一种石油焦连续催化气化装置及其使用方法

技术领域

本发明属于能源资源化利用技术领域，尤其涉及一种石油焦连续催化气化装置及其使用方法。

背景技术

随着对轻质油品需求量的逐年上升以及轻质原油储量的不断下降，由重油、减压渣油、裂化渣油等劣质油品开发利用所产生的石油焦量不断增加。国内石油焦的利用主要集中在活性炭、水泥及炼铝等行业。面对日益严苛的环保要求，石油焦尤其是高硫石油焦难觅出路。石油焦碳含量高、灰分低、热值高，是一种潜在的燃料或气化原料。但同时石油焦含有较多硫、重金属等污染物，直接燃烧，利用效率低，还伴随着NOx和SO2等有害气体的释放，环境污染压力大。利用气化技术将石油焦转化为合成气，进而为石化炼制过程提供所需氢气，可大幅提高石油焦的转化和利用效率。同时，气化技术对气体净化有着较为完善的处理工艺，因而是处理石油焦的理想技术。然而，经液相重质烃类裂解缩聚而成的石油焦，石墨化程度较高，比表面积较小，气化反应活性差，极大影响了其气化利用。此外，无论是气化反应前还是反应后石油焦的物理特性与煤作为气化原料存在巨大差异，这也就导致当前常用于煤气化的工业化装置不能够直接用于石油焦气化，且难以实现清洁高效利用石油焦的目的。

通过添加碱金属或碱土金属盐类碱金属催化剂，可大幅提高气化反应速率，降低气化反应温度，是提高气化反应效率的重要手段。当前催化气化技术已在煤气化中实现了示范化应用，如新奥集团已建成了国内首套的千吨级规模煤催化气化示范装置。煤催化气化过程中，碱金属催化剂的回收和再生是制约煤催化气化技术的瓶颈问题。碱金属催化剂中的碱金属盐类会与煤灰中Si、Al等反应生成无催化活性的硅铝酸盐，从而降低气化活性，且增加了碱金属催化剂再生难度。与煤催化气化相比，石油焦中灰含量远低于煤，且石油焦灰多为石油炼制过程中残留的重金属Ni、V等，这类金属的存在几乎不会与碱金属盐类发生反应，故也就不会影响碱金属盐类的催化气化活性，因此采用催化气化技术处理石油焦，较煤催化气化更具优势。

对石油焦气化研究方面，公开号为CN218321244U的专利公开了一种石油焦气化装置，包括箱体、底座和出料口，底座的顶端安装有箱体，过滤箱的顶端安装有盖体，且盖体的顶端安装有把手。该专利通过在出料口的一侧安装有过滤箱，过滤箱内部设置有第一滤网和第二滤网，第一滤网和第二滤网可以滑入定位块的内部，出料的气体可以通过第一滤网和第二滤网进行过滤，第一滤网上设置有细密的孔洞，第一滤网可以对灰尘进行过滤，第二滤网可以通过活性炭材料制成，第二滤网可以吸收气体内部的杂质，需要拆卸滤网时，盖体和过滤箱构成卡合结构，可以抓住把手将盖体打开，再将第一滤网和第二滤网拆卸下来进行更换，以此来达成石油焦气化的装置便于对出料的气体进行过滤的目的。

公开号为CN112457884A的专利公开了一种石油焦气化装置，包括，加压及输送单元，其用于将粉状石油焦加压输送；细灰循环单元，其于加压及输送单元连接，用于接收加压及输送单元输送的一部分粉状石油焦；气化单元，其与加压及输送单元连接，用于接收所述加压及输送单元的一部分粉状石油焦，并将该部分粉状石油焦气化，产生合成气；其中，气化单元还与细灰循环单元连接，以使得经合成器带出的细灰进入细灰循环单元，在细灰循环单元中的粉状石油焦和细灰经过处理后再次进入气化单元进行气化，以提高石油焦的碳转化率。

上述两个专利都是针对石油焦气化装置结构优化，以提高碳转化率，包括在出料口设置多重滤网过滤合成气和设置细灰循环单元等方面。但相关研究对石油残渣原料处理，气化工艺选择，石油残渣中贵重金属回收等方面的研究依然较为欠缺。目前石油残渣直接气化仍然存在气化温度高，能耗较高的问题。而现有的催化气化工艺存在碱金属催化剂添加困难，回收流程繁琐、效率不高等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种石油焦连续催化气化装置及其使用方法，用于解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种石油焦连续催化气化装置，包括：反应器壳体、进料布料装置和灰盘装置，所述反应器壳体顶端设置有进料口，侧壁上设置有出气口，底端设置有出渣口，所述进料布料装置包括均匀布料器，所述均匀布料器转动连接在所述反应器壳体内部，并位于所述进料口的下方，所述灰盘装置包括灰盘，所述灰盘转动连接在所述反应器壳体内部，所述反应器壳体底端设置有进气管，所述进气管从所述反应器壳体底部伸入到所述灰盘的下方，所述灰盘上分布有多个气体分布口，所述反应器壳体内部在所述出气口与所述灰盘之间从上到下依次为裂解区、还原区和氧化区。

