具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例，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。

本发明提供一种重油轻质化-联产合成气的加工方法，采用内部具有通过降料系统相互导通的烧焦段和裂解段的耦合反应器，并耦合有气化反应器的裂解-焦炭气化耦合反应系统，所述方法包括：

使重油原料进入所述耦合反应器下部的裂解段与流化焦粉接触发生裂解反应，生成轻质油气和焦粉颗粒；所述焦粉颗粒排出所述耦合反应器并输送至所述耦合反应器上部的烧焦段进行烧焦处理，所述烧焦段内未完全烧焦的焦粉颗粒分为两部分，一部分焦粉颗粒通过所述降料系统返回所述裂解段参与对所述重油原料的裂解，另一部分焦粉颗粒输送至气化反应器发生气化反应生成合成气；来自所述气化反应器的部分所述合成气经所述裂解段的下部引入所述裂解段，并上升至裂解段顶部与所述轻质油气合并引出所述耦合反应器并实施气固分离处理，对所述气固分离处理输出的净化油气产物实施油气分馏，收取轻质油和合成气产品；所述气化反应器中未完全气化的焦粉颗粒输送返回所述裂解段参与对所述重油原料的裂解，或输送返回所述烧焦段进行所述烧焦处理。

本发明的耦合反应器是指能够同时发生裂解反应和烧焦处理的一体化耦合反应器，且裂解段位于烧焦段的下部。上部的烧焦段通过降料系统与下部的裂解段进行耦合，该降料系统不仅能够使烧焦段中的焦粉颗粒下行落入裂解段中，更能够实现裂解与烧焦两个反应的有效隔离，保证各自独立的反应环境，避免焦粉颗粒之间的黏连和团聚，从而提高整个工艺的安全性和稳定性。

本发明的降料系统具体可以是耐高温的降料管，能够使烧焦段中的未完全烧焦的焦粉颗粒下行进入裂解段，并且在降料管的下端可以设置单向塞阀，当进入降料管中的焦粉颗粒达到一定数量后，单向塞阀会打开，从而保证焦粉颗粒从烧焦段到裂解段的单向传输。

上述方法中，重油原料通过耦合反应器中的重油原料入口进入裂解段，与处于裂解段中的流化态焦粉进行接触发生裂解反应生成轻质油气和焦粉颗粒，其中，焦粉颗粒是指焦炭聚集附着在焦粉表面而形成的颗粒。为了能够增加重油原料与流化焦粉的接触面积，可以在重油原料入口处设置雾化装置对重油原料进行雾化处理后再与流化焦粉接触发生裂解反应。

裂解段内结焦严重、粒径较大的焦粉颗粒在裂解段中下行并从耦合反应器输出，经耦合反应器的外部输送管路提升至裂解段上部的烧焦段内，并在烧焦段内发生烧焦处理生成高温烟气，可以对该高温烟气实施气固分离，并收集气固分离后的烟气以回收热量，而气固分离得到的焦粉颗粒可以返回至烧焦段；而烧焦段内未充分燃烧的焦粉颗粒可以分为两部分进入后续不同的反应。

具体地，烧焦段内一部分未充分燃烧的焦粉颗粒携带热量经降料系统下行至裂解段中，为裂解段充当反应床料和热量供给体，继续参与重油原料的裂解；烧焦段内另一部分未充分燃烧的焦粉颗粒在烧焦段中空气的驱动下携带热量输入至耦合反应器外部的气化反应器中，与气化反应器中的气化剂发生气化反应生成含有氢气、一氧化碳等活性小分子的合成气，而且其携带的热量也能够作为气化反应的能量补偿。

随着合成气从气化反应器的输出，可以将一部分输出的合成气收集，将剩余的合成气经耦合反应器外部输入至裂解段中。输入至裂解段的合成气一方面会提供裂解反应所需的热量，使裂解-气化两个反应区的热量匹配利用，提高总体能效，另一方面合成气中的氢气能够在一定程度抑制致重油裂解反应的生焦反应，改善重油裂解的产物分布，从而提高油气的品质以及收率。而且该合成气还能使裂解段中的焦粉颗粒充分流化。

