Способ и оборудование для многостадийного ожижения углеродосодержащего твердого топлива - RU2460757C1

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Данное изобретение относится к способу многоэтапного преобразования углеродосодержащего твердого топлива в нефть и соответствующему оборудованию. Данный способ, благодаря которому можно эффективно преобразовать углеродосодержащее твердое топливо в высококачественную нефть путем многоступенчатого ожижения, представляет собой перспективный способ преобразования энергии.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Наряду с возрастающей потребностью человечества в жидком топливе на основе нефти, а также со снижением пригодных к использованию запасов нефти, все больше внимания привлекает производство пригодного к применению жидкого топлива из твердого топлива, такого как уголь.

В настоящее время уголь в основном используют для производства энергии, коксования и в других областях, а также в бытовых целях. В некоторых областях, таких как производство топлива и электроэнергетика, нужны специальные виды угля или высококачественный уголь с низким содержанием серы. Однако большая часть угольных запасов не может удовлетворить этим требованиям. В Китае существует огромное количество запасов угля, но только их половина обладает высоким качеством, а остальной уголь - это лигнит или другие виды угля. Низкосортный уголь, включая лигнит, представляет примерно 40% всех угольных запасов Китая, особенно в восточном районе Внутренней Монголии, где этот показатель достигает 70% и более. Разумные способы добычи и использования лигнита становятся большой проблемой, и до сих пор разработка месторождений лигнита очень ограничена. Например, в Китае производство угля в 2005 году достигло отметки 2151,31 миллиона тонн, из которого высококачественный уголь составил 65%, однако лигнит, запасы которого сравнительно выше, по своему производству достигает отметки 97,64 миллионов тонн, что составляет всего 4,5% от общего показателя производства угля.

Использование низкосортного угля, такого как лигнит, влечет за собой следующие проблемы: (1) если ведется добыча высококачественного угля, низкосортный уголь не будет добываться из-за его низкой рыночной стоимости, что приводит к значительному расточению угольных ресурсов, (2) из-за своей высокой влажности, повышенной зольности, высокого содержания летучих соединений и низкой теплотворной способности лигнит обычно рассматривается как низкокачественный энергетический уголь; к тому же из-за своей хрупкости и подверженности дифференциации и спонтанному возгоранию его очень сложно перевозить на длинные расстояния, из-за чего лигнит подходит только для местного применения. Следовательно, необходимо разработать некоторые альтернативные способы применения низкосортных видов угля, чтобы отрегулировать схему запаса, производства и потребления угля, а также снизить общую интенсивность расходования угольных ресурсов.

Одним из многих способов использования вышеуказанных видов угля, а именно высококачественного угля, стало его применение в качестве сырья в областях производства топлива и энергетики с низким коэффициентом использования и высоким уровнем загрязнения. В Китае обширная отрасль энергетики, основанная на переработке угля, долгое время функционировала при эффективности 30-35%, что влечет за собой серьезные проблемы загрязнения окружающей среды и значительной потери ресурсов. Наряду с ветровой, солнечной и атомной отраслями энергетики очень важным для Китая и даже для всего мира является необходимость более эффективного использования угля. Таким образом, преобразование угля в жидкое топливо является одной из наиболее важных технологий производства нефтепродуктов, которых не хватает, но которые крайне важны для развития человеческого общества. Более того, из биомассы также можно получить нефтепродукт при помощи аналогичного процесса ожижения угля. Это может стать потенциально эффективным решением устойчивого развития человечества в течение длительного времени после истощения запасов угля.

В общем, существует три разных процесса производства нефти путем ожижения угля: частичное ожижение, при котором уголь частично преобразуется в смолу путем коксования; прямое ожижение, при котором уголь полностью преобразуется в нефть непосредственно при помощи гидрогенизации; непрямое ожижение, при котором уголь вначале преобразуется в синтетический газ (СО+Н₂), а потом при помощи реакции Фишера-Тропша (Ф-Т) из синтетического газа производится высококачественная нефть. Эти три способа получили промышленное развитие еще в предыдущем столетии и во времена Второй мировой войны стали основным источником производства нефти для Германии. Ранний период исследований ожижения угля для крупномасштабной индустриализации длился до 1960-х гг., после чего они были приостановлены после обнаружения и разработки залежей нефти. Однако научные лабораторные исследования продолжались, и появилась отдельная область преобразования угля. В 1950-х гг. на основе технологии газификации угля и синтеза Фишера-Тропша в Южной Африке было организовано промышленное предприятие по перегонке угля в жидкость с непрямым процессом ожижения (SASOL's CTL plant).

Мировой нефтяной кризис в 1970-х гг. положил начало новой эры исследования способов ожижения. Благодаря усовершенствованию технологии переработки нефти, с 1970 по 1990 гг. исследовательская работа получила значительное развитие на более высоких уровнях, например, появилась современная технология газификации прессованного угля «газификация угля в потоке», которая стала основой технологии крупномасштабной газификации угля и ускорила индустриализацию производства синтетического газа. Промышленное развитие крупномасштабного производства из угля аммиака и метанола было основано на эффективной массовой газификации угля. Тем временем появились новые способы прямого ожижения угля путем гидрогенизации, работающие при более мягких условиях, такие как технологии прямого ожижения "HTI" из США и "Nedol" из Японии; также появились крупномасштабные технологии, основанные на синтезе Фишера-Тропша, такие как неподвижный псевдоожиженный слой и трехфазный взвешенный слой (SASOL). Наиболее явного прогресса в этот период достигла компания SASOL, которая увеличила свою производительность при помощи процесса непрямого ожижения угля от 1 миллиона тонн/год до 6 миллионов тонн/год.

Из-за тяжелых эксплуатационных условий при прямом ожижении угля путем гидрогенизации, этот процесс ставит сложные задачи для производства оборудования, обеспечения эксплуатационной безопасности и качества продукции, поэтому эта технология долгое время проходила пробные тестирования и проверку эксплуатационного уровня. Развитая в то же время технология низкотемпературного коксования угля достигает производительности от 1 до 3 миллионов тонн/год на одну технологическую цепочку, однако процедуре ее индустриализации препятствовал низкий выход производства нефти (не более 10%), большие затраты на обработку смолы, получение неценного полукокса и серьезное загрязнение окружающей среды. К тому же, долгое время нестабильная и недостаточно высокая цена нефти также способствовала приостановлению развития процесса прямого ожижения угля.

Последнее время успешные исследования способствуют продвижению процессов переработки угля в жидкость на промышленный уровень; помимо этого, снабжение нефтепродуктами с каждым днем снижается из-за возросшего потребления нефти и недостаточных ее запасов. В течение следующих 20 лет индустриализации технологии перегонки угля в жидкость будут становиться все более и более необходимой.

Если посмотреть на современную технологию перегонки угля в жидкость, наиболее серьезными задачами крупномасштабного процесса коксования угля является разработка эффективных экологически безвредных процессов, эффективное хранение и использование атмосферных газов (включая отработанные газы и горючие газы). Относительно прямого ожижения при помощи гидрогенизации все еще существуют некоторые проблемы в производстве оборудования, безопасной и стабильной эксплуатации, а также в наличии низкокачественных продуктов дизельного топлива, и т.д.; относительно непрямого ожижения, хотя мы и преодолели проблему расширения в области безопасности и защиты окружающей среды, остается проблема расхода слишком большого количества угля для производства тонны нефти, что происходит из-за слишком низкой теплотворной способности сырья для газификации.

Данное изобретение предлагает, на основе индустриализованного процесса непрямого ожижения, частично ожижать углеродосодержащее сырье твердого топлива, а именно низкосортный уголь и биомассу, при помощи умеренной гидрогенизации перед переходом к крупномасштабной стадии газификации, чтобы, таким образом, извлекать из сырья легкие компоненты нефти, а высококонцентрированные тяжелые компоненты нефти с большей теплотворной способностью газифицировать для получения синтетического газа. Часть синтетического газа используется для получения водорода (Н₂), участвующего в этом процессе, а остальная его часть обрабатывается при помощи многоэтапного ожижения в процессе синтеза Ф-Т (Фишера-Тропша). Вышеуказанное поэтапное ожижение эффективно объединило прямое ожижение угля при помощи гидрогенизации с реакцией Фишера-Тропша, таким образом достигнув оптимизации эффективности всего процесса производства из угля высококачественной нефти. Доказано, что общая эффективность этого процесса намного выше эффективности любого другого чистого способа использования угля; кроме того, он способствует получению отличного жидкого топлива и химических материалов.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель данного изобретения состоит в обеспечении способа многоэтапного ожижения углеродосодержащего твердого топлива. Он отличается тем, что твердое топливо, а именно твердое топливное сырье с высоким содержанием легких компонентов, гидрогенизируют при относительно мягких условиях для проведения частичного ожижения; извлекают легкие компоненты нефти, которые составляют от 5% до 40% от массы твердого сырья; остальные сжиженные продукты и несжиженные остатки газифицируют для получения синтетического газа в качестве сырьевого материала, после чего синтетический газ при помощи процесса Фишера-Тропша преобразуют в нефть, которая в основном содержит углеводороды с неразветвленной цепью. Вышеуказанный процесс обеспечивает комплексную систему многоэтапного преобразования совместно с газификацией остаточного шлама, что значительно улучшает общий тепловой КПД и эффективность контроля выбросов в атмосферу, обеспечивая в результате чистый и эффективный процесс ожижения угля.

