一种新型焦化塔及针状焦生产方法与流程

本发明涉及一种制备针状焦的方法及其装置，特别是涉及一种采用延迟焦化工艺生产针状焦的焦化塔和工艺。

背景技术：
针状焦是生产高功率和超高功率石墨电极的主要材料，目前国内生产超高功率石墨电极所用的针状焦主要依赖进口。从外观上看，进口针状焦具有很好的银灰色金属光泽，具有优异的流线型结构；在偏光显微镜下观察，进口针状焦在平行于流线型方向的截面上几乎都呈各向异性的纤维状。针状焦的理化性能和其纤维结构具有一定关系，与国产针状焦相比，进口针状焦在平行于流线型方向上具有更好的导电导热性能、更低的热膨胀系数、更易于石墨化。在针状焦制备过程中，原料油经过热裂解、热缩聚反应，历经中间相小球体生成、长大、融并，最终形成广域中间相，此时体系的拉焦操作对产物针状焦的形貌、结构有着至关重要的作用。CN1418931公开了一种利用管式反应炉制备针状焦的方法，预先向反应炉内充入惰性气体至压力为0.2MPa～2MPa，随着反应的进行体系压力逐渐升高，此时释放反应炉内的气体以使反应压力保持在一定范围，整个反应过程单靠体系释放的气体来拉焦。该方法存在明显的不足，在焦化后期，体系热裂解、热缩聚反应缓慢，生成的轻组分明显减少，产生的气流并不足以将中间相拉成流线型结构。与釜式焦化相比，延迟焦化在制备针状焦方面有着明显优势，物料不断从塔底进入，产生的气流连续向上运动，对体系形成向上的剪切力，迫使中间相沿着气流方向有序排列并固化，拉焦效果显著。CN1297979A、CN1132895、CN101302434A等专利均提到将焦化蜡油循环回焦化塔继续反应，从而大大提高针状焦的产量。此外，焦化蜡油通常比针状焦原料油的热裂解、热缩聚活性低，其循环回焦炭塔有效地降低体系粘度，尤其在焦化后期生成油气量不足的条件下，循环油作为拉焦气体起到显著作用。然而，通常延迟焦化进料口位于塔底的中心位置，反应物料从进料口向上喷入焦化塔内，势必会造成焦化塔中心和外围的拉焦效果分布不均。中心气流速率过快，造成焦孔过大，甚至产生漩涡；中心气流速率过慢，焦炭塔外围拉焦作用不明显。CN201381301Y公开了一种针状焦生产中焦炭塔新型进料口结构，该进料口设置分布器，物料从分布器的底部进入，从侧面喷出，即沿着焦炭塔的径向喷出，使气流均匀分布在体系横截面，有利于提高针状焦的质量。但是，如果在焦化后期的高粘度环境中，并不能保证从分布器喷出的物料具有足够的动力均匀的分布在体系的横截面。在针状焦制备过程中，原料油历经中间相小球体发展成广域中间相，具有一定流动性的广域中间相再在气流的作用下拉伸成纤维状，最终固化得到具有流线型结构的针状焦。气流作用力的均匀、平缓，是提高针状焦纹理结构的关键因素。

技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明目的是提供一种新型焦化塔及针状焦生产方法，采用本发明焦化塔和工艺方法制得的针状焦具有发达的针状纹理结构。本发明提供一种新型焦化塔，所述焦化塔包括筒体、上封头和下封头；上封头设有除焦口，筒体由上至下依次设置焦化段和填料段，焦化段和填料段之间设有挡板，所述挡板为带有筛孔的挡板，挡板中心设有进料口，焦化段和填料段通过法兰固定连接，下封头设有上进料口和下进料口，所述上进料口通过进料管与挡板的进料口连通并与焦化段连通，下进料口与填料段连通。本发明焦化塔，填料段高度为焦化塔总高度的1/20～1/2，优选为1/20～1/5。本发明焦化塔，所述挡板为带有筛孔的挡板，中心留有进料口，所述挡板筛孔的形状为正方形，长方形，三角形，圆形中的一种，优选为圆形；筛孔大小为0.1mm～10mm，优选1mm～5mm，筛孔沿挡板径向呈同心圆分布，挡板的总开孔率为5%～50%，可以是均匀开孔率，也可以是非均匀开孔率，优选非均匀开孔率，当为非均匀开孔率时，从圆心沿着挡板半径方向筛孔孔径逐渐增大或者筛孔数量逐渐增多。