此外，裂解段中的轻质油气还会和合成气合并，为了避免收集的轻质油气和合成气中夹带焦粉颗粒，可以将轻质油气和合成气从裂解段中输出耦合反应器并在耦合反应器外部进行气固分离处理，收集气固分离后输出的净化油气产物，并通过对净化油气产物进行油气分馏等手段，获得合成气产品、干气、液化气等气体产物以及轻质油，还可能得到重油产物。其中轻质油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；而气固分离后输出的焦粉颗粒可以回收并循环利用，例如，将其返回至裂解段中再次参与裂解反应，从而进一步增加了焦粉颗粒的使用效率，降低了重油轻质化的加工成本。

在气化反应器中，还会有部分未完全气化的焦粉颗粒残留，该部分焦粉颗粒可以返回至裂解段中，既能够作为裂解反应床料继续参与裂解反应，还能够为裂解反应提供热量，以进一步降低裂解反应的能耗；或者，该部分未完全气化的焦粉颗粒也可以返回至烧焦段中进行烧焦处理，能够理解的是，当该部分未完全气化的焦粉颗粒进入烧焦段中，除了发生烧焦处理外，部分粒径大的焦粉颗粒也会经降料系统落入裂解段中参与裂解反应。

本发明利用上烧焦解-下裂解的耦合反应器进行重油原料的裂解处理，为焦粉颗粒的往复循环利用提供了更加便捷的路径，不仅使裂解段的焦粉颗粒在烧焦段中燃烧以直解用于换热网络的热量供给，未完全燃烧的焦粉颗粒还能够携带热量分别返回裂解段和气化反应器，充当裂解反应的床料以及气化反应的原料；同时，气化反应器中部分携带热量的合成气还能够进入裂解段，不仅为裂解反应提供了反应热量，更为裂解反应提供了氢气气氛，抑制了裂解反应的生焦，从而有利于油气品质以及收率的提高。

此外，气化反应器中未参与气化反应的焦粉颗粒还能够继续循环使用，当未气化完全的焦粉颗粒在气化反应器中的气化剂的驱动下返回至裂解段，可以作为反应床料和热量供给方，继续参与裂解反应，不仅降低了整体能耗，更简化了工艺流程；当未气化完全的焦粉颗粒在气化反应器中的气化剂的驱动下返回至烧焦段，可以继续进行烧焦处理，并且部分烧焦段的焦粉颗粒还会携带热量下行进入裂解段参与裂解反应。

本发明能够在一个系统中形成裂解、烧焦以及气化三个反应之间的原料互供以及热量互补，实现反应协同耦合与油气联产等技术优势。整个耦合反应器可以在高压下操作，从而大幅提高加工能力，并且在高压下实现高品质合成气对重油裂解过程的提质作用。

进一步地，将所述裂解段中的焦粉颗粒经耦合反应器外部进入烧焦段之前，还包括使所述裂解段中的焦粉颗粒在所述裂解段中下行并依次进行水蒸气汽提处理和粒径细化处理。

具体地，还可以在耦合反应器的裂解段下部设置水蒸气汽提段和粒径细化段，用于依次对从裂解段下行的焦粉颗粒进行水蒸气汽提和粒径细化。其中，水蒸气汽提能够对下行的焦粉颗粒的表面的油气进行清除，粒径细化能够对经水蒸气汽提后的焦粉颗粒进行粒径切割细化，避免焦粉颗粒之间发生粘结团聚。一般的，经过水蒸气汽提后的焦粉颗粒的粒径为10-500μm。当焦粉颗粒经过依次经过水蒸气汽提处理和粒径细化处理后，从耦合反应器输出并提升进入烧焦段中进行烧焦处理。