进一步地，所述进料布料装置还第一驱动器，所述第一驱动器安装在所述反应器壳体的内部上方，所述第一驱动器驱动所述均匀布料器转动。

进一步地，所述进料布料装置还包括搅拌器，多个所述搅拌器安装在所述均匀布料器底端延伸端上。

进一步地，所述灰盘呈锥形。

进一步地，所述灰盘装置还包括第二驱动器，所述第二驱动器安装在所述反应器壳体内部的下方，所述第二驱动器驱动所述灰盘转动。

进一步地，所述反应器壳体下方的外侧壁设置有检修口。

一种石油焦连续催化气化装置的使用方法，包括如下步骤：

S1.反应启动阶段：将碱金属催化剂与石油焦按照一定比例从进料口进料，同时从进气管通入氧气加水蒸气，利用催化燃烧反应放热维持反应器壳体内温度和催化气化反应所需热量；按一定进料速率补充新鲜石油焦样品，逐渐达到反应器壳体内温度、石油焦进料、出气口的气体产量稳定的状态；

S2.稳定阶段：

裂解区：高温一氧化碳、氢气体和少量细颗粒物由下方通过裂解区，预热新加入的石油焦的同时，亦将挥发态的碱金属催化剂从氧化区和还原区迁移到裂解区，并在气体的裹挟下与冷态的石油焦充分接触并附着在石油焦表面，同时石油焦中残存的挥发分会发生轻微的催化热裂解反应；

还原区：随着反应器内石油焦的消耗，石油焦从裂解区向下移动至还原区，并与高温水蒸气反应发生催化气化和重整反应，生成得大量的一氧化碳、氢气体和少量细颗粒物的粗合成气产物，粗合成气经裂解区换热后从出气口排出；粗合成气通过水洗分离其中的杂质颗粒及微量的气态碱金属离子，得到较为纯净的合成气体；

氧化区：未反应完全的负载有碱金属催化剂的石油残焦继续下降至氧化区，与从下方灰盘上气体分布口出来的氧气和水蒸气接触，优先发生催化燃烧反应，使石油焦中的有机质充分反应，同时产生热量加热气体升温并促使碱金属催化剂向还原区和裂解区挥发；

S3.反应停止阶段：预先减少顶部进料口石油焦和底部进气管水加氧气的通入，直至反应器壳体内温度达到50℃以下，然后灰盘旋转，残渣和灰分掉落至反应器壳体底部的出渣口排出。

进一步地，在步骤S1之前，预先采用天然气或重油对气化炉进行烘炉，将炉温烘至600～800℃。

进一步地，在步骤S2中，连续反应一段时间后，石油焦中的重金属类灰分及部分碱金属催化剂在灰盘上方堆积，灰盘旋转，使得灰分掉落至出渣口进行回收，灰分经过酸碱分离手段处理将石油焦灰分中的Ni/V金属以及部分被带出的碱金属催化剂提炼出来进行再生利用。

进一步地，在步骤S3中，灰盘旋转，使得残渣和灰分排出干净之后，通过检修口对设备进行检修，或是更换配件。

本发明的有益效果在于：

本发明只进行一次性添加碱金属盐类催化剂，避免了传统催化气化需要预先将催化剂与原料均匀混合的工艺劣势，提出通过利用反应器壳体内从上至下裂解区(200℃～700℃)、还原区(700℃～1200℃)和氧化区，三个分区内的温度不同，使碱金属盐类催化剂在反应器壳体内不断进行挥发-沉积循环，自主实现均匀分布催化剂于新鲜石油焦表面的目的，最终使催化气化反应能够不断进行，从而大幅度降低气化反应温度；同时实现了石油焦中贵重金属的回收和高效生成合成气的目的，最终实现对石油焦的清洁高效资源化利用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是一种石油焦连续催化气化装置的结构示意图。

其中，图中：

10-反应器壳体、11-进料口、12-出气口、13-出渣口、14-进气管、15-裂解区、16-还原区、17-氧化区、18-检修口、21-均匀布料器、22-第一驱动器、23-搅拌器、31-灰盘、311-气体分布口、32-第二驱动器、40-碱金属催化剂。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

