程濤,趙愉生,譚青峰,崔瑞利
(中國石油天然氣股份有限公司石油化工研究院,北京 102206)
PHR系列固定床渣油加氫脫金屬催化劑的研制
程濤,趙愉生,譚青峰,崔瑞利
(中國石油天然氣股份有限公司石油化工研究院,北京 102206)
為有效解決渣油加氫脫金屬過程中瀝青質(zhì)和膠質(zhì)等大分子物質(zhì)的擴散、反應(yīng)和沉積難題,提高催化劑脫雜質(zhì)活性和容金屬能力,對催化劑設(shè)計進行了優(yōu)化集成,開發(fā)出了一系列催化劑制備關(guān)鍵技術(shù),研制成功 4個牌號的脫金屬催化劑(PHR-101、PHR-102、PHR-103、PHR-104)。以非酸性的黏結(jié)劑代替膠溶酸實現(xiàn)氧化鋁的無酸成型,大幅提高了載體孔容和孔徑;采用復(fù)合擴孔方法制備出雙峰孔結(jié)構(gòu)載體,大于 1000nm孔比例達(dá)到16.4%,改善了催化劑孔道結(jié)構(gòu);實現(xiàn)活性金屬組分的非均勻負(fù)載,優(yōu)化活性分布,促進雜質(zhì)向催化劑內(nèi)部的擴散和沉積。小型裝置 2000h評價結(jié)果表明,催化劑脫雜質(zhì)(脫金屬、脫硫、脫殘?zhí)浚┗钚耘c穩(wěn)定性明顯高于常規(guī)催化劑。模擬工業(yè)運轉(zhuǎn)條件下,在1L中型裝置上進行了5500h長周期試驗,結(jié)果表明,加氫全餾分產(chǎn)品金屬含量滿足指標(biāo)要求,催化劑預(yù)期壽命達(dá)到8000h以上,滿足工業(yè)應(yīng)用要求。14個月的掛籃試驗表明,與工業(yè)催化劑相比,所開發(fā)催化劑的金屬容納能力更高,金屬沉積更為均勻。
渣油加氫;催化劑;擴散;載體;穩(wěn)定性
當(dāng)前,隨著世界范圍內(nèi)石油資源的日益重質(zhì)化和劣質(zhì)化,以及國內(nèi)油品質(zhì)量升級的緊迫要求和環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格,煉化企業(yè)迫切需要重質(zhì)油清潔高效加工技術(shù)。而渣油加氫是最有效的重、渣油清潔加工手段。通過加氫,脫除原料中大部分的金屬、硫與氮等雜質(zhì),降低殘?zhí)恐?,有利于其進一步的高效清潔加工與轉(zhuǎn)化。
渣油加氫分為固定床、懸浮床、沸騰床和移動床等工藝,其中固定床渣油加氫技術(shù)最為成熟、發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛[1]。國內(nèi)已有多套固定床渣油加氫裝置投產(chǎn)運行,積累了豐富的運行經(jīng)驗;中國石化撫順石油化工研究院和石油化工科學(xué)研究院先后開發(fā)出各自的固定床渣油加氫技術(shù)[2-3],大大提升了國內(nèi)渣油加氫技術(shù)水平。當(dāng)前,中國石油天然氣集團公司正在加快建設(shè)固定床渣油加氫裝置,預(yù)計未來裝置數(shù)量在10套以上,總加工能力超過3000萬噸/年,急需自主技術(shù)支持。為此,中國石油石油化工研究院(PRI)于2008年開始固定床渣油加氫催化劑(PHR系列)的研發(fā),目前已取得重大進展。
渣油加氫脫金屬(HDM)催化劑是固定床渣油加氫中一類關(guān)鍵性的催化劑,其作用主要是脫除原料中大部分的 Ni、V等金屬雜質(zhì),保護下游脫硫(HDS)和脫殘?zhí)浚℉DCR)催化劑,確保裝置的長周期運行,具有用量大、技術(shù)含量高、開發(fā)難度大的特點。國內(nèi)經(jīng)過多年的開發(fā),已有多代脫金屬催化劑投入使用[4-5],性能得到不斷提升。進一步提高脫金屬催化劑的脫金屬活性和容金屬能力,是提高渣油加氫裝置對劣質(zhì)原料的適應(yīng)性和延長裝置運轉(zhuǎn)周期的關(guān)鍵。
脫金屬催化劑的主要功能是脫除并容納原料中的金屬雜質(zhì),而石油中90%以上的金屬雜質(zhì)存在于膠質(zhì)和瀝青質(zhì)中,這部分物質(zhì)分子量大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,擴散困難,因而造成渣油加氫脫金屬催化劑失活的主要原因是金屬沉積和孔道堵塞[6-8]。如何解決大分子金屬化合物的擴散、反應(yīng)及脫出金屬的沉積和容納,是脫金屬催化劑設(shè)計和制備面臨的核心問題。