Способ многоэтапного ожижения углеродосодержащего твердого топлива по данному изобретению включает следующие шаги:

1) один или несколько видов углеродосодержащего твердого топлива смешивают с мазутом до образования углеродосодержащей пастообразной топливо-мазутной суспензии, после чего такую топливо-мазутную суспензию обезвоживают при помощи нагревания и далее частично ожижают путем гидрогенизации при низко-среднем давлении, в результате чего образуются легкие компоненты нефти и мазутные шламы;

2) легкие компоненты нефти, полученные на этапе 1), гидрорафинируют для получения очищенной нефти;

3) мазутные шламы, полученные на этапе 1), газифицируют для получения синтетического газа;

4) синтетический газ, полученный на этапе 3), при помощи обычного процесса синтеза Ф-Т преобразуют в нефть синтеза Ф-Т;

5) нефть синтеза Ф-Т, полученная на этапе 4), далее проходит гидрорафинацию и гидрокрекинг для получения очищенной нефти, которую далее фракционируют для получения высококачественных нефтяных продуктов, включая сжиженный нефтяной газ (СНГ), бензин, авиационный керосин, дизельное топливо и другие соответствующие химические продукты.

В качестве другого способа, на этапе 5) вышеуказанного способа очищенную нефть, полученную путем гидрорафинации и гидрокрекинга нефти синтеза Ф-Т, соединяют с очищенной нефтью, полученной на этапе 2), и далее фракционируют для получения нефтепродуктов.

Углеродосодержащим твердым топливом согласно способу данного изобретения может быть любой уголь, имеющий потребительскую ценность, включая высококачественные виды угля, такие как каменный уголь, и низкосортные виды угля, такие как лигнит; или любая углеродосодержащая биомасса, включая разные виды сельскохозяйственных и древесных отходов, таких как солома и лесоматериалы, а также остатки биомассы; или любой твердый материал с высокой теплотворной способностью, такой как органический ил, особенно твердое топливное сырье с высоким содержанием легких горючих компонентов. Способ согласно данному изобретению достаточно адаптирован для использования различных видов угля и биомассы, в частности, данный способ обеспечивает использование в полном объеме низкосортных видов угля (таких как лигнит) и биомассы, а также является решением проблем, существовавших ранее, связанных с тем, что низкосортные виды угля (такие как лигнит) и биомассу очень трудно использовать в полном объеме.

В рамках данного текста для упрощения высказываний смесь твердого топлива с мазутом, приготовленная из различных видов углеродосодержащего твердого топлива, будет сокращенно далее называться «мазутная смесь».

На этапе 1) способа согласно данному изобретению твердое топливо, преобразованное в мазутную смесь, обезвоживается и далее гидрогенизируют при мягких условиях, причем продолжительность указанного ожижения путем гидрогенизации такой топливо-мазутной суспензии варьируется от 20 минут до 1,5 часов, желательно - от 20 минут до 1 часа; в результате такого этапа выход легких компонентов нефти составляет от 5% весовой концентрации до 40% вес. конц., желательно - от 5% вес. конц. до 25% вес. конц., исходя из общего веса указанного твердого топлива, достигая частичного ожижения, причем легкие компоненты нефти в основном составляют жидкую часть легких нефтепродуктов после ожижения путем гидрогенизации, а именно компоненты С₅⁺. По сравнению с этим, общий выход газообразного углеводорода и нефти при обычном прямом ожижении угля путем гидрогенизации обычно составляет от 50% до 70%.

На этапе 1) способа согласно данному изобретению твердое топливо и мазут с различными теплотворными способностями смешиваются для получения топливо-мазутной суспензии. С одной стороны, топливо преобразуется из твердой формы в жидкую, что упрощает проведение последующих процессов, например, намного легче обезвоживать жидкое топливо, чем твердое топливо. С другой стороны, теплотворная способность твердого топлива повышается, что более важно для топлива с низшей теплотворной способностью, такого как низкосортный уголь (особенно лигнит) и биомасса, поскольку такая обработка преобразует сырье, которое не может быть прямо ожижено путем гидрогенизации, в сырье, которое подходит для прямого ожижения путем гидрогенизации. Теплотворная способность лигнита, например, в обычном состоянии составляет около 4000 ккал/кг, однако такой показатель топливо-мазутной суспензии из лигнита может достигнуть 6000-8500 ккал/кг. Содержание твердого вещества в указанной топливо-мазутной суспензии, приготовленной по способу данного изобретения, составляет от 10% до 70% весовой концентрации, желательно - от 20% до 65% вес. конц., а еще лучше - от 40% до 65% вес. конц., исходя из общего веса указанной топливо-мазутной суспензии. На вышеуказанном этапе 1) указанный процесс обезвоживания путем нагревания топливо-мазутной суспензии производится при температуре от 100°С до 200°С, желательно - от 150°С до 200°С, чтобы удалить влагу, после чего проводится дальнейшее нагревание при температуре от 350°С до 450°С, и мазутная смесь поступает в реактор гидрогенизации для частичного ожижения путем гидрогенизации.

На этапе 1) способа данного изобретения выражение «гидрогенизация при низко-среднем давлении» означает, что гидрогенизация указанной топливо-мазутной суспензии проводится при мягких условиях, желательно под давлением менее 50 атм и при температуре ниже 470°C, еще лучше - под давлением 10-50 атм и при температуре 350°С-450°С.

На этапе 1) способа данного изобретения указанный мазут для приготовления указанной топливо-мазутной суспензии является мазутом, отделенным от указанных тяжелых нефтяных остатков (продукта гидрогенизации на этапе 1)); такой мазут может быть прямо использован в качестве сырьевого материала для приготовления топливо-мазутной суспензии, или же может быть частично или полностью гидрогенизирован перед приготовлением суспензии для повышения выхода легких нефтепродуктов после гидрогенизации суспензии.

В процессе гидрогенизации на этапе 1) способа данного изобретения может использоваться любой стандартный гидрирующий катализатор, желательно - отработанный катализатор процесса Ф-Т, который способен катализировать гидрогенизацию топливо-мазутной суспензии и повысить выход легких нефтепродуктов.

В качестве реактора в указанном выше процессе гидрогенизации может быть использован любой стандартный реактор гидрогенизации, используемый в этой области, предпочтительно используется реактор с трехфазным взвешенным слоем с высокой пропускной способностью (Фиг.2 (а) и 2(b)), описанный в данном изобретении.

На этапе 1) способа данного изобретения мазутную смесь обезвоживают путем нагревания и гидрогенизируют под низкосредним давлением с целью ожижения, в результате чего получают легкие нефтепродукты, ожиженные тяжелые компоненты и неожиженные остатки; ожиженные тяжелые компоненты и неожиженные остатки называются «тяжелыми остатками жидкого топлива» (далее - «мазутные шламы»). Мазутные шламы представляют собой смесь жидкого мазута, асфальтных компонентов, предасфальтных компонентов и неожиженных остатков угля. Отделенный мазут, также называемый «циркулирующий мазут», может быть использован в качестве сырья для приготовления вышеуказанной топливо-мазутной суспензии. Перед приготовлением суспензии такой циркулирующий мазут может быть частично или полностью гидрогенизирован для повышения выхода легких нефтепродуктов после гидрогенизации суспензии. В противном случае, смесь вышеуказанных тяжелых нефтяных остатков после извлечения легких нефтепродуктов охлаждается разбрызгиванием для получения плотного порошка, который преобразуется в водоугольную смесь (ВУС) для производства синтетического газа путем газификации, или используется в качестве котельного топлива для производства паровой энергии. Вода, используемая для приготовления ВУС, может быть любой обычной промышленной водой, причем желательно использовать нефтесодержащую отработанную воду, полученную в результате каждого процесса многоэтапного преобразования согласно данному изобретению, чтобы обеспечить полную утилизацию и экологически благоприятное производство.

