沥青质的水蒸气热等离子体裂解处理方法

摘要

本发明公开了属于石油化工领域一种针对沥青质的水蒸气热等离子体裂解处理工艺，该工艺包括：S1：原料沥青质通过输送气体进行雾化；S2：雾化的沥青质与水蒸气热等离子体射流混合发生反应，反应得到气固两相产品；S3：将气固两相产品分离：收集固相产品，获得固相碳材料；气相产品通过淬冷，得到含有合成气(一氧化碳、氢气)和乙炔的裂解气。该发明适用于沥青质的处理，可以实现沥青质原料的高效利用，产生固态碳材料、合成气等高附加值产品。

说明书

技术领域

本发明涉及一种沥青质的水蒸气热等离子体裂解处理工艺，属于石油化工领域。

背景技术

随着轻质石化资源的消耗，全球石化资源日趋重质化，亟需针对重质石化资源的高效转化技术。溶剂脱沥青技术是重油轻质化的有效手段：通过分离重油原料中的沥青质和重金属等杂质，可获得脱沥青油(deasphalted oil,DAO)，后者为轻质原料，可以进一步用于加氢处理等后续工艺。该工艺同时产生了大量脱油沥青(deoiled asphalt,DOA)，常被直接用作廉价燃料或者用于建材。本研究组提出采用化学转化的手段，将难以直接转化利用的沥青质，转化为化工过程中可以高效利用的合成气和乙炔等原料，进而可以实现沥青质的化学利用。

然而，沥青质是复杂的稠环芳烃组成的混合物，常被认为是“无法转化”的原料，常规化工转化手段难以实现沥青质的高效转化。沥青质是石油中最复杂的组分，其组成中含有丰富的碳氢元素，借助热等离子体裂解的反应形式，将其转化为合成气和乙炔等石油工业的小分子原料，将使其成为一种具有工业应用潜力的重要资源，创造显著的经济价值。热等离子体可提供超高温的极端反应条件，从而能够实现常规化学转化手段难以处理原料的高效转化。针对液态烃、煤、焦油等多种原料的热等离子体转化利用，国内外科研机构和企业已开展了广泛的实验研究和工业探索。上世纪60到70年代，Bond和Nickolson等人首先实现了煤的热等离子体转化。1985年，美国AVCO公司完成了1MW中试规模试验，证实了热等离子体过程的工业可行性。针对其他碳氢原料，德国Huels公司和美国DuPont公司于分别建成兆瓦级烃类裂解装置；Chen和Beiers等亦针对汽油、柴油、液体石蜡以及部分烃类模型化合物进行了热等离子体实验探究。

另一方面，合成气和乙炔是重要的化工原料。乙炔可用于进一步生产聚氯乙烯、醋酸乙烯和氯丁橡胶等。合成气的用途则更为广泛，可用于合成甲醇进而转化为下游化工产品，或者通过费托合成实现合成气液化，制备液体燃料。随着中国炼油能力的日渐提升，副产的沥青质的量也将大幅增长。本发明提出一种针对沥青质的水蒸气热等离子体转化新方法，将富含碳氢的沥青质原料高效转化为合成气和乙炔等气体产物，固态产物可以进一步用于制备碳材料等。该发明可实现沥青质的高效转化，并且补充以劣质重油为原料的石油炼制产业链，具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的是针对沥青质的高效利用问题，提出使用水蒸气热等离子体的反应形式，将常规手段难以有效利用的沥青质，一步转化为合成气和固态碳材料等便于进一步分离用的产物；气固两相产品经过气固快分装置，分离得到固态的碳材料；气体产物通过物理淬冷的方式，进行气相产品的快速冷却和部分高位能量的回收，从而获得合成气和烃类(乙炔等)气体的裂解产品。基于该工艺，可以有效实现沥青质向可进一步利用的化工原料的转化，实现高效综合利用。

本发明公开一种沥青质的水蒸气热等离子体裂解处理方法，包括如下步骤：

S1：原料沥青质通过输送气体进行雾化，喷入热等离子体反应装置；

S2：在热等离子体反应装置中，与水蒸气热等离子体射流混合发生反应，反应获得气相产品和固相产品；所述气相产品为温度在1500～2000K的含有合成气和乙炔的裂解气；

