一种重油接触轻质化及焦炭气化一体化方法和一体化装置
阅读说明：本技术 一种重油接触轻质化及焦炭气化一体化方法和一体化装置 (Heavy oil contact lightening and coke gasification integrated method and integrated device ) 是由 高金森 李大鹏 张玉明 蓝兴英 霍鹏举 王明峰 黄勇 姚晓虹 杨会民 王成秀 石 于 2019-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种重油接触轻质化及焦炭气化一体化方法和一体化装置。该一体化方法采用耦合反应器作为反应器,耦合反应器包括上部的裂解段和下部的气化段,包括：使重油原料进入耦合反应器的裂解段内,与接触剂接触而发生裂解,得到轻质油气以及积炭接触剂；积炭接触剂进入气化段内,与气化剂发生气化反应并被再生,得到再生接触剂和合成气；再生接触剂经换热降温后返回到裂解段内循环使用；合成气上行进入裂解段内；轻质油气及上行并入的合成气排出裂解段后实施气固分离,将所携带的积炭接触剂分出并回到裂解段内,同时得到净化油气。该一体化方法实现了重油裂解和焦炭气化两个反应的物料互供、热量互补,降低了能耗并节约了设备占地面积。(The invention provides an integrated method and an integrated device for heavy oil contact lightening and coke gasification. The integrated method adopts a coupling reactor as a reactor, the coupling reactor comprises an upper cracking section and a lower gasification section, and the method comprises the following steps: the heavy oil raw material enters a cracking section of a coupling reactor and contacts with a contact agent to be cracked, so that light oil gas and a carbon deposit contact agent are obtained; the carbon deposit contact agent enters the gasification section, and is subjected to gasification reaction with the gasification agent and is regenerated to obtain a regenerated contact agent and synthesis gas; the regenerated contact agent returns to the cracking section for recycling after heat exchange and temperature reduction; the synthesis gas ascends into the cracking section; and (3) after the light oil gas and the synthesis gas merged upwards are discharged from the cracking section, gas-solid separation is carried out, the carried carbon deposit contact agent is separated and returned to the cracking section, and meanwhile, purified oil gas is obtained. The integrated method realizes mutual supply and heat complementation of materials of heavy oil cracking and coke gasification reactions, reduces energy consumption and saves the floor area of equipment.)
技术领域
本发明涉及重油改质技术，具体涉及一种重油接触轻质化及焦炭气化一体化方法和一体化装置。
背景技术
重油是原油经分馏提取汽油、煤油、柴油后剩下的残余物；此外，地层中也有丰富的重油资源。重油具有组分重、氢碳比低等特点，通常还具有较高含量的硫、氮元素、重金属与残炭值等。随着原油开采不断进行，原油的重质化和劣质化问题越来越严重，加之环保法规日益严格，如何对重油进行轻质化加工，将重油转化为汽油、柴油、液化气等合格清洁油品，是目前石油加工企业所面临的主要挑战。