Выход легких нефтепродуктов в результате гидрогенизации топливо-мазутной суспензии на этапе 1) может составлять 5-40% весовой концентрации, желательно - от 5 до 25% весовой концентрации; выход легких нефтепродуктов можно контролировать, исходя из свойств сырьевого материала и требований производства, чтобы получить оптимальную продуктивность и тепловой КПД. Для сырьевого материала с высоким выходом легких нефтепродуктов, такого как лигнит, каменный уголь и биомасса, по способу данного изобретения можно получить необходимое количество легких нефтепродуктов на этапе частичного ожижения путем гидрогенизации, а также повысить теплотворную способность и эффективность газификации нефтяных остатков. Для видов угля с высокой степенью метаморфизма, таких как антрацит и тощий сухой уголь, это изобретение способствует получению тяжелых нефтяных остатков с высокой теплотворной способностью, так что эффективность газификации тяжелых нефтяных остатков может быть значительно улучшена; при необходимости, небольшое количество легких нефтепродуктов, полученное при частичном ожижении путем гидрогенизации (примерно 5%), можно смешать с мазутом в качестве растворителя угольно-нефтяной суспензии (УНС) для получения синтетического газа путем газификации.

Процесс гидрорафинации, описанный на этапе 2) может проводиться любым стандартным способом и при помощи любого оборудования, используемого в этой области; в процессе приготовления синтетического газа путем газификации тяжелых нефтяных остатков на этапе 3) также можно использовать стандартные способы и оборудование для газификации угля, известные в этой области; как в процессе преобразования синтетического газа в нефть синтеза Ф-Т на этапе 4), так и в процессе гидрорафинации и гидрокрекинга указанной нефти синтеза Ф-Т на этапе 5), могут использоваться стандартные способы и оборудование, применяемые для процесса синтеза Ф-Т.

По способу данного изобретения можно производить все виды высококачественных нефтепродуктов, которые можно получить при помощи известных в этой области способов, включая различные продукты химической и нефтехимической промышленности, а именно сжиженный нефтяной газ (СНГ), бензин, авиационный керосин, дизельное топливо и другие химические продукты, причем указанные другие продукты включают смазочное масло и тому подобное.

Преимущественно, данное изобретение предлагает способ многоэтапного ожижения углеродосодержащего твердого топлива, причем такой способ включает следующие шаги:

1) один или несколько видов углеродосодержащего твердого пылевидного топлива смешивают с мазутом до образования топливо-мазутной суспензии, после чего такую мазутную смесь обезвоживают при помощи нагревания при температуре 150-200°С и далее частично ожижают путем гидрогенизации под давлением 10-50 атм и при температуре 350-450°С, в результате чего отделяются легкие компоненты нефти и мазутные шламы;

2) легкие компоненты нефти, полученные на этапе 1), гидрорафинируют для получения очищенной нефти

3) мазутные шламы, полученные на этапе 1), помещают в газогенератор под давлением при температуре 100-400°С для проведения реакции газификации с кислородом при температуре 1000-1800°С для получения синтетического газа;

4) синтетический газ, полученный на этапе 3), обрабатывают стандартным способом и при помощи обычного процесса синтеза Ф-Т преобразуют в нефть синтеза Ф-Т; и

5) нефть синтеза Ф-Т, полученную на этапе 4), далее подвергают гидрорафинации и гидрокрекингу для получения очищенной нефти, которую затем фракционируют для получения высококачественных нефтяных продуктов, включая СНГ, бензин, авиационный керосин, дизельное топливо и другие соответствующие химические продукты.

Более предпочтительно, чтобы на этапе 5) вышеуказанного способа очищенная нефть, полученная путем гидрорафинации и гидрокрекинга нефти синтеза Ф-Т, соединялась с очищенной нефтью, полученной на этапе 2), и далее фракционировалась для приготовления высококачественных нефтепродуктов.

На этапе 1) способа данного изобретения мазут, который был отделен от тяжелых нефтяных остатков, используют для приготовления топливо-мазутной суспензии. Желательно, чтобы в процессе гидрогенизации в качестве катализатора использовался отработанный катализатор процесса Ф-Т, который способен катализировать гидрогенизацию топливо-мазутной суспензии и улучшить выход легких нефтепродуктов. В качестве реакторов, используемых в вышеуказанном процессе гидрогенизации, могут быть применены любые стандартные реакторы гидрогенизации, желательно используется реактор с трехфазным взвешенным слоем с высокой пропускной способностью, описанный в данном изобретении.

На этапе 3) способа данного изобретения мазутные шламы помещаются в газогенератор при температуре 100-400°С для выполнения газификации и получения синтетического газа. Условия газификации, такие как температура и давление, могут быть стандартными, например, газификация может проводиться с кислородом под давлением 50 атм и при температуре от 1000°С до 1800°С. Теплотворная способность указанных тяжелых нефтяных остатков составляет от 3000 ккал/кг до 10000 ккал/кг, желательно - от 6000 ккал/кг до 9000 ккал/кг.

По способу данного изобретения стандартная обработка синтетического газа, указанная на этапе 4), включает обычную реакцию конверсии и удаление кислого газа, известное в области производства синтетического газа. После стандартной обработки синтетический газ может быть использован для производства нефти синтеза Ф-Т или водорода (Н₂), причем полученный водород может использоваться в качестве подпиточного водорода для процесса гидрогенизации на этапе 1).

На этапе 4) способа данного изобретения в качестве сырьевого материала весь синтетический газ или его часть преобразуется в нефть синтеза Ф-Т при помощи стандартных способов и оборудования для синтеза Фишера-Тропша. Полученную нефть синтеза Ф-Т предварительно обрабатывают стандартными способами, такими как реакция конверсии и очистка, после чего она проходит гидрорафинацию и гидрокрекинг для получения очищенной нефти, и после этого очищенная нефть фракционируется для получения высококачественных нефтяных продуктов, в основном содержащих углеводороды неразветвленных цепей, включая СНГ, бензин, авиационный керосин, дизельное топливо и другие соответствующие химические продукты. Предпочтительно, очищенная нефть, полученная на этапе 4) путем гидрорафинации и гидрокрекинга, соединяется с нефтью, полученной на этапе 2) и далее фракционируется для получения указанных высококачественных нефтепродуктов. Для проведения вышеуказанного синтеза Фишера-Тропша можно использовать стандартные в этой области способы и оборудование, как например, процесс синтеза Ф-Т с трехфазным псевдоожиженным слоем и соответствующее оборудование, описанное компанией Synfuels China (Китайская. патентная заявка номер CN2007100161575.1 или международная патентная заявка номер PCT/CN2007/002941).

Согласно данному изобретению высококачественные нефтепродукты включают СНГ, бензин, авиационный керосин, дизельное топливо и многие специальные масла, такие как смазочное масло, а также различные химические продукты, полученные в процессе синтеза Ф-Т. Такие высококачественные нефтепродукты имеют низкое содержание серы и азота, предпочтительно, содержание серы составляет менее 6 миллионных долей, а содержание азота - менее 10 м.д. Октановое число бензина по данному изобретению составляет 90-98; удельный вес упомянутого авиационного керосина составляет от 0,74 до 0,83, а предельная температура фильтруемости составляет от -66°С до -49°С; цетановое число указанного дизельного топлива составляет от 55 до 70, а предельная температура фильтруемости - от -45°С до 0°С.

В этом изобретении полная утилизация может быть применена во многих секциях производства, способствуя повышению производительности и делая данный процесс более экологически благоприятным. Например, при необходимости мазутные шламы, отделенные на этапе 1), могут быть преобразованы путем охлаждения разбрызгиванием в плотный порошок, который далее может быть использован в качестве сырья в виде ВУС для производства синтетического газа путем газификации или в качестве котельного топлива для получения паровой энергии/вода, используемая для приготовления ВУС, предпочтительно является отработанной нефтесодержащей водой, получаемой в результате каждого процесса данного изобретения, особенно в результате процесса Ф-Т, благодаря чему обеспечивается разумное использование отработанной воды и достигается цель полной утилизации и экологически благоприятного производства/часть синтетического газа, полученного на этапе 3), после некоторых стандартных операций, таких как реакция конверсии и удаление кислого газа, используется для производства водорода (Н₂), который может быть использован в качестве подпиточного водорода в процессе гидрогенизации на этапе 1). Загрязнители, такие как сера (S) и азот (N), удаленные из твердого топлива, такого как уголь, в процессе очистки и в процессе гидрогенизации топливо-мазутной суспензии, могут соответственно быть восстановлены и использованы в форме серы и аммиака, благодаря чему поддерживается экологически дружественный способ производства и улучшается коэффициент использования горючего материала в твердом топливе.