S3：将气相产品和固相产品通过气固快分装置：收集固相产品，获得固相碳材料；气相产品通过淬冷，得到含有合成气和乙炔的裂解气。

本发明所述的沥青质的水蒸气热等离子体裂解处理方法，其中，步骤S1中，所述沥青质优选直接以液态形式，通过甲烷或氩气进行雾化。

本发明所述的沥青质的水蒸气热等离子体裂解处理方法，其中，所述水蒸气热等离子体优选通过以水蒸气作为工作气体的热等离子体炬制备。

本发明所述的沥青质的水蒸气热等离子体裂解处理方法，其中，所述水蒸气的输入量优选为50～80kg·h^-1·MW^-1。

本发明所述的沥青质的水蒸气热等离子体裂解处理方法，其中，所述水蒸气热等离子体射流与沥青质的质量比优选为1:1.5～2.5。

本发明所述的沥青质的水蒸气热等离子体裂解处理方法，其中，步骤S2中，所述反应优选在二氧化碳气氛中进行。

本发明所述的沥青质的水蒸气热等离子体裂解处理方法，其中，所述淬冷优选采用物理淬冷方式实现。

本发明所述的沥青质的水蒸气热等离子体裂解处理方法，其中，所述合成气中，一氧化碳和氢气的摩尔比优选为3～5:1。

本发明所述的沥青质的水蒸气热等离子体裂解处理方法，其中，所述热等离子体反应装置优选采用下行床的反应器形式。

本发明具有以下优点：

(1)本发明实现了液态沥青质的一步法高效转化；

(2)本发明实现了常规手段难以高效利用的沥青质向合成气等产品的转化，后者可以进一步用于其他化工合成；

(3)本发明避免了对于高温固相的淬冷，仅需要对于高温气相进行淬冷。

具体实施方式

以下对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，下列实施例中未注明具体条件的工艺参数，通常按照常规条件。

水蒸气的输入量：

在本发明中，对水蒸气的输入量并无特别限定，通常水蒸气的输入量为50～80kg·h^-1·MW^-1：如果水蒸气的输入量少于50kg·h^-1·MW^-1，由于水蒸气的输入量过低，导致沥青质原料转化不充分；如果水蒸气的输入量多于80kg·h^-1·MW^-1，由于水蒸气的输入量过度，导致裂解气中一氧化碳浓度过高，乙炔浓度过低。

水蒸气热等离子体射流与沥青质的质量比：

在本发明中，对水蒸气热等离子体射流与沥青质的质量比并无特别限定，通常水蒸气热等离子体射流与沥青质的质量比为1:1.5～2.5：如果水蒸气热等离子体射流与沥青质的质量比大于1:1.5，由于水蒸气热等离子体射流过多，导致裂解气中一氧化碳浓度过高，乙炔浓度过低；如果水蒸气热等离子体射流与沥青质的质量比小于1:2.5，由于水蒸气热等离子体射流过少，造成沥青质原料转化不充分。

以下结合实例对本发明进行进一步说明。

实施例1

沥青质原料以高温液相的形式，通过CH₄雾化输送进入热等离子体反应器。热等离子体炬采用水蒸气作为工作气体，输入功率为2MW，热等离子体炬所用的水蒸气流量为150kg/h，等离子体的平均温度超过3500K，中心区域温度为5000～6000K。沥青质原料的进料量为600kg/h，输送CH₄气量为12kg/h。裂解产物温度为1500～2000K，裂解产物进入快速分离装置(已有技术中专利CN1267564公开的气固分离装置)，气体停留时间为80ms，固相停留时间为分离效率75％，固相碳材料的产量为220kg/h。气体出口分离的气体即气相中间产品进入急冷装置，用循环水进行快速冷却，降至室温，得到以合成气为主的气相产品。其中一氧化碳体积分数为45％，氢气体积分数为6％，乙炔体积分数为40％。

实施例2

沥青质原料以高温液相的形式，通过Ar雾化输送进入热等离子体反应器。热等离子体炬采用水蒸气作为工作气体，输入功率为2.5MW，热等离子体炬所用的水蒸气流量为200kg/h，等离子体的平均温度超过3500K，中心区域温度为5000～6000K。沥青质原料的进料量为600kg/h，输送Ar气量为15kg/h。反应器中通入二氧化碳，调节产物合成气中一氧化碳和氢气的比例，加入的二氧化碳的流量为100kg/h。裂解产物温度为1500～2000K，裂解产物进入快速分离装置(已有技术中专利CN1267564公开的气固分离装置)，气体停留时间为80ms，固相停留时间为分离效率75％，固相碳材料的产量为180～225kg/h。气体出口分离的气体即气相中间产品进入急冷装置，用循环水进行快速冷却，降至室温，得到以合成气为主的气相产品。其中一氧化碳体积分数为58％，氢气体积分数为9％，乙炔体积分数为27％。