本發(fā)明涉及柴油加氫脫硫脫氮工藝，具體涉及一種采用特定催化劑進(jìn)行的加氫脫硫脫氮工藝。

背景技術(shù)：

進(jìn)入二十一世紀(jì)，燃料油的需求和使用大幅度增長(zhǎng)，而其中的含硫化合物所帶來的環(huán)境污染問題，更引起人們的關(guān)注。燃料油中的硫化物經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生的硫氧化物(SO_x)排放到空氣中，產(chǎn)生酸雨和硫酸煙霧型污染等，造成大氣污染。

硫是自然界存在于汽油中的一種有害物質(zhì)，北京已于2008年1月1日起率先執(zhí)行相當(dāng)于歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)的京Ⅳ清潔柴油標(biāo)準(zhǔn)(硫含量≤50mg/g)，2016年5月5日，發(fā)改委、財(cái)政部、環(huán)保部等七部門發(fā)布關(guān)于印發(fā)《加快成品油質(zhì)量升級(jí)工作方案》通知，方案明確擴(kuò)大車用汽、柴油國(guó)五標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行范圍。從原定京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角區(qū)域重點(diǎn)城市擴(kuò)大到整個(gè)東部地區(qū)11個(gè)省市(北京、天津、河北、遼寧、上海、江蘇、浙江、福建、山東、廣東和海南)。2015年10月31日前，東部地區(qū)保供企業(yè)具備生產(chǎn)國(guó)五標(biāo)準(zhǔn)車用汽油(含乙醇汽油調(diào)和組分油)、車用柴油的能力。2016年1月1日起，東部地區(qū)全面供應(yīng)符合國(guó)五標(biāo)準(zhǔn)的車用汽油(含E10乙醇汽油)、車用柴油(含B5生物柴油)。歐洲已經(jīng)于2009年實(shí)行了總硫含量不大于10ppm的歐V柴油標(biāo)準(zhǔn)。所以，生產(chǎn)超低硫含量柴油已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)煉油企業(yè)所必需面對(duì)的現(xiàn)實(shí)問題。

目前，生產(chǎn)超低硫含量柴油的方法主要包括加氫精制、氧化脫硫、選擇性吸附、生物脫硫等。但加氫脫硫(HDS)技術(shù)是公認(rèn)的最有效、最經(jīng)濟(jì)的脫硫方法。研究發(fā)現(xiàn)，柴油中最難脫除的有機(jī)硫化物是4和(或)4,6位烷基取代的二苯并噻吩類化合物，這類硫化物由于在催化劑活性位上吸附時(shí)存在烷基的空間位阻，阻礙了反應(yīng)物分子在吸附活性位上的可接近性，從而使其加氫脫硫活性低；理論研究還發(fā)現(xiàn)，Ni、Co、Mo和W硫化物的加氫活性相是層狀堆垛的MoS₂和WS₂納米粒子，MoS₂納米粒子的適度堆垛有助于反應(yīng)物分子在吸附活性位上的可接近性和高活性的Ⅱ類活性相的形成。

目前國(guó)外柴油加氫脫硫技術(shù)普遍使用雙元或多元催化劑，屬于中壓深度和超深度一段或兩段脫硫過程，該過程除了脫硫之外，還能降低氮和多環(huán)芳烴，提高十六烷值。其可加工的原料比較廣泛，能加工直餾餾份油，也能加工裂化餾份油。產(chǎn)品硫含量為：采用深度加氫脫硫，低于500μg/g；采用一段超深度加氫脫硫，低于30μg/g。如果采用兩段技術(shù)還可以降低多環(huán)芳烴和提高十六烷值。

日本凱金公司開發(fā)了STARS加氫催化劑技術(shù)，在此基礎(chǔ)上工業(yè)化了兩種催化劑，即KF-757柴油超深度脫硫催化劑和具有極高脫硫、脫氮、脫芳及加氫活性的KF-848精制催化劑，不僅適用于加氫精制裝置，而且適用于加氫裂化的原料預(yù)精制、FCC原料加氫預(yù)處理等。對(duì)于高壓柴油加氫裝置，其柴油硫含量可以脫除到50ppm或者更低，對(duì)降低精制柴油密度及深度脫芳都有極好的效果。

丹麥托普索公司新開發(fā)的催化劑有TK-554(深度脫硫)、TK-574(超深度脫硫)、TK-573(深度脫硫)、TK-907(芳烴飽和及提高十六烷值)和TK-908(芳烴飽和及提高十六烷值)等。其中TK-574高活性鈷鉬催化劑是超深度脫硫催化劑，比TK-544深度脫硫催化劑相對(duì)體積活性提高了30％～40％，在生產(chǎn)硫含量500μg/g的柴油裝置上采用TK-544催化劑，可使產(chǎn)品硫含量降至350μg/g。

