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

本实施例提供一种重油接触裂解与焦炭气化一体化的方法，该方法利用耦合反应器和烧焦再生器进行，耦合反应器具有内部相互导通的裂解段和气化段；该方法包括：

将重油原料通入耦合反应器上部的裂解段内，与接触剂接触而发生裂解，得到轻质油气和积炭接触剂；

积炭接触剂进入输运至烧焦再生器内进行部分烧焦处理，然后输运至耦合反应器下部的气化段内，与气化剂发生气化反应而被再生，得到再生接触剂和合成气；再生接触剂返回到裂解段内循环利用，合成气上行进入裂解段内；

轻质油气和上行并入的合成气经气固分离，得到净化油气。

具体地，上述重油原料可以是通过原油开采所获得的重油，也可以是炼油厂加工过程中所得到的重油产物，包括稠油、超稠油、油砂沥青、常压重油、减压渣油、催化裂化油浆、溶剂脱油沥青等重油中的一种或几种混合物，或者也可以包括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几种的混合物。

在本发明一些示例中，该重油原料的康氏残炭值大于等于8wt％，最好不低于10wt％，尤其不低于15wt％。

具体地，上述接触剂可以是目前重油脱碳改质过程中所常用的接触剂，比如选自石英砂、高岭土、白土、氧化铝、硅溶胶、蒙脱石、伊利石等硅铝材料，也可以选自FCC工业平衡剂/废剂，赤泥、钢渣、高炉灰与煤灰等固体颗粒中的一种或几种。

优选的，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。在本发明一些示例中，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，其粒径最好分布在10～500μm，进一步为20～200μm。在本实施例具体实施时，所用接触剂粒径分布范围主要在20～100μm，堆积密度为0.78～1.03g·cm^-3，微反活性指数约为10～20。

可以理解，在裂解段进行裂解反应时，重油原料最好处于雾化状态，而接触剂最好处于流化状态，以确保二者充分接触以及裂解反应的充分进行。

在裂解反应过程中，最好维持接触剂表面焦炭质量含量在10％以上。在本发明一些具体示例中，裂解段内反应条件为：反应温度450～700℃，反应压力0.1～3.0Mpa，反应时间1～20秒，接触剂与重油的重量比(即剂油比)为0.1～1.0，表观气速为1～20m/s。优选地，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3～20秒，剂油比为0.2～0.6，表观气速为1～20m/s。

进一步的，裂解段所得到的轻质油气以及自裂解段底部并入的合成气，在实施气固分离之前，最好首先进行降温处理，以降低高温油气的温度，抑制过度裂化与结焦等反应。降温处理后的轻质油气以及合成气中不可避免地携带有少量积炭接触剂颗粒，这部分积炭接触剂可在后续气固分离过程中得以去除和收集，然后返回到裂解段内作为反应床料。

进一步的，裂解段内的积炭接触剂在进入烧焦再生器之前，最好首先经过水蒸气汽提，以去除积炭接触剂表面及孔隙中残留的少量轻质油气，从而有利于后续再生。具体地，在进行水蒸气汽提时，一般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。

具体地，来自于裂解段的积炭接触剂在烧焦再生器中燃烧，实现了积炭接触剂的部分再生，或者称为半再生。一般情况下，可自烧焦再生器底部通入含氧气体，比如空气、富氧空气等，并将积炭接触剂输运至烧焦再生器内，使接触剂表面的部分焦炭与氧气反应生成一氧化碳和二氧化碳，得到具有较高温度的半再生接触剂以及烟气。优选的，半再生接触剂的温度达到气化反应所需温度，比如800～1200℃，然后进入气化段；得到的烟气则从烧焦再生器顶部排出。具体地，烧焦再生器内的反应条件可以为：反应温度为600～800℃，压力为0.1～6.0Mpa，时间为20～200s，气速为0.1～5.0m/s。

在气化段中，来自于烧焦再生器的半再生接触剂与气化剂发生气化反应，得到合成气的同时实现了接触剂的再生。具体地，可将半再生接触剂与自气化段底部通入的气化剂进行气化反应，反应温度可以为800～1200℃，反应压力可以为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，得到再生接触剂和合成气。