Другой целью данного изобретения является обеспечение использования вышеуказанных способов многоэтапного ожижения указанного твердого топлива. Многоэтапный процесс ожижения согласно данному изобретению может быть широко применен относительно различных видов угля и биомассы различного происхождения. По сравнению с существующими способами ожижения угля, данный процесс повышает коэффициент использования топлива, а именно решает проблему использования угля и биомассы с низшей теплотворной способностью. Способ данного изобретения отлично подойдет для угля с высоким содержанием летучих компонентов, а именно для лигнита.

Для угля с низким содержанием летучих веществ, при частичном ожижении путем гидрогенизации согласно способу данного изобретения в основном образуются нефтяные шламы с высокой теплотворной способностью, что повышает эффективность производства синтетического газа путем газификации таких остатков; небольшое количество легких нефтепродуктов также можно смешать с тяжелыми нефтяными остатками для газификации. Когда полученный синтетический газ преобразуется в высококачественную нефть при помощи процесса Ф-Т, роль частичного ожижения заключается в повышении эффективности производства синтетического газа.

Для угля с высоким содержанием летучих веществ и биомассы, способ данного изобретения способствует выработке необходимого количества легких нефтепродуктов, повышает теплотворную способность тяжелых нефтяных остатков и повышает эффективность газификации на этапе частичного ожижения путем гидрогенизации; совместно с последующей стадией синтеза Ф-Т была оптимизирована общая эффективность данного процесса. Многоэтапное преобразование не только повышает эффективность производства синтетического газа путем газификации, но также увеличивает выход нефтепродуктов, таких как легкие нефтепродукты, получаемые при частичном ожижении путем гидрогенизации, обогащает компоненты нефтепродуктов путем непрямого ожижения, благодаря чему получаются разные виды высококачественного жидкого топлива.

В процессе многоэтапного ожижения по данному изобретению разнообразное углеродсодержащее жидкое топливо может быть преобразовано в чистые нефтепродукты с низким содержанием серы и азота, включая СНГ, бензин, авиационный керосин, дизельное топливо и различные химические продукты. Это имеет огромное значение для повышения коэффициента использования углеродосодержащего твердого топлива, включая уголь, и снижения загрязнения, особенно при использовании запасов лигнита и биомассы.

Многоэтапное ожижение согласно данному изобретению полностью меняет традиционный способ газификации угля благодаря преобразованию твердого топлива, такого как лигнит, с низкой теплотворной способностью в жидкое топливо с высокой теплотворной способностью, а именно в тяжелые топливные остатки, что в результате значительно повышает эффективность производства синтетического газа путем газификации и в достаточном объеме использует уголь с низкой теплотворной способностью. Практическое применение такого процесса многоэтапного ожижения согласно данному изобретению будет иметь существенное влияние на будущую структуру энергетики, особенно на те области, которым недостает высококачественных энергетических ресурсов.

Процесс многоэтапного ожижения согласно данному изобретению подходит для разных видов углеродосодержащего твердого топлива, такого как уголь и биомасса, с разными свойствами и значительно повышает коэффициент их использования. Возьмем, к примеру, уголь, общий КПД (отношение теплотворной способности полученных нефтепродуктов к теплотворной способности сырого угля) оценивается в пределах от 38%-48% до 45%-65%, и такое отношение зависит от качества видов угля; конкретнее, в случае применения данного многоэтапного ожижения к высококачественному углю с теплотворной способностью более 6000 ккал/кг, такому как высококачественный каменный уголь или полубитуминозный уголь, общий КПД, включая импортируемую энергию, может достигнуть 50-65%, что означает, что расход такого завода по перегонке угля в жидкость составит около 2,8-3,3 тонн угля на тонну нефти. По сравнению с современной генераторной станцией на основе угля, общий КПД повышается на 10-20%. При помощи данного изобретения можно сжижать лигнит с теплотворной способностью около 4000 ккал/кг и зольностью менее 13%, который в настоящее время трудно полностью использовать, причем КПД можно повысить до 45%-56%.

Ключевые моменты этого многоэтапного процесса ожижения заключаются в следующем: (1) перед производством синтетического газа производится частичное ожижение углеродосодержащего сырья путем гидрогенизации для восстановления части легких нефтепродуктов; (2) мазут, полученный путем частичного ожижения, смешивают с указанным углеродосодержащим твердым топливом для образования топливо-мазутной суспензии с более высокой теплотворной способностью; (3) мазутные шламы, полученные после отделения от них легких нефтепродуктов, используются для производства синтетического газа, который далее используется для получения нефтепродуктов или других продуктов синтеза Ф-Т. Следовательно, этот многоэтапный процесс ожижения может эффективно преобразовать углеродосодержащее твердое топливо в нефтепродукты, однако разные этапы этого процесса также могут быть применены с другими целями.

Как было указано ранее, преимущества многоэтапного процесса ожижения согласно данному изобретению заключаются в следующем.

1. В качестве сырьевого материала для данного изобретения могут быть использованы различные виды углеродосодержащего топлива, а именно различные виды низкосортного угля, такого как лигнит и биомасса, так что огромные запасы лигнита и возобновляемые ресурсы адекватно используются с высокой эффективностью, и коэффициент использования также значительно повышается; а именно, данное изобретение предлагает перспективное решение для экологически дружественного и эффективного использования углеродосодержащего твердого топлива с низкой теплотворной способностью, такого как лигнит и биомасса, которые было сложно эффективно использовать на предыдущем уровне техники, причем основное усовершенствование заключается в возможности смешивания углеродосодержащего твердого топлива с разными показателями теплотворной способности с мазутом для получения топливо-мазутной суспензии с высокой теплотворной способностью, и преимущества такого процесса включают:

1) преобразование твердого топлива в жидкое упрощает многие процессы, например, обезвоживание жидкого топлива выполняется намного проще, чем обезвоживание твердого топлива.

2) сжиженное топливо, полученное путем смешивания разного углеродосодержащего твердого топлива с мазутом, имеет более высокую теплотворную способность, которая удовлетворяет требованию к теплотворной способности газификации и улучшает эффективность производства синтетического газа. Например, лигнит обычно имеет теплотворную способность около 4000 ккал/кг, причем такой показатель топливо-мазутной суспензии из лигнита может составлять 6000-8500 ккал/кг.

3) относительно коэффициента использования топлива, сырье используется более эффективно благодаря упрощению обезвоживания сырья, такого как лигнит и биомасса, так что коэффициент использования также существенно повышается.

Это представляет значительные преимущества для использования углеродосодержащего твердого топлива с низкой теплотворной способность, такого как лигнит. Данное изобретение объединяет прямое ожижение угля путем гидрогенизации с процессом синтеза Ф-Т, таким образом, обеспечивая оптимальный общий КПД процесса перегонки угля в жидкость.

2. Первый этап данного изобретения нацелен на частичное ожижение сырья, что значительно снижает операционную нагрузку полного ожижения путем гидрогенизации, благодаря чему обеспечивается эксплуатационная безопасность.

3. Процессы частичного ожижения путем гидрогенизации и непрямого ожижения твердого сырья взаимодополнимы и оптимально объединены в данном изобретении, соответственно, общий КПД и выход нефти на тонну угля значительно увеличивается; помимо этого, процесс данного изобретения, обеспечивающий эффективное и экологически дружественное производство путем ожижения угля, может производить все продукты, производимые в нефтехимической промышленности, образуя таким образом отличное дополнение в условиях дефицита нефти.

4. Весь процесс данного изобретения включает циклическое использование многих материалов и тепла, благодаря чему обеспечивается полная утилизации сырья и экологически благоприятное производство. Например, использование мазута в качестве сырья для приготовления топливо-мазутной суспензии, получение водорода (H₂), необходимого для работы системы, из части синтетического газа, приготовление водоугольной смеси из отработанной нефтесодержащей воды, полученной в результате процесса, и так далее.

Другой целью данного изобретения является обеспечение реактора высокой пропускной способности с трехфазным псевдоожиженным слоем, подходящего для ожижения топливо-мазутной суспензии путем гидрогенизации, который состоит из:

1) Основного корпуса реактора;

2) Системы впуска и выпуска циркулирующего водорода;

3) Системы впуска и выпуска сырьевой смеси; и

4) Охлаждающего теплообменника.

В процессе производства данного изобретения указанный реактор используется для гидрогенизации тяжелой топливо-мазутной суспензии.

Реактор данного изобретения состоит из следующих частей: система впуска циркулирующего водорода, предусмотренная в нижней части основного корпуса реактора; охлаждающий теплообменник, предусмотренный в пространстве газообразной фазы в верхней части реактора; впускное отверстие для подачи топливо-мазутной суспензии в качестве сырья для гидрогенизации, предусмотренное в средней верхней части реактора; выпускное отверстие для конечного продукта (нефтяных остатков) после процесса гидрогенизации, предусмотренное в нижней части реактора.