现阶段，重油轻质化的加工路线大致可分为加氢和脱碳两种。其中，加氢是通过重油与氢气反应而提高氢碳比。加氢处理在重油加工过程中占有重要的地位，但是由于重油残炭值、重金属与杂原子含量都较高，直接采用加氢裂化方式，往往需要大量的氢气，且通常需要在高压以及高效催化剂的条件下进行，工艺实现难度相对较高。此外由于重油具有较低的氢碳比，重油轻质化获得清洁油品过程中氢气缺乏的问题往往更加突出。
脱碳加工由于不涉及外部氢气资源的添加，总体上是对原料中碳氢资源在产物中的重新分配。目前国内外较为常用的脱碳技术主要有催化裂化和延迟焦化工艺。其中催化裂化手段通常会造成催化剂快速积炭或者中毒失活，并且重油催化裂化加工过程中生焦量较大，若采用传统的烧焦方式进行催化剂再生，往往需要大量外置取热，同时在一定程度上也是对碳资源的极大浪费。延迟焦化工艺过程中由于不涉及催化剂，因此具有更强的原料适应性。但是延迟焦化工艺副产大量的固体焦，而最新出台的环保要求对硫含量>3％的高硫焦采取限制出厂措施，因此限制了延迟焦化工艺的应用。
鉴于上述加氢和脱碳的优缺点，首先将重油裂解为轻质油品，然后对轻质油品进行加氢处理以获得合格产品，成为众多石油加工企业的选择。
CN1504404A公开了一种炼油与气化相结合的工艺方法。石油烃首先与焦炭转移剂在反应器内接触反应，油气进入后续产品分离系统，积炭的焦炭转移剂送至气化炉，与水蒸气和含氧气体等反应生成合成气，并实现积炭的焦炭转移剂的再生。再生后的焦炭转移剂返回裂解段内循环使用。本发明实现了炼油与气化两个工艺过程的结合，工艺流程接近催化裂化过程，采用焦炭气化过程代替传统的烧焦再生过程。
CN102234534A公开了一种加工劣质重油的方法，该方法选用低活性接触剂首先进行重油裂解反应，反应后的积炭接触剂输送到气化段不同反应区进行燃烧或气化再生，分别获得不同焦炭含量的半再生剂与二次再生剂，反应器内的多段再生反应一定程度上增加了工艺的操作难度。
CN102115675A公开了一种重油轻质化加工方法及装置。原料油首先在热裂化反应器内与固体热载体进行反应获得轻质油气产物。重质焦炭附着在固体热载体表面经返料阀进入燃烧(气化)反应器去除表面焦炭，再生后高温固体热载体经过分配阀部分返回热裂化反应器用作反应床料。
CN102965138A公开了一种重油双反应管半焦循环床热解气化耦合工艺，提出采用下行反应管用于重油裂解得到轻质油气产物。结焦后半焦进入提升管气化反应器与氧化剂和水蒸气发生气化反应生成合成气，反应后的高温半焦流入返料器继续进行循环，提供重油反应所需热量。
以上方法中重油裂解反应采用了流化床、提升管与下行床等不同类型的反应器，但是生成的重质焦炭需要输送到另外的反应器中进行气化、燃烧等再生反应，使物料要在多个反应器之间的循环返料操作，不仅使实际生产中设备的占地面积较大，而且能耗较高。
发明内容
针对上述缺陷，本发明提供一种重油接触轻质化及焦炭气化一体化方法，能够实现重油裂解和焦炭气化两个反应过程的物料互供、热量互补，降低重油加工过程中的能耗并节约了设备占地面积。
本发明还提供一种重油接触轻质化及焦炭气化一体化装置，采用该一体化装置加工重油，能够实现上述一体化方法，降低能耗并节约设备占地面积。
为实现上述目的，本发明提供一种重油接触轻质化及焦炭气化一体化方法，采用耦合反应器作为反应器，该耦合反应器包括上部的裂解段和下部的气化段，且裂解段和气化段之间相互贯通；该一体化方法包括：
使重油原料进入耦合反应器的裂解段内，与接触剂接触而发生裂解，得到轻质油气以及积炭接触剂；
积炭接触剂进入气化段内，与气化剂发生气化反应并被再生，得到再生接触剂和合成气；再生接触剂经换热降温后返回到裂解段内循环使用；合成气上行进入所述裂解段内；
轻质油气及上行并入的合成气排出裂解段后实施气固分离，将所携带的积炭接触剂分出并回到裂解段内，同时得到净化油气。
本发明提供的重油接触轻质化及焦炭气化一体化方法，重油原料进入耦合反应器上部的裂解段内，与接触剂接触而裂解，发生脱碳改质反应，得到轻质油气和焦炭。该焦炭附着在接触剂表面，即为积炭接触剂。积炭接触剂进入气化段，使接触剂表面的焦炭与通入气化段内的气化剂发生气化反应，得到高温合成气的同时实现了接触剂的再生。
高温合成气上行进入裂解段，不仅能够为裂解反应提供所需的热量，而且高活性的富氢合成气还能够提供重油裂解的氢气气氛，在一定程度上抑制重油裂解过程中的结焦并提高轻质油气产率。此外，该合成气自裂解段底部进入上行并入轻质油气，还能够保证接触剂充分流化，进一步提高轻质油气产率。
高温的再生接触剂可首先与水、低温水蒸气等取热介质换热，使再生接触剂的温度降低至适宜温度后，再返回到裂解段内循环使用，此外该再生接触剂也可为裂解段提供重油裂解所需部分热量和催化活性。
高温的轻质油气以及合成气上行并从裂解段排出，再经气固分离以将携带的积炭接触剂去除。分离出的积炭接触剂可返回到裂解段内，作为重油裂解的床料循环利用，同时得到的净化油气可通过油气分馏等手段，获得合成气、干气、液化气等气体产物以及轻质油品产物，还可能得到重油产物。其中轻质油品产物可以进一步切割得到不同馏程的液体产物，重油产物可以返回到裂解段进行回炼加工；合成气可作为炼厂氢气来源。
由此可见，本发明通过将裂解段和气化段集成在同一个耦合反应器中，实现了重油裂解和焦炭气化两个反应过程中的物料互供和热量互补，相较于现阶段重油催化裂化和焦炭气化工艺过程中，物料在多个反应器之间输运和循环的工艺方法，本发明提供的一体化方法不仅能够显著降低重油加工过程中的能耗、提高轻质油气产率，而且还解决了现阶段物料循环操作难度高的问题，此外还解决了当前重油加工装置占地面积大、设备投资高等问题。