其中，本实施例对于上述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、富氧空气、氧气等。

实施例二

如图1和图2所示，本实施例提供一种重油接触裂解与焦炭气化一体化的装置，用于实施前述实施例一中所述的方法，该装置至少包括耦合反应器100、烧焦再生器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和下部的气化段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、积炭接触剂排出口、油气出口、再生接触剂返回口和底部的合成气入口；气化段120具有气化剂入口、半再生接触剂入口、再生接触剂排出口和顶部的合成气排出口；

烧焦再生器200具有积炭接触剂入口、含氧气体入口、半再生接触剂排出口和烟气排出口；

气固分离器300具有入口、固体排出口和气体排出口；

裂解段110的积炭接触剂排出口与烧焦再生器200的积炭接触剂入口连接，裂解段110的油气出口与气固分离器300的入口连接，烧焦再生器200的半再生接触剂排出口与气化段120的半再生接触剂入口连接，气化段120的再生接触剂排出口与裂解段110的再生接触剂返回口连接；气化段120的合成气排出口与裂解段110的合成气入口连接。

具体地，上述耦合反应器100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。如图1和图2所示，可以将裂解段110的底部与气化段120的顶部相互贯通，比如同轴设置，这样气化段120产生的合成气可在耦合反应器100内上行进入裂解段110，降低合成气的输运难度，也避免合成气的能量损失。

烧焦再生器200可以是目前重油加工领域所常用的烧焦再生设备，其底部具有含氧气体入口、顶部具有烟气排出口，上部或中部具有积炭接触剂入口、下部具有半再生接触剂排出口。

请进一步参考图2，烧焦再生器200与耦合反应器100可以同轴设置；比如烧焦再生器200安装在耦合反应器100顶部，这样能够进一步减小整个装置的占地面积。当然，烧焦再生器200的具体安装位置可以根据实际生产车间的情况合理设计，本实施例不做特别限定。

进一步的，前述装置还可以包括雾化器(未图示)。该雾化器比如可设置在耦合反应器100内，具体可设置在裂解段110内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，首先在雾化器中实现雾化，然后再进行裂解反应。或者，雾化器也可设置在耦合反应器100外并通过重油原料入口实现与裂解段110的连接。这样重油原料预热后，首先在雾化器中实现雾化，然后进入裂解段110内。

请进一步参考图1，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具体可设置在裂解段内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，一般使用八层或十层人字挡板或舌型塔板，旨在使上行的高温油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，以抑制过度裂化与结焦，并去除高温油气中夹带的少量积炭接触剂小颗粒。

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。

请进一步参考图1，还可在裂解段110内的下部设有水蒸气汽提段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。裂解段110所产生的积炭接触剂下行，在水蒸气汽提段140进行水蒸气汽提，以去除积炭接触剂表面或孔隙中所残留的轻质油气产物，从而有利于再生。

此外，通过设置水蒸气汽提段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。

相应的，前述装置还可以进一步包括水蒸气供给装置(未图示)，用于向裂解段110内提供适宜温度和流量的水蒸气，从而在裂解段110下部形成水蒸气汽提段140。

如图1和图2所示，在裂解段110与烧焦再生器200之间可设有物料输运设备(未图示)，以使自裂解段110的积炭接触剂排出口所排出的积炭接触剂能够经由该物料输运设备自积炭接触剂入口进入烧焦再生器200；同样，在烧焦再生器200与气化段120之间也可设有物料输运设备，使自烧焦再生器200的半再生接触剂排出口所排出的半再生接触剂能够借助该物料输运设备经半再生接触剂入口进入气化段120。上述物料输运设备最好设置在耦合反应器100外，以方便对物料的流量等进行调整控制。

请进一步参考图1，在裂解段110内还可以设有降料管150，该降料管150通常可安装在裂解段110的顶部，与再生接触剂返回口相对应，使来自于气化段120的再生接触剂通过再生接触剂返回口进入到裂解段110内，再通过降料管150下行，回到裂解段110中部的反应区。

如前述，在气化段120内发生半再生积炭接触剂的气化反应，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。

进一步的，上述装置还可以进一步包括气化剂供给装置(未图示)。气化剂供给装置与气化段120连接，用于提供气化剂，使气化剂从底部的气化剂入口通入气化段120内。

本实施例中，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。在本发明一些示例中，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。