本发明焦化塔，所述的焦化塔填料段内填充耐温、耐压、耐腐蚀的惰性填料，所述填料可以为不锈钢、陶瓷、惰性氧化硅中的一种或多种，其形状可以是拉西环、鲍尔环，也可以是无孔的颗粒状填料，填料的主要作用是使循环油沿塔径向分散，避免循环油直接从挡板中部的孔进入焦化段。本发明提供一种针状焦生产方法，所述针状焦生产方法采用上面所述的焦化塔，具体包括如下内容：（1）原料油经加热至400℃～520℃后，通过上进料口进入焦化塔的焦化段进行反应，反应生成的油气经过滤后进入分馏系统，经分离得到气体、汽油馏分、柴油馏分和重质油馏分；（2）循环油经加热至400℃～520℃后经下进料口进入焦化塔的填料段；（3）当焦化塔达到其处理总量时，停止通原料油，切换焦化塔，进入烤焦阶段，生成的针状焦沉积在焦化段。本发明针状焦生产方法中，步骤（2）所述循环油可以为汽油、柴油、焦化蜡油中的一种或几种，优选为焦化蜡油。本发明针状焦生产方法中，步骤（1）得到的汽油馏分、柴油馏分和重质油馏分中的一种或多种可以部分或全部作为循环油，循环油经加热至400℃～520℃后通过下进料口进入焦化塔填料段。本发明针状焦生产方法中，所述步骤（1）得到的汽油馏分、柴油馏分和重质油馏分中的一种或多种还可以部分循环回焦化塔的焦化段，优选与原料油混合加热至400℃～520℃后通过上进料口进入焦化段，其中循环回焦化段的循环油为原料油质量的10%～200%，优选30%～150%。本发明针状焦生产方法中，步骤（2）中所述循环油从下进料口进入填料段，进一步经过填料和挡板的分散作用后进入焦化段，通过下进料口进入的循环油为原料油质量的10%～200%，优选为10%～150%。本发明针状焦生产方法中，焦化塔塔顶压力为0.5～3.5MPa，优选为0.5～2.0MPa，充焦时间为16～48h，优选为18～36h。本发明针状焦生产方法中，当切换焦化塔并除焦结束后，从上进料口、下进料口向焦化塔通入热空气或者热氧气，将焦化塔的焦化段和填料段两段内残留的焦炭烧掉，清理干净后为下次实验做准备，必要时可以卸出下段填料，以将附着在填料上的焦炭烧干净。本发明针状焦生产方法中，所述的原料油可以是除去喹啉不溶物的煤焦油、煤焦油沥青，也可以是经过脱硫、脱灰分处理的乙烯焦油、催化裂化澄清油、热烈化渣油等中的一种或者几种混合物。本发明针状焦生产方法中，步骤（1）所述的原料油加热采用变温程序加热方式，加热炉出口起始温度为420～460℃，恒温1～8h，然后以0.1～10℃/h，优选2～5℃/h的速率升至460～480℃，恒温1～5h，最后在0.5h内快速升温至500～520℃，恒温2～4h。本发明针状焦生产方法中，所述的循环比为进入延迟焦化塔的循环油与新鲜原料的质量比，即从上、下进料口进入的循环油总量与新鲜原料的质量比，循环比为0.1～2。本发明针状焦生产方法中，步骤（1）中所述的过滤要求经过过滤的油气中焦粉质量含量降至0.1%以下。与现有技术相比，本发明焦化塔及针状焦生产方法具有如下优点：本发明通过对现有焦化塔结构进行改进，在焦化塔的焦化段下方设置填料段，使得循环油通过下进料口进入填料段，油气经过填料的分散在填料段分布均匀，然后再经过挡板上的筛孔进入焦化段，由于挡板采用非均匀开孔率，从挡板中心沿径向开孔率逐渐增大，通过局部筛孔的油气量与开孔率成正比，即外围靠塔壁区域通入的循环油比中心部位多，从而对上进料口进料的不均匀性做了一定的补偿，避免体系粘度沿塔径向分布不均。解决了现有技术中循环油与新鲜原料油一起从上进料口进入焦化塔的焦化段，造成焦化塔中心部位的粘度相对较小，而随着反应的进行，靠近焦化塔塔壁区域的粘度增大，外围粘度越大，中心部位的轻组分向外围扩散越慢，导致外围体系的流动性更差，出现恶性循环，导致气体拉焦对外围靠塔壁区域的作用效果不明显。