Ожижение путем гидрогенизации в реакторе по данному изобретению происходит следующим образом: сырьевая мазутная смесь подается во впускное отверстие реактора в средней верхней части трехфазного взвешенного слоя реактора; циркулирующий водород поступает в реактор из впускной системы в нижней части реактора и газирует трехфазный взвешенный слой, где проходит реакция гидрогенизации топливо-мазутной суспензии. Циркулирующий водород после гидрогенизации, несущий часть нефтепродуктов и газ, полученный при гидрогенизации, поступает в пространство газообразной фазы в верхней части реактора, где газ охлаждается охлаждающим теплообменником, предусмотренным в пространстве газообразной фазы. Далее газ высокой температуры, полученный путем конденсации и отделения увлеченного мазута, возвращается к трехфазному взвешенному слою и выходит из реактора через выпускное отверстие для циркулирующего водорода, предусмотренное в верхней части реактора. Мазутные шламы после реакции гидрогенизации выходят из реактора через выпускное отверстие для нефтяных остатков, предусмотренное в нижней части реактора, чтобы поддерживать соответствующий жидкий уровень трехфазного взвешенного слоя.

Данное изобретение предлагает два вида конструкции реактора, причем различие заключается во впускной системе для циркулирующего водорода. Другие части реактора с трехфазным псевдоожиженным слоем по данному изобретению, включая основной корпус, впускное отверстие для сырьевой смеси и выпускную систему, теплообменник, предусмотренный в верхней части реактора, могут иметь стандартную конструкцию, как и многие другие доступные на рынке реакторы с псевдоожиженным слоем. Другие части таких двух ректоров, кроме впускной системы для циркулирующего водорода, могут быть одинаковыми или отличаться, но общим правилом для двух этих разных конструкций является то, что такая конструкция должна выполнять частичное ожижение топливо-мазутной суспензии путем гидрогенизации.

С учетом конструкции, количество циркулирующего водорода должно удовлетворять двум требованиям: во-первых, объемное отношение водорода к сырьевой топливо-мазутной суспензии составляет более 600 во время работы реактора; во-вторых, поверхностная скорость газа (в условиях реакции) в пределах реактора с трехфазным псевдоожиженным слоем составляет от 0,15 м/с до 0,4 м/с, желательно - от 0,2 м/с до 0,3 м/с. Конструкция основного корпуса реактора также должна способствовать тому, чтобы время пребывание сырьевой топливо-мазутной суспензии в трехфазном псевдоожиженном слое составляло более 20 минут, в основном от 20 минут до 1,5 часа, желательно - от 20 минут до 1 часа.

Таким образом, данное изобретение предлагает реактор с трехфазным псевдоожиженным слоем для ожижения топливо-мазутной суспензии путем гидрогенизации, который используется для частичного ожижения смеси углеродосодержащего твердого топлива и мазута путем гидрогенизации на этапе 1) способа данного изобретения; реактор включает систему впуска циркулирующего водорода в нижней части основного корпуса реактора; охлаждающий теплообменник в пространстве газообразной фазы в верхней части реактора; впускное отверстие в средней верхней части реактора; выпускное отверстие для циркулирующего водорода в верхней части реактора и выпускное отверстие для отработанных остатков в нижней части реактора.

Указанный реактор характеризуется тем, что впускная система для циркулирующего водорода состоит из сопла Вентури, подающей трубы и нисходящей трубы для суспензии, которые находятся в нижней части реактора; и подающая труба расположена тангенциально к стенке основного корпуса реактора при входе в реактор; или указанная впускная система для циркулирующего водорода состоит из подающей трубы, свободного пространства и газораспределителя, которые находятся в нижней части реактора.

В одном варианте осуществления данного изобретения впускная система для циркулирующего водорода реактора по данному изобретению характеризуется следующим: указанная впускная система для циркулирующего водорода состоит из сопла Вентури, подающей трубы и нисходящей трубы для суспензии, которые находятся в нижней части реактора. Указанная впускная система осуществляет подачу следующим образом: всасывающий эффект, производимый соплом Вентури после подачи циркулирующего водорода, вводит определенное количество суспензии в механизм подачи циркулирующего водорода, благодаря чему смесь циркулирует на дне реактора; когда смесь поступает в реактор в направлении тангенциально к стенке реактора, образуется вихрь, вследствие чего в трехфазном псевдоожиженном слое формируется сильная перемешивающая турбулентность, и в результате образуется однородная зона смешения для предотвращения застойных зон и спекания.

В другом варианте осуществления данного изобретения указанная впускная система для циркулирующего водорода состоит из подающей трубы, свободного пространства и газораспределителя, которые находятся в нижней части реактора. В этой системе циркулирующий водород поступает прямо в трехфазный псевдоожиженный слой через газораспределитель, образуя быстродвижущийся пульсирующий поток водорода возле газораспределителя, который способствует сильному перемешиванию на дне трехфазного псевдоожиженного слоя для предотвращения спекания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ РИСУНКОВ

На Фиг.1 представлена графическая схема многоэтапного процесса ожижения углеродосодержащего твердого топлива согласно данному изобретению.

Ниже перечислены основные элементы оборудования, представленного на Фиг.1:

1 реактор с трехфазным псевдоожиженным слоем

2 нагревательная печь

3 первый теплообменник

4 сепаратор газа высокой температуры и жидкости

5 второй теплообменник

6 воздушный охладитель

7 сепаратор газа низкой температуры и жидкости

8 водородный компрессор

9 атмосферно-вакуумная сепараторная установка

10 установка приготовления и обезвоживания топливо-мазутной суспензии

11 установка газификации

12 установка приготовления водоугольной смеси

13 установка реакции конверсии/очищения синтетического газа

14 установка синтеза Ф-Т

15 установка генерации водорода

16 установка гидрогенизации нефтепродукта

На Фиг.2 (а) и 2 (b) соответственно представлены принципы двух вариантов воплощения конструкций реактора с трехфазным псевдоожиженным слоем для гидрогенизации топливо-мазутной суспензии.

Ниже перечислены основные элементы оборудования и материалы, представленные на Фиг.2(а):

61 сопло Вентури

62 подающая труба

63 нисходящая труба для суспензии

64 основной корпус реактора

65 охлаждающий теплообменник

66 механизм подачи циркулирующего водорода

67 выпускное отверстие циркулирующего водорода

68 механизм подачи сырьевой суспензии

69 отверстие выпуска отреагировавшего остатка

70 горячая вода высокого давления

71 пар высокого давления

Ниже перечислены основные элементы оборудования и материалы, представленные на Фиг.2(b):

72 подающая труба

73 свободное пространство

74 газораспределитель

75 основной корпус реактора

76 охлаждающий теплообменник

78 механизм подачи циркулирующего водорода

79 выпускное отверстие циркулирующего водорода

80 механизм подачи сырьевой суспензии

77/81 отверстие выпуска отреагировавшего остатка

82 горячая вода высокого давления

83 пар высокого давления

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Многоэтапный способ ожижения по данному изобретению далее будет описан, опираясь на Фиг.1, 2 (а) и 2(b), приведенные ниже.

Согласно Фиг.1, основные элементы оборудования, задействованные в многоэтапном процессе ожижения, включают: реактор 1 с трехфазным псевдоожиженным слоем (который также называется реактором гидрогенизации или реактором) для гидрогенизации смеси углеродосодержащего твердого топлива и мазута, нагревательную печь 2 для нагрева циркулирующего водорода, первый теплообменник 3 для циркулирующего водорода, сепаратор 4 для разделения газа высокой температуры и жидкости, второй теплообменник 5 для циркулирующего водорода, воздушный охладитель 6, сепаратор 7 для разделения газа низкой температуры и жидкости, водородный компрессор 8, атмосферно-вакуумная сепараторная установка 9 для сжиженных продуктов гидрогенизации, установка 10 для приготовления и обезвоживания топливо-мазутной суспензии, установка газификации 11 для получения синтетического газа путем газификации нефтяных остатков или водоугольной смеси, установка 12 для приготовления водоугольной смеси (из оставшегося угля), установка 13 для реакции конверсии/очищения синтетического газа, установка синтеза Ф-Т 14, установка генерации водорода 15 и установка гидрогенизации нефтепродукта 16.

