料280

5.3.2加氫穩(wěn)定全餾分產(chǎn)物性質(zhì)287

5.3.3加氫穩(wěn)定裝置的產(chǎn)品288

5.3.4溶劑的作用及溶劑的供氫性292

5.3.5加氫穩(wěn)定單元的物料平衡及產(chǎn)品分布310

5.3.6加氫穩(wěn)定單元的元素平衡分析311

5.4加氫穩(wěn)定工藝過程和工藝流程313

5.4.1加氫穩(wěn)定工藝過程313

5.4.2加氫穩(wěn)定工藝流程317

5.5主要操作錄和操作技術322

5.5.1加氫穩(wěn)定過程的主要影響因素322

5.5.2加氫穩(wěn)定裝置的開工、停工操作335

5.5.3沸騰床反應器的操作與控制339

5.6主要設備340

5.6.1高壓進料菜340

5.6.2反應進料加熱爐342

5.6.3反應器344

5.6.4反應器底部循環(huán)菜346

5.6.5高壓分離器350

5.6.6壓縮機352

5.6.7重要的冷換設備358

5.6.8分餾塔加熱爐360

5.6.9分餾塔361

參考文獻363

第6章煤液化輕油的加氫改質(zhì)365

6.1煤液化輕油加氫改質(zhì)的化學反應367

6.1.1加氫脫雜原子反應367

6.1.2芳烴加氫飽和加氫裂化369

6.2加氫改質(zhì)催化劑371

6.2.1加氫精制催化劑的作用376

6.2.2加氫改質(zhì)催化劑的作用381

6.2.3催化劑的裝填與預處理387

6.2.4催化劑的失活與再生389

6.3原料和產(chǎn)品392

6.3.1加氫改質(zhì)裝置的原料392

6.3.2加氫改質(zhì)裝置的產(chǎn)品393

6.3.3加氫改質(zhì)裝置的物料平衡及產(chǎn)品分布407

6.3.4加氫改質(zhì)裝置的元素平衡分析408

6.4加氫改質(zhì)工藝過程和工藝流程410

6.4.1加氫改質(zhì)工藝過程411

6.4.2加氫改質(zhì)工藝流程413

6.5主要操作參數(shù)和操作技術415

6.5.1加氫改質(zhì)過程的主要影響因素415

6.5.2加氫改質(zhì)裝置的開工、停工操作431

6.5.3加氫改質(zhì)裝置的重要操作與控制434

6.6主要設備438

6.6.1進料過濾器438

6.6.2高壓進料菜440

6.6.3反應進料加熱爐441

6.6.4反應器443

6.6.5高壓分離器445

6.6.6高壓換熱器447

6.6.7高壓空冷器449

6.6.8壓縮機450

6.6.9分餾加熱爐451

6.6.10分餾塔453

參考文獻456

第7章煤炭直接液化的輕烴回收458

7.1輕烴回收的原理458

7.1.1吸收過程458

7.1.2解吸過程460

7.2原料和產(chǎn)品461

7.2.1輕烴回收裝置的原料462

7.2.2輕烴回收裝置的產(chǎn)品463

7.2.3輕烴回收裝置物料平衡464

7.3工藝過程和工藝流程466

7.3.1吸收穩(wěn)定的工藝過程466

7.3.2吸收穩(wěn)定的工藝流程470

7.4主要操作參數(shù)和操作技術472

7.4.1主要操作參數(shù)472

7.4.2主要操作技術482

7.5主要設備489

7.5.1氣體壓縮機489

7.5.2吸收塔490

7.5.3解吸塔492

7.5.4穩(wěn)定塔493

7.5.5液氨氣化冷卻器494

7.5.6重沸器496

參考文獻498

第8章氣體脫硫與液化氣脫硫醇499

8.1醇胺法氣體兌硫499

8.1.1典型的化學反應500

8.1.2臟溶劑500

8.1.3煤液化氣體臟的原料和產(chǎn)品502

8.1.4煤液化氣體臟工藝流程505

8.1.5氣體臟的主要操作參數(shù)及操作技術508

8.1.6氣體臟的重要設備516

8.2液化氣脫硫醇516

8.2.1臟醇反應原理516

8.2.2催化劑和助劑517

8.2.3脫醇工藝517

8.2.4煤液化的液化氣臟醇工藝流程521

8.2.5煤液化的液化氣臟醇單元物料平衡523

8.2.6液化氣脫硫醇的重要操作控制因素523

8.2.7液化氣脫硫醇的主要設備525

參考文獻526