首先,催化劑應(yīng)具有優(yōu)異的孔道結(jié)構(gòu),以促進含金屬雜質(zhì)的膠質(zhì)與瀝青質(zhì)等大分子物質(zhì)向催化劑內(nèi)部的擴散及反應(yīng)轉(zhuǎn)化,提高催化劑脫雜質(zhì)活性的同時防止發(fā)生孔口堵塞而造成快速失活。具體來說,催化劑應(yīng)同時具有“擴散孔”和“活性孔”兩種功能與特征,即具有雙峰孔結(jié)構(gòu)[9]?!皵U散孔”為相當(dāng)比例的孔徑在100nm以上甚至是500nm以上的大孔孔道,為膠質(zhì)與瀝青質(zhì)大分子的擴散提供順暢通道,促進雜質(zhì)向催化劑的內(nèi)部孔道擴散和反應(yīng),促進金屬雜質(zhì)特別是 V的均勻沉積;“活性孔”集中在 10~30nm范圍內(nèi),為雜質(zhì)的轉(zhuǎn)化提供充足的反應(yīng)表面和沉積場所。兩類孔道協(xié)同作用,使催化劑具有高的脫金屬活性和良好的活性穩(wěn)定性。
其次,催化劑應(yīng)具有較大的孔容和孔徑??兹菔谴呋瘎┤蓦s質(zhì)能力的基礎(chǔ),催化劑應(yīng)具有與其高催化活性相匹配的高容雜質(zhì)能力。一方面,容雜質(zhì)能力不足易造成脫金屬劑過早失活,影響裝置長周期運行;另一方面,脫雜質(zhì)活性與容雜質(zhì)能力的不匹配將對催化劑級配設(shè)計造成困難。孔徑對催化劑脫金屬活性有著直接的影響,更大的孔徑有利于提高反應(yīng)物大分子對于催化劑內(nèi)部活性中心的可接近性。通常,“活性孔”的最可幾孔徑應(yīng)在15nm以上,而孔徑在10nm以下的小孔由于易堵塞,其含量應(yīng)盡可能減少,以增加可轉(zhuǎn)化及容納雜質(zhì)的有效孔容。另外,應(yīng)注意關(guān)鍵物性的均衡:過大的孔容孔徑將導(dǎo)致催化劑堆密度和強度的降低。過低的堆密度影響到催化劑的實際裝填數(shù)量,從而降低裝置的運行效能;過低的強度則導(dǎo)致催化劑在搬運、裝填和運轉(zhuǎn)過程中發(fā)生破碎,影響裝置正常運轉(zhuǎn)。
最后,催化劑應(yīng)具有良好的活性分布。通常,脫出的金屬雜質(zhì)容易沉積在催化劑表面與孔口,造成孔口堵塞[10-11],阻礙催化劑內(nèi)部活性中心與空間場所的進一步利用,繼而影響到催化劑的活性與穩(wěn)定性。通過優(yōu)化催化劑的活性分布,使得催化劑中的活性金屬含量由顆粒中心至外表面逐漸降低,可在反應(yīng)過程中促進渣油原料中的金屬雜質(zhì)更多地在催化劑顆粒內(nèi)部脫出并沉積,減少催化劑發(fā)生孔口堵塞,以此提高催化劑容金屬能力和使用壽命[12]。
綜上,脫金屬催化劑應(yīng)具有特殊的孔道結(jié)構(gòu)、較大的孔容和孔徑、良好的活性分布特性以及適宜的堆密度和強度等其他物性,需要從原料、成型技術(shù)、擴孔方法及活性組分負(fù)載方法等多方面優(yōu)化集成,技術(shù)難度極大。
2.1 載體的無酸成型
常規(guī)的氧化鋁載體成型方法通常是以酸(如硝酸或乙酸)作為膠溶劑,通過將氫氧化鋁部分膠溶而實現(xiàn)粒子的黏合成型。酸的加入對載體的孔結(jié)構(gòu)、堆密度和強度等物化性質(zhì)有較大影響。乙酸加入量對氧化鋁載體的影響見表1。
表1 乙酸加入量對載體物化性質(zhì)的影響
由表1結(jié)果可知,乙酸的加入量對氧化鋁載體的物化性質(zhì)有著明顯的影響。隨乙酸加入量由基準(zhǔn)量降至零,孔容由0.73mL/g增大至0.82mL/g,可幾孔徑由13.3nm增大至17.7nm,小于10nm孔的比例則由12.5%大幅降至0.5%,而堆密度和強度呈下降趨勢。由此可知,減少膠溶酸加入量甚至不使用膠溶酸,是制備大孔容、大孔徑氧化鋁載體的有效方法,但需要解決強度偏低的問題。
本文以非酸性的黏結(jié)劑代替膠溶酸,在保證載體強度的同時,將膠溶酸對氧化鋁孔結(jié)構(gòu)的不利影響降至最低,開發(fā)出了氧化鋁載體的無酸成型技術(shù),在無需擴孔劑的情況下實現(xiàn)了載體孔容孔徑的大幅增加。無酸成型載體與乙酸成型載體的孔結(jié)構(gòu)對比見表2和圖1。表2和圖1表明,相比于常規(guī)的酸成型方法得到的載體,無酸成型載體的孔容與孔徑明顯增大,孔徑在10nm以下的小孔比例大幅降低,且載體強度較高。相對于添加擴孔劑的傳統(tǒng)擴孔方法,此方法具有成型簡單、擴孔效果好、載體強度高、成本低的顯著優(yōu)點。