Процесс многоэтапного ожижения твердого топлива согласно данному изобретению выполняется следующим образом: в установке для приготовления и обезвоживания топливо-мазутной суспензии 10 смесь твердого топлива и мазута, приготовленная из пылевидного топлива 17 и циркулирующего масла (т.е. мазута) 40, обезвоживается путем нагревания и нагревается до 300-380°С, после чего она подается в реактор через впускное отверстие в верхней части реактора гидрогенизации 1 с трехфазным псевдоожиженным слоем. При температуре около 350-450°С такая смесь частично сжижается при помощи реакции гидрогенизации с циркулирующим водородом 33, причем циркулирующий водород 33 предварительно нагревается до более 400°C в нагревательной печи 2 и поступает в реактор в его нижней части и газирует трехфазный псевдоожиженный слой для выполнения ожижения путем гидрогенизации. Полученная смесь водорода с частью легких компонентов отделяется в пространство газообразной фазы в верхней части реактора, где эта смесь охлаждается до 300-350°С при помощи охладительного теплообменника, предусмотренного в этом пространстве, после чего от нее отделяется мазут. Горячий газовый поток реакции 19 выходит из реактора гидрогенизации через верхнее отверстие реактора 1. Смесь 35, вышедшая из нижней части реактора 1, подается в атмосферно-вакуумную сепараторную установку 9 для отделения сжиженных продуктов в результате гидрогенизации.

Горячий выходящий газовый поток реакции 19, содержащий небольшое количество увлеченной смеси, охлаждается до 200-280°С путем обмена тепла в первом теплообменнике 3 для циркулирующего водорода на циркулирующий водород 32, в результате чего часть продукта гидрогенизации конденсируется, и образуется двухфазный поток газ-жидкость 20; такой 2-фазный поток газ-жидкость поступает в сепаратор газа высокой температуры и жидкости 4, где конденсат и часть увлеченной смеси разделяются газом. Конденсат 22, который в основном содержит масло, генерированное при гидрогенизации, и увлеченную смесь, подается в сепараторную установку 9. Поток газа 21, образованный в результате отделения жидкости из сепаратора газа высокой температуры и жидкости 4, производит теплообмен с холодным циркулирующим водородом 31 во втором теплообменнике 5 для циркулирующего водорода, после чего полученный поток газа 23 поступает в воздушный охладитель 6 для дальнейшего охлаждения, после чего конденсированный пар 24, состоящий из легких нефтепродуктов, полученных в результате гидрогенизации, и воды, поступает в сепаратор для разделения газа низкой температуры и жидкости 7, где происходит разделение легких нефтепродуктов и воды и отделяются чистые легкие нефтепродукты 25, которые подаются в установку гидрогенизации нефтепродукта 16 для дальнейшей обработки, а также вода 26, которая подается в установку для приготовления водоугольной смеси 12 в качестве сырьевого материала для приготовления угольной смеси для газификации. Поток газа 27 из сепаратора для разделения газа низкой температуры и жидкости 7 делится на 2 части: больший поток 29 сжимается в водородном компрессоре 8 для получения потока водорода 30, который смешивается с потоком подпиточного водорода 34 из установки генерации водорода. Смешанный поток водорода 31 поступает во второй теплообменник 5 для циркулирующего водорода для теплообмена с потоком газа 21, а поток водорода 32, выпущенный из второго теплообменника 5, совершает теплообмен с выходящим газовым потоком 19 в первом теплообменнике 3, после чего полученный поток водорода повторно нагревается в нагревательной печи для получения потока водорода 33 циркулирующего водорода; меньший поток газа 28 поступает в качестве хвостового газа гидрогенизации угольной смеси в установку генерации водорода 15 для восстановления сжиженного нефтяного газа (СНГ), легких нефтепродуктов, водорода и топливного газа.

Прореагировавшая смесь 35, вышедшая из реактора гидрогенизации 1, и конденсат 22, загрязненный небольшим количеством увлеченной смеси из сепаратора газа высокой температуры и жидкости 4, подаются в сепараторную установку 9 для отделения дистиллята бензина 38, дистиллята дизельного топлива 36 и дистиллята мазута 39. Все эти три вида дистиллятов подаются в установку гидрогенизации 16 для проведения гидрогенизации, и небольшое количество генерированного газа 37 поступает в установку генерации водорода для ликвидации. Мазутные шламы 41, выходя из нижней части колонки ректификации под вакуумом атмосферно-вакуумной сепараторной установки 9, делятся на две части: одна часть 42 поступает в установку газификации 11 для газификации; другая часть 43 поступает в установку приготовления водоугольной смеси 12 для охлаждения разбрызгиванием с целью приготовления водоугольной смеси 46, используемой для газификации или прямо в качестве печного топлива. Указанный дистиллят мазута может быть использован напрямую как мазут (т.е. циркулирующий мазут) для приготовления топливо-мазутной суспензии; или может быть вначале гидрогенизирован в установке гидрогенизации перед тем, как перейти к приготовлению топливо-мазутной суспензии. На Фиг.1 изображено вышеописанное техническое решение.

Кислород 59 из установки генерации кислорода и мазутные шламы 42 из атмосферно-вакуумной сепараторной установки 9 соединяются в установке газификации 11 для получения синтетического газа 47 путем газификации. Синтетический газ обрабатывается при помощи установки для реакции конверсии/очистки синтетического газа 13, и полученный продукт делится на два потока: поток 48 подается в установку синтеза Ф-Т 14 в качестве сырья нефтепродуктов на основе углеводорода с неразветвленными цепями для производства нефти синтеза Ф-Т 52; второй поток 49 подается в установку генерации водорода 15 для генерации водорода, после чего часть полученного потока водорода 58 из этой установки используется в качестве водородного сырья для установки гидрогенизации 16; остальная часть потока водорода 34 служит в качестве подпиточного водорода в процессе гидрогенизации угольной суспензии после обработки. Нефтепродукты, полученные в установке гидрогенизации 16, включают потоки 53-57 СНГ, бензина, авиационного керосина, дизельного топлива и некоторых других соответствующих химических продуктов.

На Фиг.1 установка гидрогенизации объединяет несколько нисходящих процессов гидрогенизации согласно данному изобретению, причем она включает установку гидрорафинации легких нефтепродуктов 25, установку гидрорафинации и гидрокрекинга нефти синтеза Ф-Т 52, установку гидрогенизации возможно существующего мазута (дистиллята мазута 39), оборудование для фракционирования и некоторые дополнительные приспособления.

В вышеуказанном процессе поток водорода 37, отделенный от атмосферно-вакуумной сепараторной установки 9, и водородный поток 50, полученный из установки генерации водорода, используются в качестве топливного газа для печей всего завода после необходимой обработки. Вся отработанная нефтесодержащая вода, полученная после вышеуказанных процессов, включая водный поток 26 из сепаратора газа низкой температуры и жидкости 7, отработанную воду 51 из установки синтеза Ф-Т и отработанную воду 60 из установки приготовления и обезвоживания топливо-мазутной суспензии 10, может быть использована для приготовления водоугольной смеси. Поток чистого кислорода (чистота: 99,6%) 59, необходимый на этапе газификации процесса производства синтетического газа, отделяется от сжатого воздуха в цехе завода для воздушной сепарации.

В вышеуказанном многоэтапном процессе ожижения вышеуказанные «мягкие условия» для процесса гидрогенизации топливо-мазутной суспензии означают, что давление должно быть ниже 50 атм, а температура - ниже 470°С; содержание сухого вещества в суспензии, приготовленной из твердого топлива, должно составлять от 10% до 70% весовой концентрации, желательно - от 20% до 65% весовой концентрации, а еще лучше - от 40% до 65% весовой концентрации. Легкие нефтепродукты, полученные в результате процесса гидрогенизации топливо-мазутной суспензии, составляет от 5% до 40% весовой концентрации твердых добавок, желательно - от 5% до 25% весовой концентрации твердых добавок; теплотворная способность нефтяных остатков, полученных из топливо-мазутной суспензии после генерации и отделения легких нефтепродуктов, составляет от 3000 ккал/кг до 10000 ккал/кг, желательно - от 6000 ккал/кг до 9000 ккал/кг, чтобы повысить эффективность производства синтетического газа.

В вышеуказанном многоэтапном процессе ожижения в установке синтеза Ф-Т 14 могут быть использованы любые стандартные процедуры и оборудование для синтеза Ф-Т, желательно применение процесса и реактора синтеза Ф-Т с трехфазным псевдоожиженным слоем (Китайская патентная заявка номер: 200710161575.1 или международная патентная заявка номер: PCT/CN2007/002941) компании Synfuels China; отработанный катализатор, использованный в таком процессе синтеза Ф-Т, может быть использован в качестве катализатора в реакции ожижения топливо-мазутной суспензии путем гидрогенизации.

