用于生产煤基喷气式发动机燃料、柴油机燃料和馏出燃料的联合工艺和设备.pdf

通过选择性地将煤基产品直接导入至炼油工艺流程来生产煤基喷气式发动机燃料、柴油机燃料和/或馏出燃料，由此创建用于生产馏出燃料的联合炼油工艺。

1.  在包括至少一个分馏装置和至少一个氢化处理装置的炼油流程工艺中，一种包括一些可选工艺的改进，所述可选工艺用于将煤基产品直接导入所述炼油流程工艺中，由此创建用于生产煤基喷气式发动机燃料和其它的馏出燃料的联合炼油工艺。

2.  根据权利要求1所述的联合炼油工艺，其特征在于，所述用于导入所述煤基产品的工艺包括可选的煤焦油调合工艺。

3.  根据权利要求1所述的联合炼油工艺，其特征在于，所述用于导入所述煤基产品的工艺包括可选的共焦化工艺。

4.  一种石油和煤基产品联合提炼设备，包括：
至少一个分馏装置，
至少一个氢化处理装置，以及
用于选择性地将煤基产品直接导入至包括所述至少一个分馏装置和所述至少一个氢化处理装置的炼油流程工艺的设备，由此使得所述石油和煤基联合提炼设备能够产生煤基喷气式发动机燃料和其它的馏出燃料。

5.  根据权利要求4所述的石油和煤基产品联合提炼设备，其特征在于，所述用于选择性地将所述煤基产品导入所述炼油流程工艺的设备包括煤焦油调合设备。

6.  根据权利要求4所述的石油和煤基产品联合提炼设备，其特征在于，所述用于选择性地将所述煤基产品导入所述炼油流程工艺的设备包括共焦化导入设备。

7.  根据权利要求4所述的石油和煤基产品联合提炼设备，其特征在于，所述用于选择性地将所述煤基产品导入所述炼油流程工艺的设备包括溶剂萃取设备。

8.  根据权利要求4所述的石油和煤基产品联合提炼设备，其特征在于，所述用于选择性地将所述煤基产品导入所述炼油流程工艺的设备包括气化副产物调合设备。

9.  根据权利要求4所述的石油和煤基产品联合提炼设备，其特征在于，所述用于将所述煤基产品导入所述炼油流程工艺的设备包括选自包含煤焦油调合设备、共焦化设备、溶剂萃取设备和气化副产物调合设备的组中的至少两个设备。

10.  根据权利要求9所述的石油和煤基产品联合提炼设备，其特征在于，将从所述煤基产品萃取出的精制液直接导入至所述石油和煤基产品联合提炼工艺。

11.  根据权利要求10所述的石油和煤基产品联合提炼设备，其特征在于，随后将所述精制液顺次导入至氢化处理装置，然后导入至分馏装置，由此生成喷气式发动机燃料和其它的馏出燃料。