美國(guó)聯(lián)合催化劑公司新開發(fā)了AS-AT脫硫脫氮脫芳烴三功能催化劑，用于柴油深度脫硫脫芳裝置的第二反應(yīng)器(第一反應(yīng)器脫硫脫至50μg/g以下)，可使總芳烴脫至10％以下，硫脫至10μg/g以下。典型操作條件為：反應(yīng)溫度316℃，壓力6.18MPa，液時(shí)空速小于2h^-1，氫油比712。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外普遍采用的劣質(zhì)柴油改質(zhì)手段是加氫精制和加氫改質(zhì)。加氫精制可明顯改善產(chǎn)品的顏色和安定性，但受反應(yīng)熱力學(xué)的限制十六烷值提高幅度有限，因此通過加氫精制遠(yuǎn)不能滿足企業(yè)對(duì)產(chǎn)品十六烷值的要求。針對(duì)煉油廠提高劣質(zhì)柴油十六烷值、脫硫脫氮脫芳烴的需求，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)公司推出了MHUG加氫改質(zhì)技術(shù)及DN3110加氫精制催化劑、Z5723裂化改質(zhì)催化劑，并于2000年得到第一次工業(yè)應(yīng)用。標(biāo)準(zhǔn)公司的DN3110加氫精制催化劑、Z5723裂化改質(zhì)催化劑是采用CENTINEL技術(shù)和actiCAT？預(yù)硫化技術(shù)生產(chǎn)的一種以氧化鋁為擔(dān)體的鎳/鉬預(yù)硫化催化劑，CENTINEL技術(shù)關(guān)鍵是在活性金屬分散方面比一般的催化劑更好，更容易的將金屬氧化物轉(zhuǎn)化為金屬硫化物。而actiCAT？部分預(yù)硫化技術(shù)，是在催化劑生產(chǎn)中加載硫，在開工時(shí)利用催化劑自身攜帶的硫來實(shí)現(xiàn)催化劑的硫化，不需要催化劑的干燥，不需要額外注入硫化劑，且活化時(shí)間較短，這樣將會(huì)使得裝置快速、方便安全地開車。

因此如何提供一種柴油加氫脫硫工藝，能有效將柴油中的硫含量控制在5ppm以下，以滿足國(guó)五標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)能有效脫除柴油中的氮化物，是本領(lǐng)域面臨的一個(gè)難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種柴油加氫脫硫脫氮工藝，該工藝可以將柴油中的總硫含量降低到10ppm以下，以滿足柴油國(guó)五標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，該工藝采用的催化劑的還使得柴油中氮化物的脫除比較顯著。

為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種柴油加氫脫硫脫氮工藝，所述工藝采用固定床反應(yīng)器，固定床反應(yīng)器中裝填有加氫催化劑，所述催化劑包括載體和活性組分。

所述載體為MSU-G、SBA-15和HMS的復(fù)合物或混合物。

所述活性組分為氮化二鉬MO₂N、氮化鎢W₂N、碳化鉬Mo₂C和碳化鎢WC的混合物。

所述固定床反應(yīng)器的反應(yīng)條件為：反應(yīng)溫度為320-360℃，反應(yīng)壓力6-8MPa，氫油體積比300-600，體積空速1.0-2.5h^-1。

本發(fā)明的目的之一就在于，提供一種3種不同介孔分子篩的復(fù)合以表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)和特殊催化性能，所述協(xié)同效應(yīng)表現(xiàn)在脫硫精制方面，而特殊的催化性能則是表現(xiàn)在對(duì)催化劑的使用壽命及催化活性的提高上。

在催化劑領(lǐng)域，根據(jù)國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(huì)(IUPAC)的定義，孔徑小于2nm的稱為微孔；孔徑大于50nm的稱為大孔；孔徑在2到50nm之間的稱為介孔(或稱中孔)。介孔材料是一種孔徑介于微孔與大孔之間的具有巨大比表面積和三維孔道結(jié)構(gòu)的新型材料，它具有其它多孔材料所不具有的優(yōu)異特性：具有高度有序的孔道結(jié)構(gòu)；孔徑單一分布，且孔徑尺寸可在較寬范圍變化；介孔形狀多樣，孔壁組成和性質(zhì)可調(diào)控；通過優(yōu)化合成條件可以得到高熱穩(wěn)定性和水熱穩(wěn)定性。