表2 不同成型方法載體孔結(jié)構(gòu)性質(zhì)對比
圖1 不同成型方法載體孔徑分布對比
2.2 雙峰孔結(jié)構(gòu)載體制備
通常氧化鋁靠自身粒子堆積所形成孔的孔徑在幾納米至幾十納米之間[13],百納米以上的孔道必須通過擴孔獲得。在載體的成型過程中加入擴孔劑是廣泛采用的方法,但多數(shù)擴孔劑存在大孔形成效率低、成型困難及載體強度低等問題。因而,雙峰孔結(jié)構(gòu)載體的制備難度較大。
考察了多種化學(xué)和物理擴孔劑的效果,成功篩選出一種有機物M,可有效形成100nm以上孔道,且將M與一種化學(xué)擴孔劑A復(fù)合使用,所得載體大孔比例明顯高于A和M單獨使用時效果的疊加,擴孔效率得到提高(表3)。
表3 不同擴孔劑的擴孔效果對比
對有機物M的成孔機理及化學(xué)擴孔劑A的促進作用進行了研究。不同有機物擴孔劑的對比實驗結(jié)果表明(表3),擴孔劑的加入形態(tài)對成孔效果存在影響:有機物 F和G為可溶性大分子有機物,成型時以溶液的形式加入,不能有效形成大于100nm的孔道,這可能是以溶液形態(tài)加入的擴孔劑,在隨氧化鋁原料混捏的過程中,經(jīng)過反復(fù)混合和擠壓而充分分散在氧化鋁粒子間隙之中,從而難以形成足夠尺寸的、連續(xù)的孔道結(jié)構(gòu);擴孔劑I為難溶性的微粒,效果也較差,可能是其所形成的結(jié)構(gòu)多為分散的或封閉的凹腔和空穴,連續(xù)性和通暢性不佳;而M為可溶性的聚合物粉末,在混捏過程中通過吸收水分,部分溶解而延展和交聯(lián),從而形成連續(xù)通暢的大孔結(jié)構(gòu)。化學(xué)擴孔劑A對成型的影響見表4。表4數(shù)據(jù)表明,化學(xué)擴孔劑A的加入可能對M的積聚形態(tài)或結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響,促使M進行膨脹并導(dǎo)致載體粒徑的增大,同時有效降低擠出壓力,從而形成更多大孔。
表4 擴孔劑A對M擴孔效果的促進作用
通過優(yōu)化兩種擴孔劑的用量和配比,結(jié)合無酸成型技術(shù),制得具有明顯雙峰孔結(jié)構(gòu)特征的氧化鋁載體(圖2):不僅具有孔徑分布在10~30nm范圍的“活性孔”,還具有孔徑分布在100nm以上的“擴散孔”(直徑達(dá)到1000nm以上),而常規(guī)方法制備的氧化鋁載體僅有30nm以下的孔(圖2),且孔徑相對較小。壓汞試驗結(jié)果(表 5)表明,所制備的雙峰孔結(jié)構(gòu)載體孔容大、孔徑大且大孔比例高,大孔孔徑峰值達(dá)到2300nm,孔徑大于1000nm的孔比例達(dá)16.4%,孔徑大于100nm的孔的比例合計達(dá)到23.1%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)載體。這對于雜質(zhì)大分子擴散與轉(zhuǎn)化極為有利。
圖2 雙峰載體與常規(guī)載體壓汞孔徑分布對比
表5 雙峰載體與常規(guī)載體壓汞孔結(jié)構(gòu)對比
2.3 活性金屬組分非均勻負(fù)載
本文采用特殊的方法[14]制備出活性金屬組分含量沿顆粒徑向由內(nèi)到外逐漸降低的催化劑,掃描電鏡-能譜(SEM-EDX)分析結(jié)果見圖3。圖3表明,采用常規(guī)負(fù)載方法時,金屬Mo含量從顆粒中心到外表面均勻分布;而采用本文所獲得的制備方法時,Mo含量從中心至外表面逐漸降低,中心與表面處金屬含量差值最高可達(dá)15%。這將有利于雜質(zhì)金屬的脫除和沉積更多地發(fā)生在活性金屬含量高的顆粒中心,從而優(yōu)先充分利用內(nèi)部空間,有效避免孔口堵塞,進而提高催化劑的利用效率。
圖3 催化劑金屬組分分布
2.4 催化劑制備
基于上述一系列催化劑制備關(guān)鍵技術(shù),開發(fā)出了中國石油石油化工研究院(PRI)第一代渣油加氫脫金屬催化劑,其牌號設(shè)置和主要功能特點如表 6所列。4個牌號催化劑在粒徑、孔結(jié)構(gòu)、加氫活性、容金屬能力及脫雜質(zhì)功能方面遵循渣油加氫催化劑級配設(shè)計原則,通過合理的配置可以滿足不同的需求。
3.1 催化劑的活性與穩(wěn)定性評價