В вышеуказанном процессе многоэтапного ожижения сырьевым материалом циркулирующего мазута для приготовления топливо-мазутной суспензии является мазут, отделенный от тяжелых нефтяных остатков из установки частичного ожижения путем гидрогенизации. Такой мазут можно сразу же использовать для приготовления топливо-мазутной суспензии, или же его можно частично или полностью гидрогенизировать перед приготовлением суспензии, чтобы повысить выход легких нефтепродуктов после гидрогенизации суспензии.

Ключевые моменты этого многоэтапного процесса ожижения заключаются в частичном ожижении твердого топлива путем гидрогенизации для восстановления части легких нефтепродуктов перед производством синтетического газа; полученный синтетический газ может быть использован для получения нефти синтеза Ф-Т при помощи процесса синтеза Ф-Т, или же может быть использован для производства других продуктов. Следовательно, данный многоэтапный процесс ожижения способен эффективно преобразовать углеродосодержащее твердое топливо в нефтепродукты, однако каждый отдельный этап процесса этим не ограничивается.

Частичное ожижение топливо-мазутной суспензии путем гидрогенизации по данному изобретению может быть выполнено с использованием любого стандартного реактора гидрогенизации похожей конструкции, желательно с использованием реактора высокой пропускной способности с трехфазным псевдоожиженным слоем, описанного в данном изобретении. Данное изобретение предлагает две конструкции реактора высокой пропускной способности с трехфазным псевдоожиженным слоем, которые будут описаны, опираясь на рисунки 2(а) и 2(b).

На Фиг.2(а) и 2(b) изображены две конструкции реактора высокой пропускной способности с трехфазным псевдоожиженным слоем данного изобретения, причем основное различие этих двух конструкций заключается в способе подачи циркулирующего водорода.

На Фиг.2(а) представлен один вариант воплощения реактора согласно данному изобретению, который в основном включает:

впускную систему циркулирующего водорода, предусмотренную в нижней части реактора, которая состоит из сопла Вентури 61, подающей трубы 62 и нисходящей трубы для суспензии 63; механизм подачи циркулирующего водорода 66, предусмотренный в нижней части основного корпуса реактора 64, и выпускное отверстие циркулирующего водорода 67, предусмотренное в верхней части основного корпуса реактора 64; охлаждающий теплообменник 65 в пространстве для газообразной фазы в верхней части реактора; механизм подачи сырьевой смеси (т.е. топливо-мазутной суспензии) для гидрогенизации 68, предусмотренный в средней верхней части реактора, и отверстие выпуска продукта гидрогенизации (т.е. нефтяных остатков) 69, предусмотренное в нижней части реактора.

В варианте воплощения согласно Фиг.2(а) впускная система циркулирующего водорода состоит из сопла Вентури 61, подающей трубы 62 и нисходящей трубы для суспензии 63, которые находятся в нижней части реактора; подающая труба 62 расположена тангенциально к стенке основного корпуса реактора 64. Указанная система осуществляет подачу следующим образом: всасывающий эффект, производимый соплом Вентури после подачи циркулирующего водорода вводит определенное количество суспензии в механизм подачи циркулирующего водорода 66, благодаря чему смесь циркулирует вдоль цепи 63-61-62; поскольку подающая труба 62 расположена тангенциально к стенке основного корпуса реактора 64, образуется вихрь, вследствие чего в трехфазном псевдоожиженном слое появляется сильная турбулентность, и в результате образуется однородная зона перемешивания для предотвращения застойных зон и спекания.

Фиг.2(b) относится к другому варианту воплощения реактора данного изобретения, который в основном включает: впускную систему циркулирующего водорода, предусмотренную в нижней части реактора, которая состоит из подающей трубы 72, свободного пространства 73 и газораспределителя 74; механизм подачи циркулирующего водорода 78, предусмотренный в нижней части основного корпуса реактора 75, и выпускное отверстие циркулирующего водорода 79, предусмотренное в верхней части основного корпуса реактора 75; охлаждающий теплообменник 76, предусмотренный в пространстве газообразной фазы в верхней части реактора; механизм подачи сырьевой смеси (т.е. топливо-мазутной суспензии) 80, предусмотренный в средней части реактора, и отверстия выпуска продукта гидрогенизации (т.е. нефтяных остатков) 77/81, предусмотренные в нижней части реактора.

В варианте воплощения согласно Фиг.2(b) впускная система циркулирующего водорода состоит из подающей трубы 72, свободного пространства 73 и газораспределителя 74, которые расположены в нижней части реактора. Указанная система осуществляет подачу следующим образом: циркулирующий водород через механизм подачи 78 вводится в свободное пространство 73 в нижней части реактора и далее входит в трехфазный псевдоожиженный слой через газораспределитель, образуя быстродвижущийся пульсирующий поток водорода возле газораспределителя, который способствует сильному перемешиванию в нижней части трехфазного псевдоожиженного слоя для предотвращения спекания.

Помимо впускной системы циркулирующего водорода другие части реактора с трехфазным псевдоожиженным слоем по данному изобретению могут иметь любую стандартную конструкцию, используемую в этой сфере, причем такие части могут быть такими же или другими, но общим правилом для этих разных конструкций является то, что такая конструкция должна выполнять частичное ожижение топливо-мазутной суспензии путем гидрогенизации.

Если взять в качестве примера процессы, выполняемые оборудованием, изображенным на Фиг.2(а), механизм подачи сырьевой смеси (т.е. топливо-мазутной суспензии) 68 разделен на множество потоков в верхней части трехфазного псевдоожиженного слоя и вводится в реактор. Отверстие выпуска прореагировавшего остатка 69 выводится из реактора под впускным отверстием циркулирующего водорода (т.е. подающей трубой 62), предусмотренной в нижней части реактора. Вышеуказанная конфигурация обеспечивает достаточное время пребывания сырьевой смеси в реакторе для частичного ожижения путем гидрогенизации. Циркулирующий водород газирует трехфазный псевдоожиженный слой 64 основного корпуса реактора, покидает слой взвешенного осадка в верхней части и входит в пространство газообразной фазы в верхней части реактора, где газ охлаждается при помощи охлаждающего теплообменника 65, вследствие чего большая часть тяжелых продуктов конденсируется и возвращается к трехфазному псевдоожиженному слою реактора, а выходящий поток через выпускное отверстие циркулирующего водорода 67 выпускается из верхней части реактора. Теплоносителем в теплообменной трубке охлаждающего теплообменника 65 является горячая вода высокого давления 70, которая преобразуется в пар высокого давления 71 с давлением приблизительно 50 атм после теплообмена. Такой пар высокого давления может использоваться по кругу в качестве паровой энергии. Частичное ожижение путем гидрогенизации данного изобретения представляет собой низкоэкзотермическую реакцию, так что внутренняя температура реактора может эффективно контролироваться путем регулировки температуры механизма подачи циркулирующего водорода 66, температуры механизма подачи сырьевой смеси 68 и давления пара высокого давления 71, образующегося в охлаждающем теплообменнике 65.

Если взять в качестве примера процессы, выполняемые оборудованием, изображенным на Фиг.2(b), механизм подачи сырьевой смеси 80 (исходной топливо-мазутной суспензии) разделен на множество потоков, которые вводятся в реактор в верхней части трехфазного псевдоожиженного слоя. Прореагировавшая смесь (выходящий поток продукта гидрогенизации из выпускного отверстия) 77/81 выводится через нижнюю часть реактора. Вышеуказанная конфигурация обеспечивает достаточное время пребывания сырьевой смеси в реакторе для частичного ожижения путем гидрогенизации. Циркулирующий водород газирует трехфазный псевдоожиженный слой 75, покидает слой взвешенного осадка в верхней части и входит в пространство газообразной фазы в верхней части реактора, где газ охлаждается при помощи охлаждающего теплообменника 76, вследствие чего большая часть тяжелых продуктов конденсируется и возвращается к трехфазному псевдоожиженному слою реактора, и выходящий поток из верхней части реактора выпускается через выпускное отверстие циркулирующего водорода 79. Теплоносителем в теплообменной трубке охлаждающего теплообменника 76 является горячая вода высокого давления 82, которая преобразуется в пар высокого давления 83 с давлением приблизительно 50 атм после теплообмена. Такой пар высокого давления может использоваться по кругу в качестве паровой энергии. Частичное ожижение путем гидрогенизации по данному изобретению представляет собой низкоэкзотермическую реакцию, так что внутренняя температура реактора может эффективно контролироваться путем регулировки температуры механизма подачи циркулирующего водорода 78, температуры механизма подачи сырьевой смеси 80 и давления пара высокого давления 83, образующегося в охлаждающем теплообменнике 76.