但在目前的應(yīng)用中，所述介孔材料在用于催化領(lǐng)域時(shí)，都是單獨(dú)使用，比如MCM系列，如MCM-22、MCM-36、MCM-41、MCM-48、MCM-49、MCM56，比如MSU系列，如MSU-1、MSU-2、MSU-4、MSU-X、MSU-G、MSU-S、MSU-J等，以及SBA系列，如SBA-1、SBA-2、SBA-3、SBA-6、SBA-7、SBA-8、SBA-11、SBA-15、SBA-16等，以及其他的介孔系列等。

少數(shù)研究文獻(xiàn)研究了兩種載體的復(fù)合，比如Y/SBA-15、Y/SAPO-5等，多數(shù)是以介孔-微孔復(fù)合分子篩和微孔-微孔復(fù)合分子篩為主。采用3種不同介孔分子篩的復(fù)合以表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)和特殊催化性能的研究，目前尚未見報(bào)導(dǎo)。

本發(fā)明的催化劑載體是MSU-G、SBA-15和HMS的復(fù)合物或混合物。所述復(fù)合物或混合物中，MSU-G、SBA-15和HMS的重量比為1:(0.8-1.2):(0.4-0.7)，優(yōu)選為1:(1-1.15):(0.5-0.7)。

本發(fā)明采用的MSU-G、SBA-15和HMS介孔分子篩均是催化領(lǐng)域已有的分子篩，其已經(jīng)在催化領(lǐng)域獲得廣泛研究和應(yīng)用。

MSU-G是一種具有泡囊結(jié)構(gòu)狀粒子形態(tài)和層狀骨架結(jié)構(gòu)的介孔分子篩，其具有高度的骨架交聯(lián)和相對(duì)較厚的骨架壁而具有超強(qiáng)的熱穩(wěn)定性和水熱穩(wěn)定性，其骨架孔與垂直于層和平行于層的孔相互交聯(lián)，擴(kuò)散路程因其囊泡殼厚而很短。MSU-G分子篩的囊泡狀粒子形態(tài)方便試劑進(jìn)入層狀骨架的催化中心，其催化活性很高。

SBA-15屬于介孔分子篩的一種，具有二維六方通孔結(jié)構(gòu)，具有P3mm空間群。在XRD衍射圖譜中，主峰在約1°附近，為(10)晶面峰。次強(qiáng)峰依次為(11)峰以及(20)峰。其他峰較弱，不易觀察到。此外，SBA-15骨架上的二氧化硅一般為無定形態(tài)，在廣角XRD衍射中觀察不到明顯衍射峰。SBA-15具有較大的孔徑(最大可達(dá)30nm)，較厚的孔壁(壁厚可達(dá)6.4nm)，因而具有較好的水熱穩(wěn)定性。

六方介孔硅HMS具有長(zhǎng)程有序而短程相對(duì)無序的六方介孔孔道，其孔壁比HCM41S型介孔材料更厚，因而水熱穩(wěn)定性更好，同時(shí)短程相對(duì)無序的組織結(jié)構(gòu)及孔徑調(diào)變范圍更大，使HMS材料具有更高的分子傳輸效率和吸附性能，適宜于作為大分子催化反應(yīng)的活性中心。

本發(fā)明從各個(gè)介孔材料中，進(jìn)行復(fù)合配對(duì)，經(jīng)過廣泛的篩選，篩選出MSU-G、SBA-15和HMS的復(fù)合或混合。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在眾多的復(fù)合物/混合物中，只有MSU-G、SBA-15和HMS三者的復(fù)合或混合，才能實(shí)現(xiàn)加氫精制效果的協(xié)同提升，并能夠使得催化活性長(zhǎng)期不降低，使用壽命能夠大大增加。換言之，只有本發(fā)明的MSU-G、SBA-15和HMS三者的特定復(fù)合或混合，才同時(shí)解決了協(xié)同和使用壽命兩個(gè)技術(shù)問題。其他配合，要么不具備協(xié)同作用，要么使用壽命較短。

所述復(fù)合物，可以采用MSU-G、SBA-15和HMS三者的簡(jiǎn)單混合，也可以采用兩兩復(fù)合后的混合，比如MSU-G/SBA-15復(fù)合物、MSU-G/HMS和SBA-15/HMS復(fù)合物的混合。所述復(fù)合可以采用已知的靜電匹配法、離子交換法、兩步晶化法等進(jìn)行制備。這些介孔分子篩和其復(fù)合物的制備方法是催化劑領(lǐng)域的已知方法，本發(fā)明不再就其進(jìn)行贅述。