参照附图1所示，本发明提供一种石油焦连续催化气化装置，包括：包括：反应器壳体10、进料布料装置和灰盘装置，反应器壳体10顶端设置有进料口11，侧壁上设置有出气口12，底端设置有出渣口13，进料布料装置包括均匀布料器21，均匀布料器21转动连接在反应器壳体10内部，并位于进料口11的下方，均匀布料器21使反应器壳体10内物料层高度较为一致；灰盘装置包括灰盘31，灰盘31转动连接在反应器壳体10内部，反应器壳体10底端设置有进气管14，进气管14从反应器壳体10底部伸入到灰盘31的下方，灰盘31上分布有多个气体分布口311(气体分布口是在灰盘侧壁上斜向下的开口，灰盘上的灰分不会从气体分布口向下掉落到出渣口13中)，反应器壳体10内部在出气口12与灰盘31之间从上到下依次为裂解区15、还原区16和氧化区17。

优选的一种实施例，进料布料装置还第一驱动器22，第一驱动器22安装在反应器壳体10的内部上方，第一驱动器22驱动均匀布料器21转动。

优选的一种实施例，进料布料装置还包括搅拌器23，多个搅拌器23安装在均匀布料器21底端延伸端，在裂解区15、还原区16和氧化区17均对应设置有搅拌器23，搅拌器23能够实现石油焦、碱金属催化剂40和反应气(氧气加水蒸气，或是氧气加二氧化碳)的充分混合。

优选的一种实施例，灰盘31呈锥形，反应一段时间之后，灰分等残渣落在锥形的灰盘31上，灰盘31旋转时易于落入到下方的出渣口13。

优选的一种实施例，灰盘装置还包括第二驱动器32，第二驱动器32安装在反应器壳体10内部的下方，第二驱动器32驱动灰盘31转动。

优选的一种实施例，反应器壳体10下方的外侧壁设置有检修口18。

实施例2

一种石油焦连续催化气化装置的使用方法，包括反应启动阶段、稳定阶段和反应停止阶段。

S1.反应启动阶段：本发明采用一次性添加碱金属催化剂40的方法，预先采用天然气、重油等对气化炉进行烘炉，将炉温烘至600～800℃之后，将碱金属催化剂40与石油焦按照一定比例(催化剂占气化炉内石油焦料质量分数的10％～80％之间)从反应器壳体10顶部的进料口11进料；同时，碱金属底部的进气管14通入反应气体(氧气加水蒸气，或氧气加二氧化碳气体)，通过催化燃烧反应放热维持反应器壳体10内的温度和催化气化反应所需热量；持续通过进料口11按一定进料速率补充新鲜石油焦样品，逐渐实现反应器壳体10内的温度、石油焦进料、出气口12的气体产量稳定的状态；

S2.稳定阶段：石油焦经均匀布料器21后在反应器壳体10内均匀布料，使反应器壳体10内物料层高度较为一致。根据炉内自上而下温度差别，可将其分为裂解区15(200℃～700℃)、还原区16(700℃～1200℃)和氧化区17(1200℃～1300℃)。高温将碱金属催化剂40从氧化区17迁移到裂解区15区，在反应气体的裹挟下与石油焦充分接触并附着在石油焦表面，同时可发生轻微的催化热裂解反应；

随着反应器壳体10内石油焦的消耗，石油焦向下移动至还原区16时，与高温水蒸气或二氧化碳反应发生催化气化、重整等反应，生成得大量一氧化碳、氢气气体和少量细颗粒物的粗合成气产物；反应产生的合成气，通过粗合成气出口排出，粗合成气出口和气体水洗净化分离装置连接，通过水洗分离其中的杂质颗粒及微量的气态碱金属离子，得到较为纯净的合成气；

未反应完全的负载有碱金属催化剂40的石油残焦继续下降至氧化区17，与从下方灰盘31上气体分布口311出来的氧气和水蒸气接触，优先发生催化燃烧反应，使石油焦中的有机质充分反应，同时产生热量加热气体升温并促使碱金属催化剂40向还原区16和裂解区15挥发；连续反应一段时间后，石油焦中的重金属类灰分及部分碱金属催化剂40在灰盘31上方堆积，此时通过灰盘31的旋转，将灰分旋转刮出反应器壳体10进行回收，灰分经过酸碱等分离手段处理将石油焦灰分中的Ni/V等金属以及部分被带出的碱金属催化剂40提炼出来进行再生利用；

S3.反应停止阶段：预先减少原料和反应气的通入，通过循环水装置给反应器壳体10缓慢降温直至温度达到50℃以下，然后通过反应器壳体10底部的灰盘31旋转将残渣排除，之后进行设备检修，更换配件操作。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。