PHR系列脫金屬催化劑的活性與穩(wěn)定性評價試驗在300mL小型評價裝置上進行,原料及工藝條件見表7。4個牌號催化劑以一定比例組合裝填于反應(yīng)器中,以常規(guī)的單峰孔結(jié)構(gòu)、金屬均勻分布催化劑為參比劑,催化劑與對應(yīng)的參比劑比表面積、金屬上量等其他物性參數(shù)均相同,評價結(jié)果見表8和圖 4。由評價結(jié)果知,在反應(yīng)初期常規(guī)催化劑的脫雜質(zhì)活性與PHR系列脫金屬劑相當(dāng),但失活速率明顯快于PHR系列,200h以后雜質(zhì)脫除率開始低于PHR系列,且差距逐漸加大。PHR系列催化劑脫雜質(zhì)活性和穩(wěn)定性明顯高于常規(guī)催化劑。這是由于在反應(yīng)初期,潔凈的催化劑表面催化活性較高,金屬化合物分子無須擴散至顆粒內(nèi)部,在催化劑淺層外表面即可脫除大部分雜質(zhì),因而在初期二者活性差別不大;但隨著焦炭的生成和金屬的沉積,接近外表面的催化中心活性下降,金屬化合物分子需要擴散至更深的孔道內(nèi)進行反應(yīng),擴散的影響逐漸顯現(xiàn)。PHR系列催化劑具有雙峰孔結(jié)構(gòu),擴散性能更為優(yōu)異,因而活性、穩(wěn)定性更佳。
3.2 催化劑長周期運轉(zhuǎn)試驗
PHR系列脫金屬催化劑的長周期運轉(zhuǎn)試驗在1L中型評價裝置上進行,評價時脫金屬劑與其他種類催化劑(保護劑、脫硫劑和脫殘?zhí)縿┌匆欢ū壤M行組合裝填,結(jié)果見圖5。由圖5可知,運轉(zhuǎn)至5500h,反應(yīng)溫度僅為389℃,加氫全餾分產(chǎn)品中金屬(Ni+V)含量始終小于11.04μg/g的指標(biāo)要求。按照當(dāng)前提溫速度推算,催化劑預(yù)期使用壽命達(dá)到8000h以上,完全滿足工業(yè)裝置長周期運行要求。
表6 PRI第一代渣油加氫脫金屬催化劑主要特點
表7 活性評價原料物性及工藝條件
表8 催化劑脫雜質(zhì)效果對比
圖4 PHR系列脫金屬劑與常規(guī)劑的活性及穩(wěn)定性對比
3.3 催化劑掛籃試驗
4個牌號脫金屬催化劑于國內(nèi)某渣油加氫裝置上進行了工業(yè)掛籃試驗,催化劑在工業(yè)條件下完整運行14個月后卸出,對運轉(zhuǎn)后催化劑的金屬沉積量和積炭量與同一位置的工業(yè)劑進行了對比,結(jié)果見圖6。圖6表明PHR-101/102/103上的催化劑金屬沉積量均高于對應(yīng)的工業(yè)劑,金屬沉積量最高達(dá)到30g/100mL,這歸功于其獨特的孔結(jié)構(gòu)和活性金屬分布特性;而催化劑積炭量均低于對應(yīng)工業(yè)劑,表明催化劑具有良好的抗結(jié)焦能力。
運轉(zhuǎn)后催化劑上金屬沉積分布以 PHR-102與同一位置工業(yè)劑為例,結(jié)果見圖7。圖7表明,在雜質(zhì)鎳的沉積分布上,自研脫金屬催化劑與工業(yè)劑接近均勻分布;在雜質(zhì)釩的沉積分布上,自研脫金屬催化劑與工業(yè)劑則均呈現(xiàn)明顯的“V”形分布,但 PHR系列脫金屬催化劑在催化劑顆粒中心區(qū)域具有較工業(yè)劑更高的釩沉積含量,趨向于顆粒內(nèi)部至外部的更均勻分布。這一方面是因為PHR系列催化劑中的雙峰孔結(jié)構(gòu)有利于更多的反應(yīng)物分子向催化劑內(nèi)部擴散遷移并反應(yīng)轉(zhuǎn)化,另一方面則是其活性組分的“內(nèi)高外低”非均勻分布促進了金屬雜質(zhì)釩在催化劑內(nèi)部脫出與沉積。
圖5 催化劑長周期運轉(zhuǎn)結(jié)果
圖6 掛籃試驗運轉(zhuǎn)后催化劑上的雜質(zhì)沉積量對比
圖7 掛籃試驗運轉(zhuǎn)后催化劑上的沉積金屬徑向分布對比
(1)采用載體無酸成型技術(shù)有效提高了載體孔容、孔徑和機械強度;采用“化學(xué)-物理”復(fù)合擴孔技術(shù)成功制備出雙峰孔結(jié)構(gòu)的氧化鋁載體,載體孔徑大、大孔比例高;采用活性金屬非均勻負(fù)載技術(shù)實現(xiàn)了活性金屬含量由顆粒中心至外表面的逐漸降低,優(yōu)化了催化劑活性分布。
(2)開發(fā)出 PRI第一代渣油加氫脫金屬催化劑,催化劑孔道結(jié)構(gòu)、活性分布及級配特性優(yōu)異。評價和工業(yè)掛籃等試驗結(jié)果表明,催化劑具有良好脫雜質(zhì)活性和長周期穩(wěn)定性,容金屬能力高,完全滿足工業(yè)裝置的使用要求。
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Development of PHR fix-bed residue hydrodemetallization catalysts