本发明对于上述重油原料不做特别限定，比如可以是稠油、超稠油、油砂沥青、常压重油、减压渣油、催化裂化油浆、溶剂脱油沥青等中的一种或几种混合物，也可以是煤热解或液化过程产生的重质焦油与渣油，油页岩干馏过程产生的重油，生物质中低温热解液体产物等衍生重油的一种或几种的混合物。
发明人研究发现，本发明提供的一体化方法，对于康氏残炭值在10wt％以上的重油原料具有很好的处理效果，甚至对于康氏残炭值在15wt％以上的重油原料，仍旧具有非常好的处理效果，能够获得大量的轻质油气。
本发明中所用的接触剂，可以是目前常用的脱碳改质接触剂，比如可以是石英砂、高岭土、白土、氧化铝、硅溶胶、蒙脱石、伊利石等硅铝材料，也可以是催化裂化(FCC)工业平衡剂或废催化剂、赤泥、钢渣、高炉灰与煤灰等固体颗粒中的一种或几种。
发明人研究发现，最好选用具有相对较低裂化活性的接触剂，比如选择微反应活性指数在5～30的接触剂，以确保重油裂解过程中具有较高的裂解效率及轻质油收率。在本发明具体实施过程中，所用接触剂的微反应活性指数为10～20，比如高岭土、白土、氧化铝、硅溶胶，以及催化裂化过程中的工业平衡剂或废催化剂等。
进一步的，该接触剂最好呈微球状，其粒径最好分布在10～500μm范围内，以具有较好的流化性能；在本发明具体实施过程中，所用的接触剂的粒径分布在20～200μm范围内。
本发明中，在重油裂解过程中，积炭接触剂表面最好形成较高含量的焦炭，即具有较高焦炭含量的积炭接触剂进入气化段内进行气化反应，能够防止裂解反应和气化反应过程中大量接触剂的升温降温，确保升温过程的所耗能量主要用于焦炭的气化反应，提高整个重油加工过程中的总体能效。
具体地，在裂解过程中，最好维持接触剂表面焦炭质量含量在20％以上，比如可通过采用较小的接触剂与重油重量比(即剂油比)，以保证重油裂解过程在接触剂表面形成较高含量的焦炭。
在本发明具体实施过程中，通常控制裂解段内的反应温度为450～700℃，反应压力为0.1～3.0Mpa，反应时间为1～20秒，表观气速为1～20m/s，接触剂与重油原料的重量比(剂油比)为0.1～1.0：1。优选的，裂解反应的温度为480～580℃，反应压力为0.1～1.0Mpa，比如常压，反应时间为3～15秒，表观气速为1～20m/s，剂油比为0.2～1.0：1，进一步为0.2～0.5：1。
现阶段中，重油催化裂化过程中的剂油比通常大于1，催化剂(接触剂)表面焦炭含量通常小于5％，因此在气化再生过程中需要消耗大量的热量来加热催化剂以及为裂解反应提供热量，导致重油轻质化加工过程中的效率较低且能耗较高。与现有技术先比，采用本发明的一体化方法，由于裂解反应过程中的剂油比较低，甚至可控制在0.5以下，比如0.2～0.5，因此不需要大量的热量来实现接触剂的再生，且接触剂再生过程中所产生的合成气又为裂解反应提供热量，因此整个重油轻质化加工过程具有非常低的能耗，显著降低了重油加工过程中的生产成本。
本发明对于通入气化段内的气化剂不做特别限定，比如可以是水蒸气，也可以是含氧气体，还可以是水蒸气与含氧气体的混合气。其中含氧气体比如可以是空气、氧气等。
在本发明具体实施过程中，气化段内的反应温度一般控制在850～1200℃，反应压力一般控制在0.1～6.0Mpa，表观气速一般控制在0.1～5.0m/s，积炭接触剂的停留时间可控制在1～20min。在上述条件下进行气化反应，能够确保接触剂表面的焦炭充分反应而实现接触剂再生，并得到高品质的合成气。
该合成气自气化段上行进入裂解段，不仅能够保证接触剂流化，而且为裂解反应提供所需热量，此外高活性的富氢合成气还为重油裂解提供氢气气氛，抑制重油裂解过程中的结焦并提高轻质油气的收率。在实际生产过程中，过量的合成气还可丰富炼厂氢气来源。
本发明中，积炭接触剂在进入气化段进行气化反应再生之前，最好首先进行水蒸气汽提处理，以充分去除积炭接触剂中残留的少量轻质油气，从而有利于气化反应的顺利进行。具体地，裂解段内的积炭接触剂经过水蒸气汽提之后，在耦合反应器外输运进入气化段内再生。
在本发明具体实施过程中，在进行上述水蒸气汽提时，控制水蒸气与重油原料的质量比为0.03～0.3：1，水蒸汽的温度为200～400℃，水蒸气的表观气速为0.5～5.0m/s。其中该水蒸气可以是由低温水蒸气或者水与再生接触剂进行换热得到。
本发明中，积炭接触剂和再生接触剂可通过如下三种方式进行输运：
1)裂解段内的积炭接触剂下行，经过水蒸气汽提后，在耦合反应器外部下行进入气化段；气化段内的积炭接触剂完成焦炭气化而实现再生以后，得到的再生接触剂被引出气化段外，经外置的取热器换热降温后回到裂解段。
2)裂解段内的积炭接触剂从裂解段上部经水蒸气汽提后引出，在耦合反应器外部下行进入气化段中部。积炭接触剂在气化段气化再生后，得到的再生接触剂经内置的取热器换热后与合成气一起上行至裂解段。
在这种情况下，整个耦合反应器类似于上吸式流化床，耦合反应器内气速较大，且重油原料入口位于裂解段的下部。
3)裂解段内的积炭接触剂从裂解段下行，经过水蒸气汽提后被引出裂解段，在耦合反应器外部进入气化段中部，积炭接触剂在气化段气化再生后，得到的再生接触剂在外置的取热器换热降温后返回到裂解段。
