靈活焦化裝置對(duì)煉油廠規(guī)劃設(shè)計(jì)的影響

袁明江，肖立剛，張曉光

（中國(guó)石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計(jì)分公司，山東 青島266071）

焦化技術(shù)是高金屬含量、高殘?zhí)苛淤|(zhì)渣油輕質(zhì)化的主要工藝之一。焦化技術(shù)主要分延遲焦化、流化焦化和靈活焦化三種形式，其中延遲焦化技術(shù)應(yīng)用最廣泛，占全部焦化處理能力的85%以上。流化焦化技術(shù)則主要在加拿大Alberta地區(qū)用于處理改質(zhì)油砂瀝青生產(chǎn)合成油。靈活焦化是在流化焦化基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，是將傳統(tǒng)的流化焦化與焦炭氣化相結(jié)合，可以大大減少焦炭量并產(chǎn)生低熱值燃?xì)?。這些低熱值燃?xì)饪梢源鏌捰蛷S干氣或者天然氣作為煉油廠燃料，因此靈活焦化裝置具有工藝裝置和公用工程設(shè)施的雙重作用。

1976年9月世界上第一套靈活焦化裝置在日本川崎煉油廠建成，至今已有30多年的工業(yè)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，然而靈活焦化技術(shù)并未被全球煉油企業(yè)廣泛采用，目前世界上已經(jīng)投產(chǎn)和在建的裝置僅有7套。靈活焦化裝置在最近幾十年沒(méi)有得到大力發(fā)展，既與相對(duì)較低的原油和煉油廠燃料價(jià)格有關(guān)，也與靈活焦化產(chǎn)生的低熱值燃?xì)馕茨苷业浇?jīng)濟(jì)、高效利用的辦法有關(guān)。當(dāng)前，針對(duì)高硫石油焦難以有效利用以及日益攀升的煉油廠燃料價(jià)格，靈活焦化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)又顯現(xiàn)出來(lái)，再次成為煉油廠總流程比選中有競(jìng)爭(zhēng)力的渣油轉(zhuǎn)化技術(shù)之一。

本課題以新建13Mt/a煉油工程為例，對(duì)采用延遲焦化＋POX氣化制氫總流程（方案一）和靈活焦化總流程（方案二）進(jìn)行對(duì)比，說(shuō)明靈活焦化技術(shù)對(duì)煉油廠規(guī)劃設(shè)計(jì)的影響。

1 某新建13Mt/a煉油工程概述

某新建13Mt/a煉油工程加工的原料為中東中質(zhì)高硫原油，其硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.7%；目標(biāo)產(chǎn)品為滿足歐Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的汽油、柴油產(chǎn)品及芳烴化學(xué)品。

該項(xiàng)目以重油加氫路線為主，總加工流程方案有兩個(gè)：方案一，渣油加氫＋延遲焦化＋加氫裂化＋催化裂化＋POX制氫；方案二：渣油加氫＋靈活焦化＋加氫裂化＋催化裂化。采用方案二無(wú)需建設(shè)POX制氫裝置，通過(guò)外購(gòu)氫氣來(lái)滿足全廠氫氣平衡。根據(jù)全廠總流程優(yōu)化結(jié)果，焦化裝置的進(jìn)料規(guī)模為1.50Mt/a，包括1.45Mt/a的減壓渣油和0.05Mt/a的催化裂化油漿，此混合進(jìn)料的預(yù)估性質(zhì)為：硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)8.5%，氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)4 700μg/g，（Ni＋V）質(zhì)量分?jǐn)?shù)193μg/g，殘?zhí)?2.6%。

兩個(gè)方案相應(yīng)的公用工程配置為：方案一以延遲焦化產(chǎn)生的石油焦為原料通過(guò)POX氣化制氫，主要以獲得氫氣為主，同時(shí)獲得部分煉油所需蒸汽，全廠燃料由煉油廠干氣提供，不足部分外購(gòu)天然氣補(bǔ)充；方案二中，由于靈活焦化技術(shù)將石油焦轉(zhuǎn)化為低熱值燃?xì)?，可以?jié)省部分煉油廠干氣，如有不足則外購(gòu)天然氣補(bǔ)充。