本發(fā)明的目的之二在于提供催化劑活性組分的配合，所述配合能夠形成協(xié)同作用，提高催化效果。本發(fā)明中，特別限定活性組分為氮化二鉬MO₂N、氮化鎢W₂N、碳化鉬Mo₂C和碳化鎢WC的混合比例，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，不同的混合比例達(dá)到的效果完全不同。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，氮化二鉬MO₂N、氮化鎢W₂N、碳化鉬Mo₂C和碳化鎢WC的混合比例(摩爾比)為1:(0.4-0.6):(0.28-0.45):(0.8-1.2)，只有控制氮化二鉬MO₂N、氮化鎢W₂N、碳化鉬Mo₂C和碳化鎢WC的摩爾比在該范圍內(nèi)，才能夠?qū)崿F(xiàn)柴油中含硫量控制在10ppm以下且脫氮能力顯著。也就是說，本發(fā)明的四種活性組分只有在摩爾比為1:(0.4-0.6):(0.28-0.45):(0.8-1.2)時(shí)，才具備協(xié)同效應(yīng)。除開該摩爾比范圍之外，或者省略或者替換任意一種組分，都不能實(shí)現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)。

優(yōu)選的，氮化二鉬MO₂N、氮化鎢W₂N、碳化鉬Mo₂C和碳化鎢WC的摩爾比為1:(0.45-0.5):(0.35-0.45):(0.8-1.0)，進(jìn)一步優(yōu)選為1:(0.45-0.48):(0.4-0.45):(0.9-1.0)，最優(yōu)選1:0.48:0.42:0.95。

所述活性組分的總含量為載體重量的1％-15％，優(yōu)選3-12％，進(jìn)一步優(yōu)選5-10％。例如，所述含量可以為2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％、6％、6.5％、7％、7.5％、8％、8.5％、9％、9.5％、10％、10.5％、11％、11.5％、12％、12.5％、13％、13.5％、14％、14.5％等。

所述催化劑的制備方法可以采取常規(guī)的浸漬法以及其他替代方法，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)其掌握的現(xiàn)有技術(shù)自由選擇，本發(fā)明不再贅述。

優(yōu)選的，所述固定床反應(yīng)器的反應(yīng)條件為：反應(yīng)溫度為340-350℃，反應(yīng)壓力6.5-7.5MPa，氫油體積比400-600，體積空速1.5-2.0h^-1。

優(yōu)選的，所述工藝流程包括，柴油與氫氣混合后，經(jīng)可選的換熱器換熱，再經(jīng)加熱爐加熱后進(jìn)入固定床反應(yīng)器進(jìn)行加氫脫硫脫氮，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)氣液分離塔分離?？蛇x的，氣相返回與柴油和氫氣混合，液相可進(jìn)行進(jìn)一步的精制，例如胺洗、汽提和分餾等。

優(yōu)選的，所述固定床反應(yīng)器包括1-5個(gè)催化劑床層，進(jìn)一步優(yōu)選2-3個(gè)催化劑床層。

本發(fā)明的加氫脫硫脫氮工藝通過選取特定的催化劑，所述催化劑通過特定比例的MSU-G、SBA-15和HMS復(fù)合物/混合物作為載體，以及選取特定比例的氮化二鉬MO₂N、氮化鎢W₂N、碳化鉬Mo₂C和碳化鎢WC作為活性成分，使得該催化劑產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，對(duì)柴油的加氫脫硫能控制在總硫含量低于5ppm，同時(shí)對(duì)柴油中的總氮含量控制在10ppm之內(nèi)。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明通過下述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的加氫脫硫脫氮工藝進(jìn)行說明。

實(shí)施例1

通過浸漬法制備得到催化劑，載體為MSU-G、SBA-15和HMS的混合物，混合比例是1:1.1:0.5。所述活性組分氮化二鉬MO₂N、氮化鎢W₂N、碳化鉬Mo₂C和碳化鎢WC的總含量為載體質(zhì)量的10％，其摩爾比為1:0.4:0.3:0.8。

將所述催化劑裝填入固定床反應(yīng)器，所述反應(yīng)器的反應(yīng)管由內(nèi)徑50mm的不銹鋼制成，催化劑床層設(shè)置為3層，催化劑床層溫度用UGU808型溫控表測(cè)量，原材料柴油由北京衛(wèi)星制造廠制造的雙柱塞微量泵連續(xù)輸送，氫氣由高壓氣瓶供給并用北京七星華創(chuàng)D07-11A/ZM氣體質(zhì)量流量計(jì)控制流速，催化劑裝填量為2kg。反應(yīng)后的產(chǎn)物經(jīng)水浴室溫冷卻后進(jìn)行氣液分離。