高温轻质油气和合成气自裂解段顶部排出之前，其中携带的积炭接触剂被引出裂解段并进入气化段进行气化再生，得到的再生接触剂在外置的取热器换热后返回到裂解段。
本发明中，轻质油气和合成气被引出裂解段后实施气固分离，将其中夹带的少量积炭接触剂分离，并得到净化油气。本发明对于具体的气固分离方法不做特别限定，可采用石油加工领域所常用的气固分离手段，比如采用旋风分离的方法进行。
进一步的，在轻质油气及合成气实施气固分离之前，还可首先对其进行降温和洗涤处理，比如使其与重油原料等低温液体油品进行换热洗涤，去除高温油气中夹带的少量接触剂细粉，同时可以作为高温油气的脱过热段，抑制过度裂化与结焦等反应。而吸热后的重油原料由于量较小，且在与高温轻质油气及合成气换热后得以分散，因此可直接作为裂解反应的原料。
如前述，在气化段气化再生得到的再生接触剂可通过设置于耦合反应器外部的取热器换热后，温度降低至适宜温度，然后进入裂解段；或者，再生接触剂也可以通过设置在耦合反应器内部的取热器换热降温后进入裂解段。相较于内置式取热器，采用外置式取热器，更利于灵活控制再生接触剂换热后的温度、返回到裂解段时的速率等参数，可在一定程度上增加操作的灵活性与可靠性。
本发明还提供一种重油接触轻质化及焦炭气化一体化装置，用于实施上述一体化方法，该一体化装置至少包括耦合反应器、取热器和气固分离器，其中：
耦合反应器包括上部的裂解段以及下部的气化段，且裂解段和气化段之间相互贯通；
裂解段具有重油原料入口、积炭接触剂返回口、积炭接触剂出口和油气出口；气化段具有气化剂入口和积炭接触剂入口；裂解段的积炭接触剂出口通过外部输运管路与气化段的积炭接触剂入口连接；
取热器设置在耦合反应器内，或者取热器设置在耦合反应器外且连接裂解段和气化段；
气固分离器具有入口、固体排出口和气体排出口，其中气固分离器的入口与裂解段的油气出口连接，气固分离器的固体排出口与裂解段的积炭接触剂返回口连接。
进一步的，裂解段内上部设有水蒸气汽提段；和/或，裂解段与气化段之间设有水蒸气汽提段。比如裂解段内上部设有水蒸气汽提段，则被轻质油气和合成气携带上行的积炭接触剂首先在水蒸气汽提段进行水蒸气汽提，使积炭接触剂与高温油气实现分离；再比如在裂解段与气化段之间设置水蒸气汽提段，则积炭接触剂下行经过水蒸气汽提段进行水蒸气汽提，然后进入气化段。
本发明提供的重油接触轻质化及焦炭气化一体化方法，通过采用集成了裂解段与气化段的耦合反应器，实现了重油裂解和焦炭气化两个反应过程中的物料互供和热量互补。尤其是，通过调节合成气流量、气化剂类型等条件，还可进一步实现重油加工过程中物流与能流的匹配，确保整个重油加工过程中的稳定性，提高总体能效；通过选取适宜的接触剂以及调整裂解反应的剂油比等反应条件，还能实现重油裂解过程油品收率最大化以及气化过程的高效率，实现重油资源的油气联产。
因此，相较于现阶段重油催化裂化和焦炭气化工艺过程中，物料在多个反应器之间输运和循环的工艺方法，本发明提供的一体化方法，不仅能够显著降低重油加工过程中的能耗、提高轻质油气产率、降低了物料循环操作难度，而且还减小了重油加工装置的占地面积，降低了设备投资成本。
本发明提供的重油接触轻质化及焦炭气化一体化装置，用于实现上述一体化方法。采用该一体化装置，实现了重油裂解和焦炭气化两个反应过程中的物料互供和热量互补，降低了重油加工过程中的能耗和物料循环操作难度，提高了轻质油气产率。此外该一体化装置还具有较小的占地面积和较低的投资成本。
附图说明
图1为本发明一具体实施例中所提供的重油脱碳改质及焦炭气化一体化装置示意图一；
图2为本发明一具体实施例中所提供的重油脱碳改质及焦炭气化一体化装置示意图二；
图3为本发明一具体实施例中所提供的重油脱碳改质及焦炭气化一体化装置示意图三。
附图标记说明：
100-耦合反应器； 110-裂解段；
120-气化段； 130-降温洗涤段；
140-水蒸气汽提段； 200-取热器；
300-气固分离器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
实施例一
本发明实施例提供一种重油接触轻质化及焦炭气化一体化方法，采用耦合反应器作为反应器，该耦合反应器包括上部的裂解段和下部的气化段，且裂解段和气化段之间相互贯通；该一体化方法包括：
使重油原料进入耦合反应器的裂解段内，与接触剂接触而发生裂解，得到轻质油气以及积炭接触剂；
积炭接触剂进入气化段内，与气化剂发生气化反应并被再生，得到再生接触剂和合成气；再生接触剂经换热降温后返回到裂解段内循环使用；合成气上行进入所述裂解段内；
轻质油气及上行并入的合成气排出裂解段后实施气固分离，将所携带的积炭接触剂分出并回到裂解段内，同时得到净化油气。
上述一体化反应中的重油原料，比如可以是稠油、超稠油、油砂沥青、常压重油、减压渣油、催化裂化油浆、溶剂脱油沥青等中的一种或几种混合物，也可以是煤热解或液化过程产生的重质焦油与渣油，油页岩干馏过程产生的重油，生物质中低温热解液体产物等衍生重油的一种或几种的混合物。
在本发明一些实施例中，该重油原料的康氏残炭值大于或等于10wt％，进一步，重油原料的康氏残炭值大于或等于15wt％。