С учетом конструкции, количество циркулирующего водорода должно удовлетворять двум требованиям: во-первых, объемное отношение водорода к сырьевой топливо-мазутной суспензии составляет более 600 во время работы реактора; во-вторых, поверхностная скорость газа (в условиях реакции) в пределах реактора с трехфазным псевдоожиженным слоем составляет от 0,15 м/с до 0,4 м/с, предпочтительно - от 0,2 м/с до 0,3 м/с. Конструкция основного корпуса реактора также должна способствовать тому, чтобы время пребывания сырьевой топливо-мазутной суспензии в трехфазном псевдоожиженном слое составляло более 20 минут, в основном от 20 минут до 1,5 часа.

Например, производительность одного реактора с трехфазным псевдоожиженным слоем с внутренним диаметром 6 метров и высотой 42 метра может достигать 1500 тонн/час, что эквивалентно 750 тоннам/час для сырого угля, что означает, что производительность по сырому углю одного реактора с трехфазным псевдоожиженным слоем с внутренним диаметром 6 метров может достичь 6 миллионов тонн/год. Если внутренний диаметр увеличить до 8 метров, производительность по сырому углю повысится до 10 миллионов тонн/год, что полностью удовлетворяет требованиям для крупномасштабного многоэтапного процесса частичного ожижения путем гидрогенизации.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Многоэтапный процесс ожижения согласно данному изобретению далее подробно описывается, опираясь на нижеприведенные примеры; тем не менее, нижеприведенные примеры никоим образом не ограничивают объем притязаний данного изобретения.

ПРИМЕР 1. Многоэтапный процесс ожижения с использованием в качестве сырьевого материала очищенного угля №1 из месторождений SHENFU-DONGSHENG

В этом примере проводится многоэтапное ожижение очищенного угля №1 SHENFU-DONGSHENG, для чего используются специальные процедуры и оборудование, представленное на Фиг.1 и 2(а), а технологический процесс характеризуется следующим:

1) очищенный уголь №1 SHENFU-DONGSHENG в качестве сырьевого углеродосодержащего твердого топлива смешивают с мазутом для получения топливо-мазутной суспензии, содержание твердого в топливо-мазутной суспензии составляет 50% весовой концентрации; в реакторе с трехфазным псевдоожиженным слоем, изображенным на Фиг.2(а), такая топливо-мазутная смесь ожижается путем гидрогенизации под низко-средним давлением, причем эксплуатационные условия гидрогенизации характеризуются давлением 25 атм и температурой 400°С; далее полученное легкие нефтепродукты и мазутные шламы разделяют; при этом мазут, используемый для приготовления топливо-мазутной суспензии, это мазут, отделенный от тяжелых нефтяных остатков; катализатор гидрогенизации - это отработанный катализатор процесса синтеза Ф-Т; вышеуказанные легкие нефтепродукты далее гидрорафинируют для получения очищенной нефти;

2) мазутные шламы, полученные на этапе 1), при температуре 200°С подают в газогенератор для производства синтетического газа под давлением 50 атм и при температуре 1350°С и добавляют немного перегретого пара высокого давления, составляющего от 5% до 10% весовой концентрации от остаточной смеси, для снижения образования газовой сажи;

3) часть полученного синтетического газа используют для получения водорода; и

4) большую часть получаемого синтетического газа преобразуют в высококачественные нефтепродукты, в основном содержащие углеводороды с неразветвленной цепочкой, посредством технологии синтеза Ф-Т при высокой температуре (компании Synfuels China), а также с использованием процесса синтеза Ф-Т и оборудования реактора с трехфазным псевдоожиженным слоем (Китайская патентная заявка номер: 200710161575.1 или международная патентная заявка номер: PCT/CN2007/002941). После гидрорафинации и гидрокрекинга, вышеуказанные высококачественные нефтепродукты соединяют с очищенной легкими нефтепродуктами, полученными на этапе 1), далее фракционируют для получения различных высококачественных нефтепродуктов, таких как СНГ, бензин, авиационный керосин, дизельное топливо и т.д.

РЕЗУЛЬТАТЫ ПРИМЕРА 1:

Теплотворная способность очищенного угля №1 SHENFU-DONGSHENG составляет 6000 ккал/кг, а теплотворная способность сухого угля составляет 6700 ккал/кг. В нижеприведенной таблице приведены данные по балансу основных материалов для всего завода, принимающего участие в эксперименте, используя вышеуказанный многоэтапный процесс ожижения при 1500 тонн/час сухого угля, причем сырьевой уголь содержит 29% весовой концентрации летучих веществ и менее 8% весовой концентрации золы. Все мазутные шламы, полученные в результате процесса гидрогенизации топливо-мазутной суспензии (в рамках этого примера это относится к угольно-мазутной суспензии, приготовленной из угля и мазута), используют для производства синтетического газа путем газификации; в то же время, остальная часть органического углеводородного топливного газа, полученного в процессе гидрогенизации и синтеза Ф-Т, также полностью преобразуется в синтетический газ после достижения баланса между топливом и газом. Основные параметры процесса, показатели расхода сырья и выхода основных продуктов приведены в таблице ниже.

ПРИМЕР 2. Многоэтапный процесс ожижения с использованием в качестве сырьевого материала лигнита Hulunbeier

Пример основан на использовании лигнита Hulunbeier, a также всех процессов и оборудования, как в примере 1.

В нижеприведенной таблице приведены данные по балансу основных материалов для всего завода, принимающего участие в эксперименте, используя многоэтапный процесс ожижения при 1500 тонн/час лигнита Hulunbeier, теплотворная способность которого составляет 4000 ккал/кг, влажность - 35% весовой концентрации, летучие компоненты - 40% весовой концентрации, а зола - менее 10% вес. конц. Все мазутные шламы, полученные в результате процесса гидрогенизации топливо-мазутной суспензии (в рамках этого примера это относится к угольно-мазутной суспензии, приготовленной из угля и мазута), используются для производства синтетического газа путем газификации; в то же время, остальная часть органического углеводородного топливного газа, полученного в процессе гидрогенизации и синтеза Ф-Т, также полностью преобразуется в синтетический газ после достижения баланса между топливом и газом. Основные параметры процесса, показатели расхода сырья и выхода основных продуктов приведены в таблице ниже.

Как видно из примера 1 и 2, многоэтапный процесс ожижения согласно данному изобретению частично ожижает сырьевой уголь путем гидрогенизации на первом этапе, вследствие чего образуется определенное количество легких нефтепродуктов и одновременно повышается теплотворная способность газифицированного сырьевого материала. Таким образом, он значительно повышает эффективность производства синтетического газа, а также выход нефтепродуктов. Вышеприведенные результаты говорят о том, что в случае использования в этом изобретении высококачественного угля (как показано на примере 1), тепловой КПД всего завода достигает 57-60%; если же сырьевой материал представлен низкосортным углем, таким как лигнит (как показано на примере 2), тепловой КПД всего завода достигает 55%. По сравнению с существующей технологией перегонки угля в жидкость, тепловой КПД которой для всего завода достигает 38%-48%, тепловой КПД для всего завода в этом изобретении выше на 10-20%. Следовательно, способ по данному изобретению обеспечивает более совершенное техническое решение по эффективному и чистому использованию запасов углеродосодержащего твердого топлива.

Варианты воплощения данного изобретения подробно описаны выше. Специалистам в этой сфере должно быть понятно, что возможно вносить различные изменения и модификация, не отходя от сущности данного изобретения. Все изменения и модификации находятся в рамках правовой охраны данного изобретения.

Реферат

Изобретение относится к многоэтапному способу ожижения углеродосодержащего твердого топлива, причем такой способ включает следующие этапы: 1) один или несколько видов углеродосодержащего твердого топлива смешивают с мазутом до образования топливо-мазутной суспензии, после чего такую топливо-мазутную суспензию обезвоживают при помощи нагревания и далее частично ожижают путем гидрогенизации при низко-среднем давлении, в результате чего образуются легкие компоненты нефти и мазутные шламы; 2) легкие компоненты нефти, полученные на этапе 1), гидрорафинируют для получения очищенной нефти; 3) мазутные шламы, полученные на этапе 1), газифицируют для получения синтетического газа; 4) синтетический газ, полученный на этапе 3), при помощи обычного процесса синтеза Ф-Т преобразуют в нефть синтеза Ф-Т; 5) нефть синтеза Ф-Т, полученная на этапе 4), далее проходит гидрорафинацию и гидрокрекинг для получения очищенной нефти, которую далее фракционируют для получения высококачественных нефтяных продуктов, включая сжиженный нефтяной газ (СНГ), бензин, авиационный керосин, дизельное топливо и другие соответствующие химические продукты. Изобретение также касается реактора с трехфазным псевдоожиженным слоем. Технический результат - эффективное преобразование углеродосодержащего твердого топлива в нефтепродукты. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 пр.

Формула