此外，下段循环油的加入对体系，尤其是靠近塔壁的区域，起到很好的减粘和润滑作用，再在中心区气流的作用下，整个体系沿着剪切力的方向排列，生成的针状焦具有良好的针状纹理结构，尤其是靠近塔壁区域的样品也具有良好的针状纹理结构。填料段装填的填料不仅对循环油气起到分散的作用，而且能有效降低循环油气向上喷射的速度，从而避免油气直接冲击挡板，有利于延长挡板的使用寿命。附图说明图1是本发明焦化塔结构示意图。图2是本发明焦化塔挡板结构示意图。图3是采用本发明提供方法和延迟焦化装置靠近塔中心处样品的偏光显微镜照片。图4是采用本发明提供方法和延迟焦化装置靠近塔壁处样品的偏光显微镜照片。图5是采用本发明提供方法和延迟焦化装置靠近塔壁处样品的扫描电镜照片。图6是采用常规延迟焦化装置靠近塔中心处样品的偏光显微镜照片。图7是采用常规延迟焦化装置靠近塔壁处样品的偏光显微镜照片。图8是采用常规延迟焦化装置靠近塔壁处样品的扫描电镜照片。具体实施方式本发明新型焦化塔包括筒体1、上封头2和下封头3；上封头设有除焦口4，筒体由上至下依次设置焦化段5和填料段6，焦化段和填料段之间设有挡板7，所述挡板为带有筛孔22的挡板，挡板中心设有进料口21，焦化段和填料段通过法兰8固定连接，下封头设有上进料口9和下进料口10，所述上进料口通过进料管11与挡板的进料口连通并与焦化段连通，下进料口与填料段连通。采用本发明提供的方法和延迟焦化装置制备针状焦，其中延迟焦化塔的填料段占总塔高的1/10，挡板为非均匀开孔率，总开孔率为28%；采用某炼厂经过处理的催化裂化油浆作为新鲜原料，反应生成的>350℃馏分为循环油。为描述方便，实施例中新鲜原料油进料量设为1，所述的循环油的质量是指循环油占新鲜原料油质量的百分比。实施例1混有循环油的新鲜原料油经过焦化加热炉加热后从上进料口9进入延迟焦化塔的焦化段5；另一路循环油也经过焦化加热炉加热后从下进料口10进入延迟焦化塔的填料段6，循环油再通过挡板7上的筛孔21进入焦化段5。焦化加热炉采用变温程序控制，起始温度430℃恒温4h，然后以4℃/h的速率升温至470℃，期间上进料口9中循环油的质量为30%、下进料口10中循环油的质量为20%，即此时循环比为0.5，延迟焦化塔顶压力1.5MPa；在470℃温度下恒温进料4h，同时将下进料口10中循环油的质量上调至50%，即此时循环比为0.8；恒温结束后，将上进料口9中循环油的质量上调至80%，即此时循环比为1.2，然后再在0.5h内快速升温至515℃并保持2h，在升温过程中将体系压力下调至0.6MPa。整个焦化过程中，延迟焦化塔的实际总进料量保持不变，总计充焦时间为20.5h。其中，靠近塔中心处样品的偏光显微镜照片见图3，靠近塔壁处样品的偏光显微镜照片见图4，靠近塔壁处样品的扫描电镜照片见附图5。对比例1对比例1中采用常规延迟焦化装置，与实施例1中所用的焦化塔相比，对比例1中所用焦化塔取消填料段，下封头仅设有一个进料口。所用的原料油和循环油同实施例1，同样将新鲜原料油进料量设为1。混油循环油的新鲜原料油经过焦化加热炉加热后从底部进入延迟焦化塔。焦化加热炉采用变温程序控制，起始温度430℃恒温4h，然后以4℃/h的速率升温至470℃，期间循环比为0.5，延迟焦化塔顶压力为1.5MPa；在470℃温度下恒温进料4h，同时将循环比上调至0.8；恒温结束后，将循环比上调为1.2，然后再在0.5h内快速升温至515℃并保持2h，在升温过程中将体系压力下调至0.6MPa。整个焦化过程中，延迟焦化塔的实际总进料量保持不变，总计充焦时间为20.5h。靠近塔中心处样品的偏光显微镜照片见图6，靠近塔壁处样品的偏光显微镜照片见图7，靠近塔壁处样品的扫描电镜照片见图8。