上述一体化反应中所用的接触剂，可以是目前常用的脱碳改质接触剂，尤其可以是具有相对较低裂化活性的接触剂，比如微反应活性指数在5～30的接触剂，尤其可以选择微反应活性指数为10～20的接触剂。在本发明一些实施例中，所用接触剂的微反应活性指数为10～20，比如高岭土、白土、氧化铝、硅溶胶，以及催化裂化过程中的工业平衡剂或废催化剂等。
进一步的，该接触剂最好呈微球状，其粒径分布在10～500μm；在本发明一些实施例中，所用的接触剂的粒径分布在20～200μm。
上述一体化反应中，重油裂解过程中，最好维持接触剂表面焦炭含量在20wt％以上，确保升温过程的所耗能量主要用于焦炭的气化反应，提高整个重油加工过程中的总体能效。在本发明一些实施例中，通常控制裂解段内的反应温度为450～700℃，反应压力为0.1～3.0Mpa，反应时间为1～20秒，表观气速为1～20m/s，接触剂与重油原料的重量比为0.1～1.0：1。优选的，裂解反应的温度为480～580℃，反应压力为0.1～1.0Mpa，比如常压，反应时间为3～15秒，表观气速为1～20m/s，剂油比为0.2～1.0：1，进一步为0.2～0.5：1。
在本发明一些实施例中，一般控制气化段内的反应温度为850～1200℃，反应压力为0.1～6.0Mpa，表观气速为0.1～5m/s，积炭接触剂的停留时间为1～20min。所用的气化剂比如可以是水蒸气，也可以是含氧气体，还可以是水蒸气与含氧气体的混合气。其中含氧气体比如可以是空气、氧气等。
进一步的，来自于裂解段的积炭接触剂在进入气化段之前，最好先进行水蒸气汽提，以将积炭接触剂表面残留的轻质油气予以去除，从而有利于实施气化再生。在本发明一些实施例中，水蒸气汽提时，控制水蒸气与重油原料的质量比为0.03～0.3：1，水蒸气的温度为200～400℃；水蒸气的表观气速为0.5～5.0m/s。
实施例二
本实施例提供一种重油接触轻质化及焦炭气化一体化装置，如图1至图3所示，该一体化装置至少包括耦合反应器100、取热器200和气固分离器300，其中：
耦合反应器100包括上部的裂解段110以及下部的气化段120，且裂解段110和气化段120之间相互贯通；裂解段110具有重油原料入口、积炭接触剂返回口、积炭接触剂出口和油气出口；气化段120具有气化剂入口和积炭接触剂入口；裂解段110的积炭接触剂出口通过外部输运管路(未图示)与气化段120的积炭接触剂入口连接；
取热器200设置在耦合反应器100内，或者取热器200设置在耦合反应器100外且连接裂解段110和气化段120；
气固分离器300具有入口、固体排出口和气体排出口，其中气固分离器300的入口与裂解段110的油气出口连接，气固分离器300的固体排出口与裂解段110的积炭接触剂返回口连接。
具体地，上述耦合反应器100具体可以是由本领域常用的裂解反应器和气化反应器经适当改造和组装得到，其中裂解反应器比如可以是流化床反应器，其底端与气化反应器的顶端相互贯通。裂解反应器与气化反应器最好同轴设置，以方便物料的输运和循环。
进一步的，前述一体化装置还可以包括雾化器(未图示)。该雾化器可设置在耦合反应器100外并通过重油原料入口实现与耦合反应器100的连接。这样在重油原料预热后，可首先在雾化器中实现雾化，然后进入裂解段110内。该雾化器也可设置在耦合反应器100内，作为耦合反应器100的雾化进料段，雾化进料段具体可设置在裂解段110且与重油原料入口的位置相对应，使预热后的重油原料经重油原料入口进入裂解段110内之后，首先在雾化进料段中实现雾化，然后再进行裂解反应。
请进一步参考图1至图3，前述耦合反应器100还可以包括降温洗涤段130，该降温洗涤段130一般设置在裂解段内110上部。具体地，该降温洗涤段130可以采用目前常规的焦化分馏塔或催化分馏塔内洗涤段(或脱过热段)的结构，一般使用8层或10层人字挡板或舌型塔板，旨在使上行的高温油气(即轻质油气和合成气)与下行的低温液体在降温洗涤段130发生逆流接触而换热，并去除高温油气中夹带的积炭接触剂粉末。
上述低温液体比如可以采用重油原料。由于换热后的重油原料的量不大，且在与高温油气换热过程中得以充分分散，因此一般作为低温液体的重油原料在换热升温后可直接在裂解段110内进行裂解反应。
具体地，裂解反应得到的高温轻质油气以及来自于气化段120的合成气上行，经过降温洗涤段130，与低温液体进行换热而降温，抑制过度裂化与结焦等反应，并去除高温轻质油气和合成气中夹带的少量积炭接触剂颗粒，然后从裂解段110顶部的油气出口排出并实施气固分离。
请进一步参考图1至图3，上述耦合反应器100还可以包括水蒸气汽提段140。具体地，该水蒸气汽提段140可以包括多层汽提结构，该多层汽提结构可以采用人字形挡板、环形挡板、锥形挡板、格栅性挡板、散装填料或规整填料等汽提结构中的一种或多种的组合形成。
如图1所示，该水蒸气汽提段140可以设置在裂解段110与气化段120之间，裂解段110内产生的积炭接触剂首先经过水蒸气汽提段140，去除积炭接触剂表面残余的轻质油气产物，然后再进入气化段120内进行气化再生。
如图2所示，该水蒸气汽提段140也可以设置在裂解段110内上部，比如设置在降温洗涤段130下方。携带有积炭接触剂的轻质油气和合成气首先经过水蒸气汽提段140汽提淘洗除去积炭接触剂固体颗粒表面残余的轻质油气，然后再经过降温洗涤段130，而积炭接触剂则自裂解段110上部的积炭接触剂出口引出，在耦合反应器100外输运至气化段120。