用于生产煤基喷气式发动机燃料、柴油机燃料和馏出燃料的联合工艺和设备
相关申请的交叉引用
本国际申请要求2007年4月20日提交的名称为″INTEGRATED PROCESS AND APPARATUS FORPRODUCING COAL-BASED JET FUEL，DIESEL FUEL，ANDDISTILLATE FUELS(用于生产煤基喷气式发动机燃料、柴油机燃料和馏出燃料的联合工艺和设备)″的美国临时申请系列号6O/907,882，和2008年2月13日提交的名称为″INTEGRATEDPROCESS AND APPARATUS FOR PRODUCING COAL-BASEDJET FUEL，DIESEL FUEL，AND DISTILLATE FUELS(用于生产煤基喷气式发动机燃料、柴油机燃料和馏出燃料的联合工艺和设备)″的美国专利申请系列号12/068,937的权益，将其全部内容引入本文以作参考。
技术领域
所述发明涉及矿物燃料的领域。更具体地，本发明涉及由煤衍生并被转化为包括喷气式发动机燃料、柴油机燃料和其它的馏出燃料(distillate fuel)的各种燃料产品的矿物燃料。
背景技术
随着世界范围内针对能源的工业需求逐年地持续增加，各国持续展开努力以寻找并研发新的石油资源和替代能源。在美国，正在加速努力以变得更加不依赖于石油进口，并且使上升的燃料成本稳定化并最终降低上升的燃料成本。
据估计，目前美国空军每年使用约300万加仑量的喷气式发动机燃料。将来，它们大部分需求将经受严格的标准，包括在华氏900度的范围内的操作温度性能。用于喷气式发动机燃料的这些严格的军事标准反映了在飞行器中以及先进的燃气涡轮引擎的性能和它们的热稳定性方面的许多进步。许多年来，位于宾夕法尼亚州柏克校园的宾州州立大学的能源研究所在致力于提供新的和更高效的馏出燃料的研究方面处于领先地位。例如，对于在从煤产品衍生出的燃料，特别地已知为JP-900的喷气式发动机燃料以反映燃料的期望上限温度范围能力的领域的高技术研究的实例，参见题名为“JP-900技术概要(JP-900 TechnologyOverview)”的附录1和题名为“煤基喷气式发动机燃料图表(TheCoal-Based Jet Fuel Program)”的附录2。
响应于日益增长的进口更大量外国油品的需求，许多政府和商业机构正在探索替代能源和研究不同的、较低成本的对石油类产品的替代品。近来，据报刊报道，每天约8亿美元流向美国经济来购买油品进口品。
发明内容
如能源勘探和生产领域的熟练技术人员已知的，多年来煤已经成为可靠安全的国内能源。此外，煤是一种世界范围的能源，它是目前可以获得保证供应配置的长期供应合同，通常为20年或以上。
为了考虑和评价煤基喷气式发动机燃料的值，首先需要定义本说明书中要使用的一些术语以更清楚地描述可行的替代工艺和设备结构。出于该目的，需要定义以下术语：
(A)“煤衍生燃料”是完全由煤生产的煤产品。可以通过所谓的直接液化煤来获得该产品。
(B)“煤基燃料”是包含有效部分的由煤生产的组分和另外包含来自其它资源例如石油的组分的燃料。
如燃料能源领域的熟练技术人员已知的，使用具有相对小的改造或改装的现有炼油厂操作和基础设施制造的煤基喷气式发动机燃料，(如下文将进一步定义的)，由于基本上所有提炼工艺步骤与当前的炼油厂操作一致，因此基本上是比较便宜的。
根据一方面，公开的本发明的至少一个实施方案，在最小输入类型的改造或加装的情况下，利用现有炼油厂基础设施，经济地生产高级喷气式发动机燃料和其它的馏出燃料。
根据另一方面，公开的本发明的至少一个实施方案，在对标准的提炼工艺进行最小改变的情况下，利用现有炼油厂基础设施，经济地生产高级喷气式发动机燃料和其它的石油产品。
根据又一方面，公开的本发明的至少一个实施方案，在对标准的炼油工艺和设备进行最小改变或加装的情况下，利用现有炼油厂操作和基础设施，由煤产品经济地生产喷气式发动机燃料。
从以下对新型工艺和设备的描述，尤其在结合以下附图阅读时，在申请人的说明书中所公开的这些和其它重大改进将变得显而易见。
附图说明
参考附图，在以下说明中更完全地公开了本发明的这些和其它更详细和具体的特征，其中：
图1是基本的现有技术炼油流程(layout)的示意图。