在具体实施过程中，水蒸气汽提段可以包括多层汽提结构，从而通过经汽提水蒸气入口进入的汽提水蒸气的作用清除焦炭颗粒表面的轻质油气。详细的，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。

粒径细化段可以包括喷射研磨器，喷射研磨器用于利用从研磨水蒸气入口进入的水蒸气对经水蒸气汽提段处理后的焦炭颗粒进行破碎筛分，从而保证进入气化段的焦炭颗粒与气化剂能够有更大的接触面积，保证气化反应的高效进行。

可以理解，水蒸气汽提段设有汽提水蒸气入口，粒径细化段设置设有研磨水蒸气入口。

在本发明的方法中，由于裂解段处于焦化段下部，为了能够保证裂解段中的焦粉颗粒能够被高效返回至烧焦段中，可以采用提升气驱动的方式将裂解段底部的焦粉颗粒经耦合反应器外部的外部输送管路提升至烧焦段中。其中，提升气的气速为0.2-3.0m/s。

进一步地，在轻质油气和合成气的合并物流进行气固分离处理之前，可以对该合并物流进行降温洗涤处理，使合并物流经过低温液体介质处理后再进行气固分离处理。降温洗涤处理一方面能够将合并物流中的部分焦粉颗粒清除，使清除的焦粉颗粒落回至裂解段继续充当裂解载体，另一方面能够对合并物流进行降温，避免其中的轻质油气在气固分离处理中以高温状态继续生焦，从而进一步提高轻质油的品质，也避免了生焦过多对气固分离系统造成堵塞。

具体地，降温洗涤可以在降温洗涤段中进行。降温洗涤段可以采用内置填料式结构强化混合物流与低温液体的接触，也可以采用塔板类结构强化混合物流与低温液体的接触。

内置填料式结构可以包括拉西环、鲍尔环、阶梯环、弧鞍填料、矩鞍填料、金属环矩鞍、球形填料等散装填料，或者格栅填料、波纹填料、脉冲填料等规整填料中的一种多种的组合。

塔板类结构包括泡罩塔板、筛孔塔板、浮阀塔板、喷射塔板、穿流塔板中的一种或多种的组合。

上述低温液体可以是重油原料。在实际操作过程中，使重油原料分两路进入裂解段中，一路重油原料直接与焦粉接触发生裂解反应，另一路重油原料作为低温液体先经过洗涤段进行换热，随后下行与焦粉发生裂解反应，从而有效降低裂解反应所需能耗。在本发明中，作为低温液体的重油原料为重油原料总质量的5-10％。

同时，为了提高焦粉颗粒的利用率，可以使裂解段中的焦粉颗粒经过分散装置后再进入烧焦段中，从而使焦粉颗粒能够均匀分布在烧焦段中，提高烧焦处理的效率。

本发明还对耦合反应器中的工艺参数进行了下述限定，从而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。

所述裂解反应的条件为：反应温度450-700℃，反应压力0.1-6.0Mpa，反应时间1-20s，表观气速为1-20m/s，剂油比4-20。一般情况下，将重油预热至220-300℃后再进入裂解段进行反应。其中，表观气速是指合成气与用于流化焦粉颗粒的流化气体的集合的表观气速，反应时间为焦粉颗粒在裂解段中停留的时间。

烧焦处理的条件为：烧焦温度600-800℃，烧焦压力0.1-6.0Mpa，烧焦时间20-200s，气速0.1-5.0m/s。该反应条件能够保证焦化处理顺利进行，并且能够对进入焦化器中的焦粉颗粒进行合理分配，使部分焦粉颗粒不会发生完全燃烧而能够进入气化反应器以及裂解段，从而有助于气化反应以及裂解反应的进行，保证整个流程的稳定性。其中，气速是指进入焦化器中参与烧焦处理的空气的气速。