第9章煤制氫與氫氣系統(tǒng)優(yōu)化528

9.1煤氣化制氫528

9.1.1煤氣化制氫工藝過程528

9.1.2神華煤炭液化示范工程煤制氫工藝流程544

9.1.3煤制氫原料、產(chǎn)品及物料平衡561

9.1.4煤制氫裝置的重要操作及控制技術564

9.1.5煤制氫裝置的主要設備571

9.2氫氣回收587

9.2.1回收中壓氣中的氫氣587

9.2.2回收干氣中的氫氣588

9.3煤炭直接液化示范項目用氫分析605

9.3.1氫氣的生產(chǎn)607

9.3.2產(chǎn)品含氫及氫氣消耗607

9.3.3煤液化示范工程氫氣平衡及分析611

參考文獻612

第10章煤液化產(chǎn)品的使用及應用前景614

10.1液化氣的應用614

10.1.1丙烷脫氫工藝簡介616

10.1.2煤液化液化氣丙烷組分脫氫制丙烯分析624

10.2石腦油的應用625

10.2.1煤液化石腦油催化重整生產(chǎn)車用汽油626

10.2.2煤液化石腦油生產(chǎn)汽油和芳烴的方案研究631

10.3柴油的應用631

10.3.1柴油餾分的十六烷值與族組成的關系632

10.3.2柴油調(diào)和及添加劑調(diào)配研究635

10.3.3煤直接液化加氫改質(zhì)柴油的發(fā)動機性能及排放試驗655

10.4大比重噴氣燃料的試生產(chǎn)及評價681

10.4.1煤基噴氣燃料餾程分布681

10.4.2煤直接液化燃料試樣的金屬含量683

10.4.3煤基噴氣燃料組成特性684

10.4.4煤基噴氣燃料添加劑相容性685

10.4.5燃料組成與理化性能之間的相關性685

10.4.6煤直接液化噴氣燃料的部分使用性能687

10.4.7煤直接液化噴氣燃料的試生產(chǎn)688

10.5液化殘渣的應用689

10.5.1煤液化殘渣的組成、結構與性質(zhì)690

10.5.2煤液化殘渣的直接利用698

10.5.3煤液化殘渣的溶劑萃取及萃取物應用710

參考文獻723

第11章煤炭直接液化環(huán)境保護724

11.1工藝裝置的環(huán)境保護724

11.1.1備煤裝置724

11.1.2催化劑制備裝置728

11.1.3煤液化裝置730

11.1.4加氫穩(wěn)定裝置731

11.1.5加氫改質(zhì)裝置732

11.1.6煤制氫裝置734

11.1.7空分裝置735

11.1.8輕烴回收裝置735

11.1.9含硫污水汽提裝置736

11.1.10硫黃回收裝置736

11.1.11氣體脫硫裝置737

11.1.12酚回收裝置738

11.1.13油灰渣成型裝置738

11.2燃煤鍋爐及自備電站的環(huán)境保護739

11.2.1工藝流程簡述739

11.2.2主要污染物及處理措施739

11.2.3環(huán)保監(jiān)測結果741

11.2.4自備電站脫硫脫硝技術改造751

11.3酸性氣處理與硫平衡758

11.3.1酸性氣處理758

11.3.2煤炭直接液化項目硫平衡764

11.4污水處理767

11.4.1含硫污水的工藝處理767

11.4.2污水處理場處理779

11.4.3工業(yè)廢水“零排放”實踐794

11.5C02的排放、捕集與地質(zhì)封存795

11.5.1煤炭直接液化示范工程C02排放分析795

11.5.2C02的捕集與地質(zhì)封存799

參考文獻805 2100433B

本書主要論述了當今世界上唯一一套煤炭直接液化工業(yè)示范項目的基礎研究、技術開發(fā)及工業(yè)實踐成果，包括煤炭直接液化各工藝過程的化學反應、催化劑、原料和產(chǎn)品、工藝過程和工藝流程、主要操作參數(shù)和操作技術、主要設備及環(huán)境保護等內(nèi)容。本書內(nèi)容完整、實用性較強，反映了當代煤炭直接液化技術及工程化的最新成果。

煤炭直接液化的工藝過程主要包括原料煤破碎與干燥、煤漿制備、加氫液化、固液分離、氣體凈化、液體產(chǎn)物分餾和精制以及液化殘渣氣化制取氫氣等部分。煤直接液化的主要產(chǎn)品是優(yōu)質(zhì)汽油、噴氣燃料油、柴油和芳烴以及碳素化工原料，并副產(chǎn)燃料氣、液化石油氣、硫磺和氨等。工藝過程熱效率高達70%。