图2是根据申请人所公开发明的实施方案的可利用的煤焦油调合工艺的方框流程图。
图3是根据申请人所公开发明的另一实施方案的可利用的共焦化工艺的方框流程图。
图4是根据申请人所公开发明的另一实施方案的可利用的溶剂萃取工艺的方框流程图。
图5是根据申请人所公开发明的另一实施方案的可利用的气化副产物调合工艺的方框流程图。
图6是示出根据申请人所公开发明的又一实施方案的工艺实例组合的经改造的标准炼油厂基础设施的示意图。
图7是具有煤焦油调合选项的基本炼油流程的方框流程图。
图8是具有共焦化选项的基本炼油流程的方框流程图。
图9是具有溶剂萃取选项的基本炼油流程的方框流程图。
图10是具有煤气化附加项的基本炼油流程的方框流程图。
具体实施方式
在以下说明中，出于解释的目的，陈述了例如流程图和系统结构等的多种细节，从而提供对本发明的一个或多个实施方案的进一步理解。然而，对于本领域的熟练技术人员而言，为了实现本发明，不要求这些具体细节也将是显而易见的。
如上所述，为了取得利用现有的石油炼油厂基础设施的经济优势，宾州大学能源研究所(Penn State University EnergyInstitute)近来关注煤基喷气式发动机燃料工艺和设备的研发。这种现有油品基础设施的利用避免了如煤直接液化厂(plant)所要求的生产气体或其它燃料的全新工厂的昂贵的工厂建设。对申请人的利用现有炼油厂基础设施的较小改造或加装的用于喷气式发动机燃料和其它燃料的生产工艺的说明直接导致在本公开实施时估计每个工厂约200万美元的大幅节约。
图1是基本的现有技术炼油流程的示意图。如下所述的工艺路线可以以相对较小的改造或改装合并至现有的炼油操作和基础设施中。根据申请人的改进后的用于生产JP 900型喷气式发动机燃料和其它馏出燃料的工艺和设备，存在4种不同的工艺路线，其中各个工艺路线可以与其它的工艺路线组合，从而得出多种超出以下具体所述结构的各种可行结构：
第一工艺：煤焦油调合工艺，可以参考图2来更好地理解该工艺。煤焦油调合工艺通常涉及氢化处理混合有提炼物流(refinery stream)(例如，轻循环油)的煤焦油产品(例如，精制化学油)的混合物。优选地，煤焦油调合涉及调合商购可得的煤衍生液体(精制化学油(RCO))与从催化裂化所获得的轻循环油。轻循环油(LCO)是炼油中的催化裂化处理的副产物。
第二工艺：共焦化工艺，可以参考图3来更好地理解该工艺。共焦化工艺涉及将煤添加至混合器，在该混合器中，煤与石油产品例如澄清油的混合。然后，将煤和石油产品的混合物导入至延迟焦化器。然后，将来自焦化器的液体分馏和氢化处理。除燃料产品以外，该工艺生产具有作为用于铝熔炼阳极(smelting anode)的高级碳产品的潜力以及在生产合成石墨和生产活性炭中的潜在应用的焦炭。
第三工艺：溶剂萃取工艺，可以参考图4来更好地理解该工艺。溶剂萃取工艺涉及在升高的温度(200～400℃，理想地为约350℃)下以一个或多个步骤使用轻循环油来萃取煤。将所得的萃取的煤产品混合物进行氢化处理和分馏，以生产期望的清洁液体燃料，并且如以下所述，可以在气化副产物调合工艺中使用未萃取的煤。
第四工艺：气化副产物调合工艺，可以参考图5来更好地理解该工艺。气化副产物调合工艺涉及收集作为煤气化的副产物所产生的焦油，并将该焦油与适合的石油提炼物流例如轻循环油调合。将所得的调合物氢化处理和分馏以产生期望的清洁液体燃料。
现在参考图1，说明在改进后的炼油基础设施中用于导入煤产品以产生JP-900型喷气式发动机燃料的具有上述4种生产工艺的可利用的炼油工艺基础设施的示意流程图。
如炼油领域的熟练技术人员显而易见，不会仅为了生产喷气式发动机燃料而构建一般的炼油厂结构。在上述PSU能源研究所中正在进行连续研究，以进一步评价和提高来自组合油和煤产品联合炼油厂(combined oil and coal-product integratedrefinery)的各种不同的产品和副产物。在基本的前期研究之后在PSU能源研究所中进行的早期研究表明煤基喷气式发动机燃料可以实现必要的高温稳定性，而没有降低必需的存储和低温稳定性。因而，显然JP-900喷气式发动机燃料产品将提供用于将喷气式发动机燃料用作用于具有先进的喷气引擎设计的高性能飞行器的推进能源和大的散热器(significant heat sink)这两者的实际方案。