如图3所示，耦合反应器100具有两个水蒸气汽提段140，其中一个水蒸气汽提段140设置在裂解段110内上部，另一个水蒸气汽提段140设置在裂解段110和气化段120之间。这样轻质油气和合成气裹挟一定量的积炭接触剂颗粒，首先经过裂解段110内上部的水蒸气汽提段140汽提淘洗除去积炭接触剂颗粒表面残余的轻质油气产物，使积炭接触剂与高温油气产物充分分离后被引出裂解段110；还有部分积炭接触剂颗粒下行，首先经过裂解段110与气化段120之间的水蒸气汽提段140，去除积炭接触剂表面残余的轻质油气产物后回到气化段120。
此外，在裂解段110与气化段120之间设置水蒸气汽提段140，不仅能够避免大尺寸接触剂颗粒的结焦、堵塞问题，而且在一定程度上实现了裂解段110和气化段120的隔离，使裂解反应和气化反应能够相对独立进行，增加了整个耦合反应器100的安全性和操作稳定性。
如前述，在气化段120内发生积炭接触剂的再生，得到再生接触剂和合成气。由于劣质重油的重金属含量高，灰分大，在重油加工过程中，容易造成部分接触剂的永久失活。此外，重油原料中较高的金属与灰含量也容易在接触剂上累积，形成难以转化的灰渣组分，因此在气化段120下部设置灰渣排出口(未图示)。外排的灰渣中含有较高的重金属含量，可以通过后续处理装置回收其中的Ni、V等重金属。
本实施例中，上述取热器200用于使来自气化段120的再生接触剂换热降温后至适宜温度，其具体可以是石油加工领域所常用的取热换热设备。请进一步参考图1和图3，该取热器200可以设置在耦合反应器100外，即外置式取热器；或者如图2所示，该取热器200也可以安装在耦合反应器100内，即内置式取热器，通常安装在气化段120内上方。
具体地，上述气固分离器300可以是石油加工领域所常用的气固分离设备。在本发明一些实施例中，所用的气固分离器300为旋风分离器。在实际使用时，将携带有积炭接触剂的轻质油气和合成气自上部入口通入旋风分离器中，利用气固混合物在作高速旋转时所产生的离心力，使积炭接触剂从轻质油气和合成气的气流中分离出来，并可在旋风分离器底部的固体排出口进行捕集，而净化油气则从旋风分离器顶部的气体排出口排出，再进一步加工利用。
本实施例中，部分物料是在耦合反应器100外进行输运，比如来自于裂解段110的积炭接触剂在耦合反应器100外下行进入气化段120；再比如来自于气化段120的再生接触剂在取热器200中换热降温后，可在耦合反应器100外返回到裂解段110重复使用；再比如来自于气固分离器300的积炭接触剂返回到裂解段110。这些物料的输运可采用石油加工领域常用的物料输运设备或物料输运管路完成，比如可在气固分离器300与裂解段110之间设置返料器(未图示)，使在气固分离器300中分离得到的积炭接触剂通过该返料器返回到裂解段110；再比如取热器200通过输出管路(未图示)与气化段120连接，通过提升管路(未图示)与裂解段110连接，从而使在气化段120气化再生的再生接触剂经输出管路进入取热器200中换热降温，降温后的再生接触剂再通过输入管路返回到裂解段110循环使用。
进一步的，上述一体化装置还可以进一步包括气化剂供给装置(未图示)和水蒸气供给装置(未图示)。其中，气化剂供给装置与气化段120连接，用于提供气化剂，使气化剂从气化段120底部的气化剂入口通入气化段120内；水蒸气供给装置用于向耦合反应器100内提供适宜温度和流量的水蒸气，形成水蒸气汽提段140。
为说明本发明的实际效果，以下将结合具体的应用实施例1-3，对本发明的实施方案做进一步说明：
应用实施例1
请参考图1，重油原料经充分预热和雾化后通过重油原料入口进入耦合反应器100上部的裂解段110中，雾化的重油油滴与流化的接触剂接触，发生脱碳改质反应，生成轻质油气以及焦炭，焦炭附着在接触剂表面，即积炭接触剂。
积炭接触剂在裂解段110内下行，首先经过水蒸气汽提段140，去除积炭接触剂表面残余的轻质油气产物，然后被引出裂解段110并通过外部输运管路继续下行进入气化段120。在气化段120内，积炭接触剂与自气化段120底部的气化剂入口所通入的气化剂进行气化反应而再生，得到再生接触剂和合成气。
高温的再生接触剂通过输出管路进入外置的取热器200，在取热器200中换热后，降低至适宜温度的再生接触剂通过提升管路返回到裂解段110内，提供重油裂解反应所需热量和催化活性。
高温的合成气从耦合反应器100内部上行进入裂解段110内。合成气中富含氢气与CO等活性小分子，能够在一定程度上提高轻质油气收率与品质，同时降低焦炭收率，改善重油裂解的产物分布。此外还能够提供重油裂解反应所需热量，并保证接触剂充分流化。
上行合成气的气量及其夹带再生接触剂量可以通过气化剂类型、流量、反应器尺寸等方式调控床内气速，以此保证耦合反应器100物流与能流的匹配，保证工艺系统的稳定操作。
其中，在裂解段110内还可设有气体分布板(未图示)，使裂解段110内的积炭接触剂经过水蒸气汽提段140后，阻碍积炭接触剂直接进入气化段120，使积炭接触剂经由裂解段110下部的积炭接触剂出口排出；并且，该气体分布板能够允许气体通过，使来自于气化段120的合成气能够通过该气体分布板并入轻质油气。