煤直接液化油含有較多的芳烴、氮、氧、硫雜原子和不飽和烴類化合物，氫含量較低，不含渣油，化學性質(zhì)不穩(wěn)定，需要首先加氫精制，然后再用石油精煉技術生產(chǎn)高辛烷值汽油、噴氣燃料油、柴油以及芳烴、碳素化工原料。煤液化油加工的工藝條件主要取決于原料的氫含量、雜原子含量和油的沸點范圍。

加氫精制油是催化裂化和重整的原料油。沸程C₄約400℃的煤液化油的精制是用石油加氫精制催化劑在氫壓8.0MPa的兩段固定床反應器中進行的。第一段溫度230～250℃，主要是油中不飽和物加氫; 第二段溫度400℃，使含氮、氧和硫的化合物加氫裂化，部分芳烴加氫。加氫精制過程的油收率96%，生成氣體3.1%，氫耗1.7%。

汽油和芳烴沸點低于180℃的加氫精制油，含有較多的環(huán)狀化合物，具有很好的重整性。在氫壓4.0MPa、溫度480℃下用鉑催化劑重整，制得初餾點40℃、終餾點180℃的汽油，發(fā)動機法測定的辛烷值大于100，是優(yōu)質(zhì)的汽油摻合料。汽油中芳烴含量10%左右，也是制取苯、甲苯和二甲苯的原料油組成。

噴氣燃料油由沸程180～300℃的加氫精制油，在氫壓4.0MPa、溫度400℃和290℃下進行正構烷烴異構化反應和芳烴催化加氫反應，制得的噴氣燃料油的特點是2～3環(huán)的環(huán)烷烴含量高、密度大(0.8126g/cm3)、結晶溫度低 (-60℃)、熱值高 (43.3MJ/kg)，是極好的噴氣燃料油。

柴油沸程300～400℃的加氫精制油，含氫12.8%、芳烴含量31.8%。除用作煤液化的溶劑外，多余部分經(jīng)過催化加氫裂化，可以得到汽油43.6%，柴油42.3%，氣態(tài)烴15.4%。沸程179～360℃的柴油，十六烷值40左右。由煤液化油制取柴油氫耗較高，約為4%～4.5%。 2100433B

煤直接液化方法主要有溶劑精煉煤法、氫煤法、供氫溶劑法、兩段催化液化法和煤油共煉法。

溶劑精煉煤法(solvent refined coalprocess簡稱SRC) 煤與自身液化油為溶劑制成油煤漿直接加氫的工藝。煤在溶劑中借助高溫和氫壓作用溶解或解聚，進而又發(fā)生加氫裂解，生成較小分子碳氫化合物、輕質(zhì)油和氣體。

按加氫深度的不同，SRC法又分為SRC—Ⅰ和SRC—Ⅱ兩種。SRC—Ⅰ法以生產(chǎn)固體、低硫、低灰、熱值約38.7MJ/kg的溶劑精煉煤為主，用作鍋爐燃料，也可以作為煉焦配煤的粘合劑、煉鋁工業(yè)的陽極焦、生產(chǎn)碳素材料的原料或進一步加氫裂解成液體燃料。SRC—Ⅱ法是SRC—Ⅰ法的改進，煤液化反應器的液態(tài)產(chǎn)物的一部分再循環(huán)，作為配制煤漿的部分溶劑，以生產(chǎn)液體燃料為主。

兩種方法的工藝過程基本相似。煤和液化過程的循環(huán)溶劑制成煤漿，與氫氣混合后，經(jīng)過預熱進入溶解液化反應器，反應產(chǎn)物有氣體、液體和固體殘余物，先分出氣體，液態(tài)混合物再經(jīng)過蒸餾切割出餾分油。在SRC—Ⅰ法中，蒸餾釜底物需要過濾，將液體與未溶解煤及礦物質(zhì)分離，濾液再進行減壓閃蒸，分出重質(zhì)油，剩余物即是溶劑精煉煤 (SRC)。

氫煤法(H-coal process) 采用加壓沸騰床反應器進行煤的催化加氫的液化工藝。煤借助高溫和催化劑的作用，在氫壓下裂解成較小分子的液態(tài)烴類燃料。由美國碳氫化合物研究公司 (HRC) 于1973年開發(fā)，其特點是采用石油渣油的催化加氫裂化的沸騰床反應器和高活性催化劑，由煤直接制取合成原油或潔凈燃料油。