如图1所示，气固分离器300可以设置在耦合反应器100内，具体可设置在裂解段110上部，尤其是降温洗涤段130上方，这样高温油气的净化分离发生在耦合反应器100内，不容易产生大量热量散失，确保气固分离器300内的油气组分温度不下降，避免其发生冷凝、结焦等影响操作的问题。当然，也可以将气固分离器300设置在耦合反应器100外，并通过设置内部衬里和/或外部保温层等手段实现保温，避免高温油气温度明显降低。

为说明本发明的实际效果，以下将结合具体的应用实施例，对本发明的实施方案做进一步说明：

应用实施例1

如图1所示，劣质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的裂解段110中，雾化的重油液滴与流化的接触剂接触，发生裂解反应得到轻质油气与焦炭。焦炭附着在接触剂表面，即为积炭接触剂。

积炭接触剂在重力作用下降落，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，其中水蒸气供给装置向裂解段110内通入必要的水蒸气，然后积炭接触剂从裂解段110下部的积炭接触剂排出口排出，进入烧焦再生器200内。

积炭接触剂在烧焦再生器200内进行部分烧焦处理，并升温至适宜至气化反应的温度后，得到的半再生接触剂自烧焦再生器200下部的半再生接触剂排出口排出，自半再生接触剂入口进入气化段120内进行气化反应。

在气化段120内，半再生接触剂与经气化剂供给装置自气化段120底部的气化剂入口通入的水蒸气、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，并实现了接触剂的再生。

再生接触剂在耦合反应器100外部上行输运至裂解段110内，提供重油裂解反应所需热量以及催化活性。合成气上行进入裂解段110，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，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的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。

合成气与轻质油气上行，在降温洗涤段130降温，抑制过度裂化与结焦等反应的发生，同时除去其中部分积炭接触剂细粉。经过了降温洗涤段130的轻质油气与合成气随后进入气固分离器200、比如旋风分离器中进行气固分离，去除其中夹带的积炭接触剂颗粒。捕集得到的少量积炭接触剂细颗粒可返回到裂解段110内作为反应床料，形成裂解段100积炭接触剂颗粒循环，提供裂解过程所需的部分热量以及气固催化裂解反应场所。

经气固分离器300净化后的油气组分通过气液分馏塔与油气吸收稳定塔等系统，分别获得干气、液化气等气体产物以及塔底油品产物。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，其中塔底重油可以与重油原料混合进行回炼加工。

本应用实施例中，裂解段110与气化段120通过水蒸气汽提段140实现有效隔离，使重油原料的裂解反应以及积炭接触剂的气化反应之间能够在一定程度上保持独立，增加整个重油加工装置的安全性和操作稳定性；此外，水蒸气汽提段140的设置，还能够提升油气收率，有效应对了大尺寸焦粒的结焦、堵塞等问题。

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

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491℃，压力为0.1Mpa，剂油质量比为0.4，反应时间约为20秒，表观气速约为3.5m/s。

气化反应条件为：气化剂为水蒸气与氧气按照体积比1：1组成的混合气体，反应温度为820℃，反应压力为0.1Mpa，表观气速约为0.6m/s，积炭接触剂的停留时间约为15min。

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。

烧焦再生器200内的反应条件为：反应烧焦温度为670℃，烧焦压力0.1Mpa，烧焦时间140s，气速1.5m/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给出了在上述条件下进行气化反应所获得的合成气的组成。

表2

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，说明本实施例的装置的经济指标远高于现有技术中的重油加工装置；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工艺，能够实现重油的轻质化并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

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％，作为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

作为应用实施例1的一种替代方案，本应用实施例的具体工艺与应用实施例1基本一致，除了烧焦再生器200安装在耦合反应器100的顶部，与裂解段110和气化段120同轴设置。

采用与应用实施例1完全一致的工艺条件，对与应用实施例1完全一致的劣质重油加工原料进行处理，所得产物分布和合成气组成均与应用实施例1基本一致，其中总液收约为80％，且绝大部分为小于500℃的轻油馏分；焦炭收率与残炭比值约为0.8～0.9。

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。