轻质油气以及从气化段120进入裂解段110的合成气上行，首先经过降温洗涤段130降温并除去其中夹带的部分积炭接触剂细粉，然后从裂解段110顶部的油气出口排出并进入气固分离器300，比如进入旋风分离器中进行气固分离，将其中残余的积炭接触剂分离出并经外部输运管路返回到裂解段110内作为反应床料，提供裂解反应过程所需的部分热量以及裂解反应场所。
经旋风分离器净化后得到的净化油气可进一步通过气液分馏塔与油气吸收稳定塔等系统，分别获得合成气、干气、液化气等气体产物以及轻质油品产物。当然，所得油品可以进一步切割分离得到不同馏程组分的液体产物，其中重油(可能包括部分接触剂固体颗粒)可以与重油原料混合进行回炼加工。
按照此应用实施例1的工艺流程加工国内某炼厂减压渣油，原料油性质如表1所示。
由表1可知，该原料油密度、残炭值与沥青质含量均较高，且包含较高的硫、氮元素以及重金属组分。采用传统催化裂化工艺过程加工，生焦倾向严重，容易造成催化剂的快速积炭失活或者重金属中毒失活。
表1
项目
数据
密度(20℃)，kg·m<sup>-3</sup>
993.8
粘度(80℃)，mm<sup>2</sup>·s<sup>-1</sup>
5357.85
康氏残炭，wt％
17.82
族组成，wt％
饱和烃
21.13
芳香烃
35.33
胶质
37.51
沥青质
6.03
硫，wt％
1.10
氮，wt％
1.03
Ni，μg·g<sup>-1</sup>
79.4
V，μg·g<sup>-1</sup>
88.1
本工艺中采用自制的具有一定微反活性的脱碳改质接触剂，采用廉价高岭土材料改性获得较高比例的大孔结构，较大的比表面积以及较低的酸性。接触剂的粒径分布范围主要在20～100μm，堆积密度为0.78～1.03g·cm-3，磨损指数<1wt％，微反活性指数约为20。
裂解反应条件为：反应温度505℃，压力为0.1Mpa，剂油质量比为0.5，反应时间约为15秒，表观气速约为4.0m/s。
气化反应条件为：气化剂为水蒸气与氧气按照1：1体积比的混合气体，反应温度为850℃，反应压力为0.1Mpa，表观气速约为0.5m/s，积炭接触剂的停留时间约为10min。
水蒸气汽提的条件为：水蒸气与重油原料的质量比为0.20，水蒸气的温度为350℃，汽提水蒸气的表观气速为2.5m/s。
裂解反应得到的轻质油气和来自气化段的合成气通过气固分离净化后得到最终油气产物，产物分布如表2所示。表3给出了以积炭接触剂作为气化反应物料，在上述条件下进行气化反应所获得的合成气的组成。
表2
产物分布，wt％
数值
干气
2.11
液化气
2.67
汽油馏分
13.23
柴油馏分
20.17
蜡油馏分
34.64
＞500℃重油馏分
11.59
C<sub>3</sub>～500℃
70.71
C<sub>5</sub>～500℃
68.04
总液收
79.63
焦炭
15.59
由表2可知，与原料初始的残炭值相比，焦炭收率与残炭比值约为0.8～0.9，远小于延迟焦化中焦炭/残炭1.4～1.6的比值，说明本实施例中一体化装置的经济指标远高于现有技术中的重油加工装置；重油裂解的总液收接近80％，其中大部分为小于500℃的轻油馏分，说明采用本实施例的一体化工艺，能够实现重油的轻质化、获得大量具有更高附加值的油品，且具有非常高的加工效率；此外，大于500℃的重油组分可以通过回炼方式进一步加工。
表3
合成气组分
H<sub>2</sub>
CO
CO<sub>2</sub>
CH<sub>4</sub>等其它组分
体积含量(vol％)
41.5
37.7
19.5
1.3
由表3可知，焦炭气化所得的合成气中，H2与CO体积分数之和接近80％，该高品质的合成气可用于后续重整制氢，补充炼厂氢气来源。
应用实施例2
请参考图2，重油原料经充分预热后通过重油原料入口雾化进入耦合反应器100上部的裂解段110中，雾化的重油油滴与流化的接触剂接触，发生脱碳改质反应，生成轻质油气以及附着在接触剂表面的焦炭。
与应用实施例1不同的是，本应用实施例2中，耦合反应器100内气速较大，且重油原料入口位于裂解段110的下部，积炭接触剂出口位于裂解段110的上部。
高温的轻质油气以及自气化段120上行进入的合成气携带大量的积炭接触剂颗粒上行，首先经过水蒸气汽提段140汽提淘洗除去积炭接触剂固体颗粒表面残余的轻质油气产物，使积炭接触剂与高温油气产物充分分离，分离出的积炭接触剂从裂解段110上部的积炭接触剂出口排出，被外部输运管路提取并下行输送至气化段120内。高温油气则继续上行，经过降温洗涤段130降温并除去其中残余的部分积炭接触剂颗粒，然后从裂解段110顶部的油气出口排出进入旋风分离器进行气固分离，将高温油气中残余的积炭接触剂充分分出并经外部输运管路返回到裂解段110内作为反应床料，提供裂解反应过程所需的部分热量以及裂解反应场所。
具体地，可将裂解段110视为一段快速流化床(即床内气速比较高，油气停留时间可以短一些)，将气化段120视为一段慢速流化床(即流化床内表观气体流速相对较慢)，这样床内颗粒浓度大(密相床)、停留时间长，有助于气化反应充分。所以整个耦合反应器100可视为上行式流化床。由于裂解段110内重油裂解反应速率快(长时间反应对于油气生成相对不利)。气化段120焦炭气化反应速率慢，需要较长的反应时间提高表面焦炭气化转化率，获得高品质合成气。因此，此种工艺实现方式，非常适合实际工业化的过程。