所述气化反应的条件为：反应温度850-1200℃，反应压力0.1-6.0Mpa，表观气速为0.1-5.0m/s，焦粉颗粒的停留时间为1-20min。该反应条件能够保证气化反应的顺利进行，并且有助于对处于气化反应器中的焦粉颗粒进行合理分配，从而保证整个流程的稳定性。其中，表观气速是指气化剂与用于流化焦粉颗粒的流化气体的集合的表观气速，焦粉颗粒的停留时间是指焦粉颗粒在气化反应器中停留的时间。

本发明的气化剂可以从耦合反应器外部通入气化反应器中，具体地，气化剂可以是氧气、水蒸气、富氧空气和空气中的一种或多种。

进一步地，水蒸气汽提处理中，水蒸气与重油的质量比为0.1-0.3，所述水蒸气的温度为200-400℃，所述水蒸气的表观气速为0.5-5.0m/s。

本发明的重油原料的康氏残炭值≥8％，具体可以是稠油、超稠油、油砂沥青、常压重油、减压渣油、催化裂化油浆、溶剂脱油沥青中一种或多种任意比例的混合物，也可是煤热解或液化过程的重质焦油与渣油，油页岩干馏产生的重油，生物质中低温热解液体产物等衍生重油的一种或多种任意比例的混合物。

本发明的焦粉可选用微球状结构，具有优异流化性能的焦粉颗粒。一般的，焦粉的粒径为10-500μm，进一步为20-200μm。

下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细阐述。

实施例1

图1为本发明一实施例提供的重油轻质化-联产合成气的加工装置示意图，本实施例中提供的重油轻质化-联产合成气的加工方法使用如图1所示的装置，该装置包括由内部设置通过降料系统1相互导通的烧焦段2和裂解段3的耦合反应器100与气化反应器200组成的裂解-焦炭气化耦合反应系统，具体地：

耦合反应器100，包括通过降料系统1相互导通的上段的烧焦段2和下段的裂解段3，以及处于烧焦段2的未气化颗粒返回入口，所述烧焦段2的底部与所述降料系统1的入口连通，所述降料系统1的出口与所述裂解段3的顶部连通，所述降料系统出口设置有单向塞阀；所述裂解段3具有重油原料入口、合成气入口、待烧焦颗粒出口，上部具有油气出口；所述烧焦段2具有烟气出口，未烧焦颗粒出口和待烧焦颗粒入口，所述待烧焦颗粒入口与待烧焦颗粒出口通过外部输送管路4连通，该烧焦段2下部还设有烧焦气入口；

具体的，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烧焦反应器经适当改造和组装得到，裂解反应器比如可以是流化床反应器，其顶端与烧焦反应器的底端通过降料系统相互贯通。裂解反应器与烧焦反应器最好同轴设置，以方便物料的输运和循环；

其中，裂解段3中可以包括流化床，从而通过流化床的作用使焦粉和颗粒处于流化状态，并充当裂解反应的载体；

烧焦段2中可以包括烧焦反应器。

气化反应器200，位于所述耦合反应器100的外部，包括待气化颗粒入口、未气化颗粒出口和合成气出口，所述待气化颗粒入口与所述未烧焦颗粒出口连通，所述未气化颗粒出口通过未气化颗粒输送管路与所述未气化颗粒返回入口连通，所述合成气出口与所述合成气入口连通；

气化反应器200中可以包括流化床，通过流化床的作用使焦粉颗粒处于流化状态并与气化剂接触进行气化反应，气化反应器200还设置有用于注入气化剂的气化剂入口以及用于固体灰渣等无法反应转化的杂质输出的排渣口；

具体地，合成气出口与合成气输出管路连通，从而将气化反应器200中的合成气输出，并且可以通过在合成气输出管路上连接一与合成气入口连通的支路，从而引出部分合成气使进入裂解段3中。

气固分离器300，包括气固分离入口，所述气固分离入口与所述油气出口连通。例如可以为本领域常用的旋风分离器。

在上述基础上，图1中的耦合反应器100的内部还包括：

水蒸气汽提段5，位于裂解段下部，水蒸气汽提段5可以包括水蒸气汽提挡板，从而通过喷射水蒸气清除下行过程中的焦粉颗粒表面的油气，并且水蒸气汽提段5有用于注入水蒸气的入口；