所用原料為直餾柴油，其總硫含量788μg/g，堿性氮含量為499.8μg/g。

控制反應(yīng)條件為：溫度350℃，反應(yīng)壓力7.0MPa，氫油體積比500，體積空速2h^-1。

測(cè)試最終的產(chǎn)品，總硫含量降低到4ppm，總堿性氮含量降低到8ppm。

實(shí)施例2

通過浸漬法制備得到催化劑，，載體為MSU-G/SBA-15復(fù)合物、MSU-G/HMS和SBA-15/HMS復(fù)合物的混合，其中MSU-G、SBA-15和HMS的比例與實(shí)施例1相同。所述活性組分氮化二鉬MO₂N、氮化鎢W₂N、碳化鉬Mo₂C和碳化鎢WC的總含量為載體質(zhì)量的10％，其摩爾比為1:0.6:0.45):1.2。

其余條件與實(shí)施例1相同。

測(cè)試最終的產(chǎn)品，總硫含量降低到4ppm，總堿性氮含量降低到7ppm。

對(duì)比例1

將實(shí)施例1的載體替換為MSU-G，其余條件不變。

測(cè)試最終的產(chǎn)品，總硫含量降低到34ppm，總堿性氮含量降低到45ppm。

對(duì)比例2

將實(shí)施例1的載體替換為SBA-15，其余條件不變。

測(cè)試最終的產(chǎn)品，總硫含量降低到38ppm，總堿性氮含量降低到48ppm。

對(duì)比例3

將實(shí)施例1的載體替換為HMS，其余條件不變。

測(cè)試最終的產(chǎn)品，總硫含量降低到36ppm，總堿性氮含量降低到41ppm。

對(duì)比例4

將實(shí)施例1中的載體替換為MSU-G/SBA-15復(fù)合物，其余條件不變。

測(cè)試最終的產(chǎn)品，總硫含量降低到29ppm，總堿性氮含量降低到44ppm。

對(duì)比例5

將實(shí)施例1中的載體替換為SBA-15/HMS復(fù)合物，其余條件不變。

測(cè)試最終的產(chǎn)品，總硫含量降低到27ppm，總堿性氮含量降低到39ppm。

對(duì)比例6

將實(shí)施例1中的載體替換為MSU-G/HMS復(fù)合物，其余條件不變。

測(cè)試最終的產(chǎn)品，總硫含量降低到32ppm，總堿性氮含量降低到51ppm。

實(shí)施例1與對(duì)比例1-6表明，本發(fā)明采用的采用特定比例的MSU-G、SBA-15和HMS復(fù)合物/混合物作為載體，當(dāng)替換為單一載體或兩兩復(fù)合載體時(shí)，均達(dá)不到本發(fā)明的技術(shù)效果，因此本發(fā)明的特定比例的MSU-G、SBA-15和HMS復(fù)合物/混合物作為載體與催化劑其他組分之間具備協(xié)同效應(yīng)，所述加氫脫硫脫氮工藝產(chǎn)生了預(yù)料不到的技術(shù)效果。

對(duì)比例7

省略實(shí)施例1中的MO₂N，其余條件不變。

測(cè)試最終的產(chǎn)品，總硫含量降低到40ppm，總堿性氮含量降低到53ppm。

對(duì)比例8

省略實(shí)施例1中的WC，其余條件不變。

測(cè)試最終的產(chǎn)品，總硫含量降低到34ppm，總堿性氮含量降低到38ppm。

上述實(shí)施例及對(duì)比例7-8說明，本發(fā)明的加氫脫硫工藝的催化劑幾種活性組分之間存在特定的聯(lián)系，省略或替換其中一種或幾種，都不能達(dá)到本申請(qǐng)的特定效果，證明其產(chǎn)生了協(xié)同效應(yīng)。

申請(qǐng)人聲明，本發(fā)明通過上述實(shí)施例來說明本發(fā)明的工藝，但本發(fā)明并不局限于上述工藝，即不意味著本發(fā)明必須依賴上述詳細(xì)催化劑才能實(shí)施。所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明了，對(duì)本發(fā)明的任何改進(jìn)，對(duì)本發(fā)明產(chǎn)品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍和公開范圍之內(nèi)。