现在参考图2，说明根据上述的用于将煤产品导入如图1所示炼油中的申请人工艺中的第一工艺的可利用的煤焦油调合工艺方框流程图。如图2所示，煤焦油调合涉及将商购可得的称为精制化学油的煤衍生液体与从例如催化裂化所得的轻循环油混合。将这两种产品分别经由输入管线100和101导入混合器102。将混合器102的输出物进给至氢化处理器104，在氢化处理器104中，将混合器102的输出物与通过输入口103所输入的氢气混合。将氢化处理器104的输出物直接进给至具有包括汽油输出口106、喷气式发动机燃料输出口107、柴油输出口108和燃油输出口109的多个输出口的分馏塔105。为了进一步理解通过改进后的石油炼油的各种工艺物流(process stream)的流程，可以参考图1。
现在参考图3，说明根据上述的用于将第二煤产品导入如图1所示的石油炼油的申请人工艺中的第二工艺可利用的共焦化工艺方框流程图。申请人工艺中的第二工艺，即共焦化是基于将煤添加至使煤与易于获得的油例如澄清油混合的混合器202。将这两种产品分别经由输入口200和201导入混合器202。将混合器202的输出物进给至延迟焦化器203。将来自延迟焦化器203的液体进给至分馏塔205，该分馏塔205将工艺物流进一步进给至氢化处理器206。氢化处理器206具有用于导入氢气的输入口208和用于喷气式发动机燃料的输出口207。除了从分馏塔205和氢化处理器206输出的燃料产品以外，从输出口204的输出的焦化副产物是可用于例如生产铝阳极的高级碳副产物。为了进一步理解通过改进后的炼油各种工艺物流的流程，可以参考图1。
现在参考图4，说明根据上述的用于将第三替代煤产品导入如图1所示炼油中的申请人工艺中的第三工艺可利用的溶剂萃取方框流程图。在该工艺中，在升高的温度(200～400℃，理想地为约350℃)下以一个或多个步骤利用轻循环油来萃取煤。该工艺优选利用烟煤(bituminous coal)作为供料煤(feed coal)。将供料煤和轻循环油分别经由输入口300和301导入溶剂萃取和分离装置302。萃取过程的主要产品是轻循环油中未萃取的剩余煤的固态浆液。该浆液在溶液中包含从供料煤萃取出的各种化学化合物。对浆液进行加压过滤等的固体/液体分离过程。将分离装置302的液体产品输出物进给至氢化处理器304，在氢化处理器304中，将液体产品输出物与通过输入口303输入的氢气混合。将氢化处理器304的输出物直接进给至具有包括汽油输出口306、喷气式发动机燃料输出口307、柴油输出口308和燃油输出口309的多个输出口的分馏塔305。使用固体未萃取的煤产品的310的作为气化装置的原料(feedstock)，所述气化装置用于产生氢化处理步骤所需要的一部分氢气，以下将参考图5更详细地说明。为了进一步理解通过改进后的炼油的各种工艺物流的流程，可以参考图1。
现在参考图5，说明根据上述的用于将第四替代煤产品导入如图1所示炼油中的申请人工艺中的第四工艺可利用的气化副产物调合工艺方框流程图。生产煤基喷气式发动机燃料的调合方法要求已经从煤释放出的或由煤形成的一些萘系和茚系化合物源(source)作为原料。某些煤气化技术生产煤焦油作为副产物。更明显地，这是已知作为所谓的固定床(还已知为移动床)气化的技术，其中，鲁奇(Lurgi)气化器是最著名的并且是商业上最成功的实例。在传统的煤气化应用中，对焦油进行处理以获得有用的化学产品，将焦油作为方便燃料而燃烧，或者将焦油作为废弃材料收集并处理掉。
在这里所公开的气化副产物调合工艺中，将煤与蒸汽和氧气的组合流分别通过输入口400和401进给至煤气化器402。煤气化器产生粗产品气体403、焦油405和灰404输出物流。收集由煤气化器402所产生的焦油，并将该焦油与适当的炼油流(stream)例如轻循环油调合。将焦油和轻循环油分别经由输入口405和409导入至混合罐407。将调合后的焦油和轻循环油进给至氢化处理器412。将由煤气化器402产生的粗产品气体进给至产生二氧化碳气体408和氢气410的输出物流的气体净化和转换反应器406。将来自气体净化和转换反应器406的氢气输出物流410进给至氢化处理器412，在氢化处理器412中，其用于氢化处理从输入物流411进给至氢化处理器412的调合后的焦油和轻循环油。将氢化处理器412的输出物直接进给至具有包括汽油输出口414、喷气式发动机燃料输出口415、柴油输出口416和燃油输出口417的多个输出口的分馏塔或者蒸馏塔(distillation column)。该工艺的附加优势是运行气化器自身以产生氢，然后，如所述的，该氢可用作用于工厂中焦油调合下游的氢化处理的氢的来源。