CHENG Tao,ZHAO Yusheng,TAN Qingfeng,CUI Ruili
(Petrochemical Research Institute,CNPC,Beijing 102206,China)
In order to solve the diffusion,reaction and deposition problems of high molecular materials such as asphaltenes and resins,and to improve the catalyst's activity and metal capacity during the process of residue hydrodemetallization,we developed a series of key technologies and 4 grades residue hydrodemetallization catalysts(PHR-101,PHR-102,PHR-103,PHR-104)by optimized catalyst design. Non-acidic binder was employed to replace the traditional acids to prepare alumina support with substantially increased pore volume and size. Dual-peak-pore-structure support,with 16.4% pore size above 1000nm,was obtained through compound pore expanding method to improve catalysts' pore structure. And non-uniform distribution of active metal components was achieved to promote impurities to diffuse to and deposit on internal catalyst whose active-site distribution was refined. The results of a 2000h test on small-scale device showed that catalysts' activity and stability after removing the impurities(metal,sulfur,carbon residue)were significantly higher than that of conventional catalysts. A 1L-scale Pilot test,with 5500h long period running under the industrial operating conditions and products requirements,indicated that the prospective running life of catalysts reached more than 8000h which totally satisfied the industrial application requirement. A 14 months industrial hanging-basket test was carried out and the results showed that,compared with the commercial atalysts,the developed catalysts exhibited higher metal capacity and more uniform metal deposition.
residue hydrotreating;catalyst;diffusion;support;stability
TE 624
A
1000-6613(2016)10-3219-07
10.16085/j.issn.1000-6613.2016.10.029
2016-03-15;修改稿日期:2016-04-29。
及聯(lián)系人:程濤(1983—),男,工程師,主要從事渣油加氫催化劑研究。E-mail chengtao010@petrochina.com.cn。