[发明专利]一种利用甲烷催化重质原油精炼的催化剂及其制备方法

说明书

技术领域：

本发明属于重质原油的精炼领域，特别涉及一种利用甲烷催化重质原油精炼的催化剂及其制备方法。

背景技术：

当今世界，石油作为主要化石能源和有机化工原料，成为工业生产、社会发展的动力和血液。从世界范围来看，构成传统原油的主要轻质原油日益呈现枯竭的趋势。而且，优质的轻质原油来源依赖于中东地区，其供应和价格受地区政治局势的影响很大。因此，包括页岩油和沥青质含量很高的重质原油(下文统称为重质原油)在内的非常规石油资源日益受到关注。对于我国而言，目前可以获得的非常规石油资源主要是来自委内瑞拉的重质原油，两国间已经达成了一系列的重质原油交易协议，同时通过收购外资公司等模式我国在加拿大也获得了稳定且可观的重质原油来源。这些战略举措都为我国进口、炼制和使用重质原油提供了有利条件。重质原油资源的高效利用，将会有效地缓解石油资源不足对我国社会经济发展带来的限制。

然而，重质原油的利用，需要解决一系列的技术问题，包括其高粘度所造成的运输困难、热裂解过程中大量原料被转化为低附加值的焦炭、裂解产物中烯烃含量高、含硫量和金属含量高等问题。这些问题的有效解决，是重质原油的商业化利用的先决条件，是高效合理利用重质原油的要求，也是绿色环保地使用非常规石油资源的保证。目前世界上普遍运用的一种重质原油转化工艺为，首先，将重质原油通过热处理，裂解为小分子的液体产物，同时产生大量焦炭。然后，利用将甲烷水蒸汽重整所得到的氢气，对重质原油的裂解产物在催化剂的作用下进行催化加氢。另一广泛应用的工艺，则是直接在热裂步骤中引入氢气和催化剂，进行加氢催化裂化。总之，在加氢的过程中，可以将裂解产生的不饱和的烯烃类产物转化为饱和的烷烃类等产物，并将其中的硫、氮、金属脱除，同时有效降低焦炭类物质的产生。而且从整个产业链的角度来看，从自然界可以直接取得的甲烷，通过甲烷水蒸汽重整制取氢气，会引入甲烷重整设备的成本，以及热能消耗的成本。

在重质原油改性的技术方面，目前世界上普遍运用的技术包括两种不同的加氢方式。一是热裂解或者催化裂化与催化加氢联用，二是直接加氢催化裂化。前者首先将重质原油在高温条件下裂解，得到轻质原油，再将其通过催化加氢的方式，饱和其中的烯烃类物质。在裂解步骤中，将会由于重质原油自身的高碳元素含量而不可避免地生成大量的焦炭，从而对反应器和催化剂造成负面影响，需要频繁地清理和再生。第二种方法即加氢催化裂化，则是氢气与重质原油经过加氢精制和加氢裂化步骤，将裂解和加氢过程同时完成。在裂解步骤引入氢气，有利于抑制有机分子的缩合，降低焦炭的生成，而且使得重质原油中的碳元素更多地转化到产品油中，提高了对重质原油的利用效率，同时除去所含的硫、氮、氧和重金属类物质。反应器中的氢气压力在140-280大气压之间，因此对各反应器和连接反应器的管路之间的设备的抗压性能和气密性能要求很高，需要在反应温度(360-450℃)下，仍可以保持对高压的抗性，并且不会发生氢气的泄露，使得设备成本大大增加。此外，氢气在输送进入反应器前，需要进行压缩处理，以达到所需的压强，从而进一步增加了运行成本。加氢催化裂化和催化加氢过程中存在的上述问题也引起了学术界和工业界的广泛关注。对这些问题的改善和解决，主要是通过对催化剂的不断改进来实现的。在过去的十余年中，加氢催化剂改进的最新成果集中在二硫化钼类催化剂上，包括利用钴等金属对其进行改性，以提高反应活性，从而降低反应所需要的压力。

同时，上述两种方法均需要消耗大量的氢气。工业上氢气的来源主要是甲烷的水蒸汽重整制氢，即以主要成分为甲烷的天然气，在催化剂的作用下，同水蒸气发生重整反应，转化为氢气和二氧化碳。这一过程往往需要在800℃以上的温度和15到30大气压才能实现，会造成大量能源、设备和运行的成本。而这些成本，都会转嫁给氢气的使用者，即使用氢气精炼重质原油的企业。这些增加的成本，又将被进一步转嫁到从重质原油制得的汽柴油的成本中，从而降低了这一转化过程的利润。如果甲烷可以不经过重整为氢气的中间步骤，而直接作为氢源用于重质原油的催化裂化、转化为汽柴油的过程，利用甲烷(主要成分为甲烷)活化、分解产生的甲基、氢原子等物质，完成对不饱和组分的加成和硫、氮、金属物质的脱除，将可以避免上述成本的产生。在这一过程中，如果反应所需要的压力可以降低到50个大气压以内，则可以大大降低重质原油变油的运行成本。但目前沿此思路进行开发的催化剂，尚未实现商业化应用。

发明内容：

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种直接利用甲烷催化裂化重质原油制备汽柴油和芳香类化合物等化工原料的催化剂及其制备方法。