煤的循環(huán)溶劑制成煤漿，與氫氣混合后，經(jīng)過預熱進入裝有顆粒狀Co—Mo/Al₂O₃催化劑的沸騰床反應器。由于反應器的特殊結構，內(nèi)部設有循環(huán)管，底部裝有循環(huán)泵及粒度適當?shù)拿毫：痛呋瘎╊w粒，反應過程中的殘煤、礦物質(zhì)及氣、液態(tài)產(chǎn)物從反應器頂部導出，少部分則由循環(huán)管導出，經(jīng)循環(huán)泵再返回反應器，催化劑仍留于反應器內(nèi)，且保持沸騰狀態(tài)。反應過程中連續(xù)排放少量已使用過的催化劑(每天1%～3%)，新催化劑由反應器頂部補充，以穩(wěn)定床層內(nèi)催化劑的活性。煤漿在氫壓20MPa、溫度425～450℃、煤速240～800kg/(h·m3)、催化劑補充量每噸煤為0.23～1.4kg條件下加氫液化，液態(tài)產(chǎn)物在閃蒸器分出輕質(zhì)油后，用水力旋流器分出循環(huán)溶劑油，然后經(jīng)過常壓、減壓蒸餾切割各種餾分油。

供氫溶劑法(exxon donor sovent process 簡稱EDS) 煤借助供氫溶劑作用，在一定溫度和壓力下溶解加氫液化的工藝。美國?？松芯亢烷_發(fā)公司于1976年開發(fā)，1985年完成日處理煤250t半工業(yè)試驗裝置，煙煤油收率是55%～60%，次煙煤是40%～45%，褐煤是47%，油品主要成分是輕、中質(zhì)餾分油。該法特點是循環(huán)溶劑的一部分在一個單獨的固定床反應器中，用高活性催化劑預先加氫，變成供氫溶劑。

煤和預加氫的供氫溶劑及循環(huán)溶劑制成煤漿，與氫氣混合后，經(jīng)過預熱進入液化反應器，反應溫度420～450℃，壓力 10～14MPa，停留時間為30～100min，液態(tài)反應產(chǎn)物分餾成餾分油和循環(huán)溶劑油。該法液化煙煤時，C₁～C₄氣體烴產(chǎn)率22%，餾分油中石腦油占37%，中質(zhì)油 (180～340℃) 占37%。已利用EDS法設計出日處理11000t煤液化工廠，年出產(chǎn)品130×10t。

兩段催化液化法(CTSL) 煤在2個沸騰床反應器(二段)中，經(jīng)高溫催化加氫裂解成較低分子的液化產(chǎn)物的方法。美國碳氫化合物研究公司 (HRI)開發(fā)，其特點是煤液化反應過程的第一段和第二段都采用高活性的加氫裂解催化劑(Ni、Mo或Co、Mo顆粒狀催化劑) 和沸騰床反應器，2個反應器既分開又緊密相連，使煤的熱溶解和加氫反應各自在最佳反應條件下進行，生成較多的餾分油、較少的氣態(tài)烴，油品質(zhì)量好，氫有效利用率高。

煤和循環(huán)溶劑制成的煤漿，與氫氣混合后，經(jīng)過預熱進入第一段反應器，進行煤溶解，煤熱解的自由基碎片加氫，從而防止了縮聚反應，生成較多的重質(zhì)供氫溶劑;第二個反應器反應溫度較高，使未轉化煤和重質(zhì)油進一步轉變成餾分油，脫除氮、氧和硫雜原子。反應產(chǎn)物首先用氫氣淬冷，然后分成氣態(tài)和液態(tài)產(chǎn)物。液態(tài)產(chǎn)物通過常壓、減壓蒸餾，分出餾分油，殘渣送到臨界脫灰裝置 (CSD)，回收沸點高于402℃的重質(zhì)殘油，用作循環(huán)溶劑。

煤油共煉法煤和石油渣油(重質(zhì)餾分)混合制成的煤漿，借高溫和催化劑作用，進行加氫裂化和液化反應，將煤和渣油同時轉變成餾分油的方法。在反應過程中，渣油作供氫溶劑;煤和灰分促進渣油轉變成輕、中質(zhì)油，防止渣油結焦，吸附渣油中鎳、釩重金屬，由于這種協(xié)同作用，煤油共煉比煤或渣油單獨加工油收率高，氫耗低，可以處理劣質(zhì)油，工藝過程比單獨液化煤簡單，建廠投資低，是發(fā)展煤直接液化的過渡技術。

美國碳氫化合物研究公司(HRI)開發(fā)的兩段煤油共煉法(HRI·COP)是比較先進的技術。石油渣油和煤制成含煤40%～50%的煤漿，同氫氣混合后，經(jīng)過預熱，依次通過裝有顆粒狀的鈷鉬和鎳鉬催化劑的2個沸騰床反應器，在溫度400～470℃、壓力15～20MPa下進行加氫裂化和液化反應，液態(tài)產(chǎn)物用常壓、減壓蒸餾法切割回收輕、中質(zhì)餾分油。