粒径细化段(未图示)，位于水蒸气汽提段5下部，粒径细化段可以包括蒸汽喷射研磨器，通过喷射蒸汽对汽提后的焦粉颗粒进行细化研磨，并且粒径细化段有用于注入喷射蒸汽的入口；

雾化装置(未图示)，雾化装置设置于裂解段3，其与重油原料入口连通，用于对重油原料进行雾化处理，具体可以为雾化器；

分散装置(未图示)，分散装置设置于烧焦段2中，与待烧焦颗粒入口连通，用于对从裂解段3经外部输送管路4进入烧焦段2的焦粉颗粒进行分散处理；

降温洗涤段6，该降温洗涤段6设置在裂解段3上部且与裂解段3连通，用于对即将进入气固分离器300的合并物流(轻质油气与合成气的混合物)进行降温洗涤；

烟气-气固分离段7，位于烧焦段2的上部，可以包括烟气-气固分离器71，例如本领域常用的旋风分离器，用于对烧焦段2产生的烟气进行气固分离；烟气-气固分离器71包括烟气入口、净化烟气出口、烟气焦粉颗粒出口，烟气入口用于接收烧焦段2的烟气，净化烟气出口与烟气出口连通，烟气焦粉颗粒出口与烧焦段2连通用于将分离出的焦粉颗粒返回至烧焦段2；

裂解段3还包括颗粒返回入口，气固分离器300还包括气固分离固相出口，所述气固分离固相出口与所述颗粒返回入口连通。

使用本实施例提供的装置进行重油轻质化-联产合成气的加工方法简述如下：

将充分预热后的重油原料通过重油原料入口输入至耦合反应器100的裂解段3中，重油原料经过雾化装置的雾化处理后，直接与流化态的焦粉(包括外部附着有焦炭的焦粉颗粒)接触发生裂解反应，分别得到轻质油气与焦炭，焦炭会附着在焦粉表面形成焦粉颗粒。

结焦严重、粒径较大的焦粉颗粒会在重力作用下下行，在下行的过程中，首先经过水蒸气汽提段5去除焦粉颗粒表面残余的轻质油气，随后经过粒径细化段对焦粉颗粒的粒径进行切割细化。最后，焦粉颗粒从裂解段3的待烧焦颗粒出口进入外部输送管路4，在提升气的作用下上行经待烧焦颗粒入口进入烧焦段2。

在烧焦段2中，焦粉颗粒会与经烧焦气入口通入烧焦段中的空气在高温下燃烧生成烟气，烟气进入烟气-气固分离段7中的烟气-气固分离器71进行气固分离，烟气-气固分离器71输出的净化烟气从净化烟气出口输出，并经烧焦段2的烟气出口输出后可以进入后续换热网络进行烟气余热回收，烟气-气固分离器71输出的焦粉颗粒从烟气焦粉颗粒出口输出，进入烧焦段2；而烧焦段2中未完全燃烧的焦粉颗粒会分别进入裂解段1和耦合反应器100外的气化反应器200，其中，进入裂解段1中的焦粉颗粒为一级焦粉颗粒A，进入气化反应器200中的焦粉颗粒为二级焦粉颗粒B。

烧焦段2内未完全燃烧的焦粉颗粒经降料系统1下行进入裂解段3中形成一级焦粉颗粒A，该一级焦粉颗粒A能够作为反应床料，继续与重油原料接触发生裂解反应，并且一级焦粉颗粒A携带的热量也能够为裂解反应提供热量，降低裂解反应的能耗。