如炼油领域的熟练技术人员所理解，在油/煤产品的联合炼油厂基础设施中，本文上述公开的这四种辅助煤产品输入设备和工艺在结构上和操作上是彼此独立的。
如图6所述，在油/煤产品联合炼油厂基础设施上，可以独立地、同时或并行运行或操作任意数量的此类煤产品设备和工艺。因而，可以将特定结构的炼油厂改造，以包括全部的四种煤产品输入设备/工艺，或者可以进行改造以仅包括这些输入设备/工艺中的一种或两种或三种，由此当可以指定其特定产品线时能够在处理作为输出物的特定煤产品时具有极大的灵活性。可以选择此类加装的灵活性，以满足或利用或符合关于针对于一种或多种煤产品输入物要改造的任何特定炼油厂的各种成本因素或空间限制。因而，例如，如果一个炼油厂不能经济地获取共焦化器的澄清油供给，则可以对该炼油厂进行改造，以运行或集中于其它的煤产品输入设备或工艺。
因此，由于存在制造煤基喷气式发动机燃料的多种可行的途径，因此如上所述的设备和工艺为燃料生产工业提供极大的多样性。
作为实例，如图6所示，不具有延迟焦化器的炼油厂可以仅运行调合工艺。对于不具有催化裂化装置的炼油厂，可以仅运行焦化工艺。对于既具有催化裂化器也具有延迟焦化器的炼油厂，可以完全并行地运行调合工艺和焦化工艺这两者，通过独立的氢化处理和分馏步骤输送(carry)来自各个工艺的产品。除非各个工艺具有确保其作为分别的产品的规模的特殊特性，否则将各个并行工艺链(processing train)的产品在炼油厂内调合。可选地，对于具有催化裂化器和延迟焦化器这两者的炼油厂，可以单独地运行调合和焦化，然后组合这些操作中各个操作的液体产品。然后，如图6进一步所示的，将所组合的产品作为一个流进行氢化处理和分馏。
如炼油领域的熟练技术人员已知的，如图1～6所示，在各方面中，炼油厂基础设施都将处于包括商购可得数字或模拟计算机设备的主控制面板(未示出)的连续控制下。炼油厂基础设施主控制计算机设备(图1中未示出)在运作上受一系列的可选择的软件生产控制程序所控制，从而在联合炼油厂基础设施的工作期间适当地调度和控制在系统的各个功能元件和流量(flow level)中的油和/或煤产品以及液体流量的各种提炼输入物，以产生期望的馏出液产品。
对于具体适用于炼油厂的工艺控制的附加背景，申请人请感兴趣的人员参考Royal Dutch Shell，The Petroleum Handbook.6^th edition，Elsevier Science Publishers，Amsterdam，1983(ISBN0-444042118-1)，尤其是第331～335页，将其引入以作参考。通常关于工艺控制的其它有用的手册，申请人建议参考Perry’sChemical Engineers’Handbook.7^th edition.McGraw-Hill，NewYork(ISBN 0-07-049841-50)，特别是第8章，将其引入以作参考。
图7是并入煤焦油调合工艺选项的标准炼油流程的方框流程图。在图2中特别示出煤焦油调合工艺。
图8是并入共焦化工艺选项的标准炼油流程的方框流程图。在图3中特别示出共焦化工艺。
图9是并入溶剂萃取工艺选项的标准炼油流程的方框流程图。在图4中特别示出该溶剂萃取工艺。
图10是并入气化副产物调合工艺附加项的标准炼油流程的方框流程图。可以参考图5来更好地理解该气化副产物调合工艺。
在本文的说明中，提供了多个具体细节，例如成分和/或方法的实例，以提供对本发明的实施方案的全面理解。然而，相关领域的熟练技术人员将认识到，可以在缺少具体细节中的一个或多个的情况下，或者在具有其它的设备、系统、组件、方法、成分、材料和/或部件等的情况下，实施本发明的实施方案。在其它情况下，没有详细地具体示出或说明公知的结构、材料或操作，以避免使本发明的实施方案的方面不明显。
尽管已经参考本发明的特定实施方案非常详细地说明了本发明，但在不背离本发明的精神或范围的情况下可以以各种方式实现本发明。因此，以下权利要求书决不应当限定于对本文所包含的实施方案的描述。