经旋风分离器分离了积炭接触剂所得到的净化油气可进一步通过气液分馏塔与油气吸收稳定塔等系统，分别获得合成气、干气、液化气等气体产物以及轻质油品产物。当然，所得油品可以进一步切割分离得到不同馏程组分的液体产物，其中重油(可能包括部分接触剂固体颗粒)可以与重油原料混合进行回炼加工。
在气化段120内，经外部输运管路输送的积炭接触剂与气化剂供给装置提供的水蒸气、氧气/空气等气化剂进行高温气化反应，获得高品质的合成气，同时接触剂得以再生。
劣质重油的重金属含量高，灰分大，这部分重金属和灰分容易在接触剂上或耦合反应器100内累积，形成难以转化的灰渣组分。这部分灰渣组分可通过气化段120底部设置的灰渣排出口排出。外排的灰渣中含有较高的重金属含量，可以通过后续处理回收其中的Ni、V等重金属。
去除了表面焦炭的再生接触剂在合成气以及大气量气化剂的携带下，上行流经设置在气化段120内的取热器200，与低温水蒸气等取热介质进行换热。换热结束后升温的取热介质排出取热器200，而降低到适宜温度的再生接触剂继续上行进入裂解段110内，提供重油裂解反应所需热量以及催化活性。
上行的高温合成气进入裂解段110内，提供重油裂解反应所需热量，保证接触剂充分流化。由于合成气中富含氢气与CO等活性小分子，因此能够在一定程度上提高轻质油气收率与品质，同时降低焦炭收率，改善重油裂解的产物分布。
上行合成气的气量以及再生接触剂循环量可以通过气化剂类型、流量、耦合反应器100尺寸等进行调控，以此保证耦合反应器100中物流与能流的匹配，保证工艺系统的稳定操作，提高系统的总体能效。
应用实施例3
请参考图3，重油原料经充分预热后通过重油原料入口雾化进入耦合反应器100上部的裂解段110中，雾化的重油油滴与流化的接触剂接触，发生脱碳改质反应，生成轻质油气以及附着在接触剂表面的焦炭。
在裂解段110内，在接触剂与重油原料重量比较小(比如剂油比为0.1～0.5)的条件下，接触剂表面将形成较高含量的焦炭。生焦后的接触剂(即积炭接触剂)除少量被轻质油气及合成气裹挟上行，最终离开裂解段110之外，其余大部分积炭接触剂下行进入气化段120内。具体积炭接触剂在裂解段110内上行与下行的比例将通过控制耦合反应器100内的气速来进行调节，以确保整个一体化装置的稳定操作以及物流和能流的匹配。
具体而言，大部分积炭接触剂、尤其是较大颗粒的积炭接触剂在裂解段110中下行，首先经过水蒸气汽提段140，去除积炭接触剂表面残余的轻质油气产物，然后通过外部输运管路输送至气化段120中。在气化段120中，积炭接触剂与来自于气化剂供给装置提供的水蒸气、氧气/空气等气化剂进行高温气化反应，获得高品质的合成气，同时接触剂得到再生。
劣质重油的重金属含量高，灰分大，这部分重金属和灰分容易在接触剂上或耦合反应器100内累积，形成难以转化的灰渣组分。这部分灰渣组分可通过气化段120底部设置的灰渣排出口排出。外排的灰渣中含有较高的重金属含量，可以通过后续处理回收其中的Ni、V等重金属。
在气化段120内去除了表面积炭的再生接触剂通过输出管路进入设置在耦合反应器100外部的取热器200中，与低温水蒸气等取热介质进行换热。换热结束后，升温的取热介质排出取热器200，降低到适宜温度的再生接触剂则通过提升管路上行进入裂解段110内，提供重油裂解反应所需热量以及催化活性。
高温合成气携带极少量的再生接触剂在耦合反应器100内部直接上行进入裂解段110内，提供重油裂解反应所需热量，保证接触剂充分流化。由于合成气中富含氢气与CO等活性小分子，能够在一定程度上提高轻质油气收率与品质，同时降低焦炭收率，改善重油裂解的产物分布。
裂解段110中生成的轻质油气以及来自于气化段110的合成气裹挟一定量的积炭接触剂(尤其是较小颗粒的积炭接触剂)上行，首先经过水蒸气汽提段140汽提淘洗除去积炭接触剂颗粒表面残余的轻质油气产物，使积炭接触剂与高温油气产物充分分离，然后在降温洗涤段130降温并除去其中部分积炭接触剂细粉，最后自裂解段110顶部的油气出口排出后进入旋风分离器进行气固分离，分离得到的积炭接触剂经外部输运管路返回到裂解段110内作为反应床料，提供裂解反应过程所需的部分热量以及裂解反应场所；净化油气则可通过气液分馏塔与油气吸收稳定塔等系统，分别获得合成气、干气、液化气等气体产物以及轻质油品产物。当然，所得油品可以进一步切割分离得到不同馏程组分的液体产物，其中重油可以与重油原料混合进行回炼加工。
本应用实施例中，通过将裂解段110与气化段120以上下联通的形式进行耦合，实现了劣质重油热解与焦炭气化反应之间的原料互供与热量互补，有效解决了重油轻质化联产高品质合成气的能耗高、物料输运难度大、设备占地面积大等难题。此外，通过气化剂类型、流量、耦合反应器100尺寸等方式调控上行合成气的气量及其夹带再生接触剂量，能够确保耦合反应器100物流与能流的匹配，保证工艺系统的稳定操作。
同时，利用设置在耦合反应器100外部的取热器200对上行高温再生接触剂进行部分取热，进一步提高了整个一体化装置的能量利用率。
并且，通过在裂解段110与气化段120之间设置水蒸气汽提段140，实现了裂解反应和气化反应在一定程度上的隔离，避免了大尺寸接触剂颗粒的结焦、堵塞等问题，使两个反应之间能够相对独立进行，增加了整个一体化装置的安全性与操作稳定性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。