[发明专利]用碱金属和烃对石油原料的提质

说明书

本申请是国际申请号为PCT/US2010/054984，国际申请日为2010年11月1日的PCT国际专利申请进入中国阶段后的国家申请号为201080049770.5，发明名称为“用碱金属和烃对石油原料的提质”的中国专利申请的分案申请。

相关申请

本申请要求2009年11月2日提交的题为“用碱金属和烃对石油原料的提质”(Upgrading of Petroleum Oil Feedstocks Using Alkali Metals and Hydrocarbons)的美国临时专利申请系列第61/257369号的权益。该临时申请明确通过参考结合于此。

技术领域

本发明涉及从含硫、氮和金属的页岩油、沥青或重油中除去氮、硫和重金属，使这些物质可用作烃燃料的方法。更具体地，本发明涉及从页岩油、沥青或重油中除去氮、硫和重金属，同时对这些材料进行提质，以获得更高的氢-碳比。

背景技术

对能量(以及产生能量的烃)的需求持续上升。但是，用来提供这种能量的烃原料往往包含难以除去的硫和金属。例如，硫能导致空气污染，能使设计用来从机动车废气中除去烃和氧化氮的催化剂中毒，从而需要采用费用较高的工艺从烃原料中除去硫，然后才能将其用作燃料。另外，金属(如重金属)也经常存在于烃原料中。这些重金属能使通常用来从烃中除去硫的催化剂中毒。为除去这些金属，还需要进一步加工烃，从而进一步增加了费用。

目前，人们正持续寻找新能源，以期减少美国对国外石油的依赖。人们已经提出设想，作为油页岩矿干馏得到的石油，大储量的页岩油对于满足本国未来的能量需求将发挥日益重要的作用。在美国科罗拉多州、犹他州和怀俄明州称作绿河地层的较小区域，发现了超过1万亿桶可用的储藏页岩油。随着原油价格上涨，作为替代能源，这些页岩油资源变得越来越有吸引力。为了利用此资源，必须解决一些具体的技术问题，以便通过低成本、高效率的方式将这种储藏的页岩油用作烃燃料。与这些物质相关的一个问题是，它们含有较高含量的氮、硫和金属，必须将氮、硫和金属除去，以使这种页岩油能够恰当地发挥烃燃料的作用。

同样需要除去硫、氮或重金属的潜在烃燃料的其它例子有沥青(加拿大艾伯塔大量存在)和重油(如委内瑞拉已经发现)。

油源如页岩油、沥青和重油(可统称或各自称为“油原料”)中的高含量氮、硫和重金属使这些物质加工困难。一般通过所谓的“加氢处理”或“碱金属脱硫”工艺精炼这些油原料，除去硫、氮和重金属。

加氢处理可通过在升高的温度和升高的压力下，使用催化剂如Co-Mo/Al₂O₃或Ni-Mo/Al₂O₃，用氢气处理所述物质来进行。加氢处理的缺点包括失去碳原子之间的双键而使有机物过饱和，以及重金属污染催化剂而降低加氢处理的效果。另外，加氢处理需要昂贵的氢气。

碱金属脱硫是油原料与碱金属(如钠或锂)和氢气混合的过程。此混合物在压力下(且通常在升高的温度下)反应。硫和氮原子与油原料中的碳原子形成化学键。在升高的温度和升高的压力下，反应迫使硫和氮杂原子被碱金属还原为离子盐(如Na₂S、Na₃N、Li₂S等)。但是，为防止结焦(例如形成煤状产物)，反应通常在昂贵的氢气存在下进行。

在油原料提质中需要氢气的工艺的另一个不利之处是，氢源通常利用蒸汽甲烷重整工艺，通过烃分子与水反应形成，这产生二氧化碳排放物。由于人们对二氧化碳排放的日益关注以及这种排放可能对环境造成的影响，许多环保主义者认为，在加氢处理工艺中像这样产生二氧化碳是个问题。

在许多地方，另一个问题是生产氢气需要牺牲水资源。例如，在部分页岩油绿河地层所处的西部科罗拉多州和东部犹他州地区，气候干旱，用水形成氢气可能很昂贵。

因此，虽然常规加氢处理或碱金属脱硫工艺是已知的，但它们的费用较高，需要大量的资金投入才能建成正常运转的工厂，并且可能造成不利的环境影响。工业上需要一种新工艺，可用来从油原料中除去杂原子如硫和氮，但与常规处理方法相比费用没有那么高，并且更加环保。本发明公开了这样一种工艺。

发明内容