烧焦段2内未完全燃烧的焦粉颗粒经未烧焦颗粒出口输出耦合反应器100，经待气化颗粒入口进入气化反应器200中形成二级焦粉颗粒B，该二级焦粉颗粒B能够作为反应原料，在气化反应器200中与气化剂发生气化反应生产合成气，并且二级焦粉颗粒B携带的热量也能够为气化反应提供热量，降低气化反应的能耗。随着合成气的生成，合成气从合成气出口输出气化反应器200，一部分合成气(合成气a1)被收集待用，一部分合成气(合成气a2)会经合成气入口进入裂解段3，为重油原料的裂解反应提供反应热量以及反应气氛。

并且合成气a2会和轻质油气混合后经降温洗涤段6降温洗涤后经油气出口输出耦合反应器100，从气固分离入口进入气固分离器300中进行气固分离处理，得到的净化油气产物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；气固分离处理得到的焦粉颗粒可以从气固分离固相出口输出，并经颗粒返回入口返回至裂解段3。

而在气化反应器200中还有部分未完全气化的焦粉颗粒，该部分未完全气化的焦粉颗粒经未气化颗粒出口输出气化反应器200，并经未气化颗粒返回入口进入烧焦段2中，为烧焦处理提供反应原料以及一定热量。

上述裂解反应的条件为：反应温度450-700℃，反应压力0.1-6.0Mpa，反应时间1-20s，表观气速为1-20m/s，剂油比4-20；

上述气化反应的条件为：反应温度850-1200℃，反应压力0.1-6.0Mpa，表观气速为0.1-5.0m/s，焦粉颗粒的停留时间为1-20min。

上述烧焦处理的条件为：烧焦温度600-800℃，烧焦压力0.1-6.0Mpa，烧焦时间20-200s，气速0.1-5.0m/s。

上述水蒸气汽提处理的条件为：水蒸气与重油的质量比为0.1-0.3，水蒸气的温度为200-400℃，水蒸气的表观气速为0.5-5.0m/s。

为验证本发明的效果，采用图1所示的装置和工艺流程分别对辽河常压重油和辽河减压重油进行试验。

表1所示为重油原料的性质。表2为具体反应参数，同常规重油裂解工艺相比较，采用该本实施例中的方法可以使轻质油收率提高，且液收率提高，干气和焦炭产率明显降低，详细的产品分布可见表3和表4。

表1

由表1可知：上述两种重油原料的密度和残炭值均较高，特别是辽河减压渣油，其残炭值大于20％。此外，重油原料中包含较高的沥青质组分以及较高的大于500℃重组分含量意味着重油原料在裂解过程中生焦倾向严重。

表2

表3

由表3可知：

1、本实施例的方法和装置能够显著提高轻质油的收率，抑制焦炭产生；

2、随着重油原料的劣质化，裂解得到的气体与焦炭收率逐渐提高，液体收率逐渐下降。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。随着重油原料性质的变化，液体质量收率保持在70-80％之间，其中含有部分大于500℃的重油馏分，后续可以通过回炼方式进行加工。

表4

由表4可知：本实施例的得到合成气中H₂与CO体积分数之和约为80％左右，作为高品质的合成气可用于后续重整制氢或者油品F-T合成等过程。

实施例2

图2为本发明另一实施例中提供的重油轻质化-联产合成气的装置示意图，本实施例中提供的重油轻质化-联产合成气的方法使用如图2所示的装置。与实施例1中的装置不同的是，本实施例的装置中，未气化颗粒返回入口处于裂解段。

使用本实施例提供的装置进行的重油轻质化-联产合成气的方法与实施例1中的方法不同之处在于，气化反应器200中部分未完全气化的焦粉颗粒经未气化颗粒出口输出气化反应器200，并经未气化颗粒返回入口进入裂解段3中，为裂解反应提供反应床料以及一定热量。

为验证本发明的效果，采用图2所示的装置和工艺流程分别对实施例1中的两种重油(辽河常压重油和辽河减压重油)进行试验。

具体反应参数与实施例1相同，同常规重油裂解工艺相比较，采用本实施例中的方法可以使液体质量收率保持在70-80％之间，且得到合成气中H₂与CO体积分数之和约为80％左右。

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。