2 靈活焦化技術(shù)的特點(diǎn)

靈活焦化技術(shù)在流化焦化技術(shù)的基礎(chǔ)上增加了石油焦氣化爐，在800～900℃高溫下石油焦與空氣、蒸汽反應(yīng)生成含氫氣、一氧化碳、二氧化碳、氮?dú)?、水、硫化氫的燃?xì)?。該工藝具有反?yīng)溫度高、液體收率高、焦炭收率低的優(yōu)點(diǎn)，可使99%的減壓渣油轉(zhuǎn)化為氣體和液體產(chǎn)品，約1%的焦炭產(chǎn)品中包含了原料中約4%的硫和99%的金屬［1］，經(jīng)過(guò)處理可回收焦炭中的金屬。靈活焦化技術(shù)有以下特點(diǎn)：

（1）原料適應(yīng)性強(qiáng)。靈活焦化裝置可以加工API重度0～20、康氏殘?zhí)?%～40%的物料，包括常減壓渣油、油砂瀝青、脫瀝青油和各種轉(zhuǎn)化過(guò)程的渣油。由于沒(méi)有加熱爐，進(jìn)料范圍比延遲焦化更寬。

（2）可靠性高，在線率高。靈活焦化裝置的平均開(kāi)工系數(shù)在90%以上，有的達(dá)到95%以上［2］，平均運(yùn)轉(zhuǎn)周期為30個(gè)月，最長(zhǎng)的運(yùn)轉(zhuǎn)周期達(dá)到39個(gè)月。由于不需要進(jìn)行日常除焦，減少了裝置定員和工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

（3）環(huán)境友好。靈活焦化是完全密閉、連續(xù)自動(dòng)化操作，裝置區(qū)跟其它普通煉油工藝裝置一樣，而延遲焦化卸焦和儲(chǔ)焦都是露天操作，難免有揮發(fā)性油氣泄漏到環(huán)境中，對(duì)操作人員的健康產(chǎn)生威脅。另外，靈活焦化裝置產(chǎn)生的瓦斯氣體通過(guò)ExxonMobil公司的專利脫硫技術(shù)能夠?qū)⒖偭蛸|(zhì)量分?jǐn)?shù)降至10μg/g以下，更多的硫得到回收，特別是處于環(huán)境敏感地區(qū)的煉化企業(yè)，采用靈活焦化技術(shù)可以有效減少污染物排放。

（4）低熱值燃?xì)饫?。靈活焦化裝置產(chǎn)生的燃?xì)獾臒嶂导敖M成與典型煉油廠燃料氣有較大差別，兩者的對(duì)比見(jiàn)表1。從表1可以看出，靈活焦化燃?xì)庵械獨(dú)狻⒍趸己窟^(guò)高，體積分?jǐn)?shù)分別達(dá)到45.55%、10.43%，甲烷含量過(guò)低，體積分?jǐn)?shù)僅有0.82%左右，這是造成其熱值低的主要原因。另外，由于靈活焦化燃?xì)庵袣錃馀c一氧化碳體積分?jǐn)?shù)只有40%左右，使經(jīng)濟(jì)地回收氫氣或合成氣具有一定的困難，對(duì)于一般的煉油廠，無(wú)法利用這種氣體。從目前全球范圍內(nèi)在運(yùn)行的靈活焦化裝置可知，靈活焦化燃?xì)庾鳠捰蛷S燃料在技術(shù)上是完全可行的，一般將靈活焦化燃?xì)馀c常規(guī)燃?xì)獍礋嶂?5∶15（對(duì)應(yīng)體積比34∶1）的比例進(jìn)行混合燃燒。混合常規(guī)燃?xì)馐欠浅１匾?，因?yàn)殪`活焦化燃?xì)馊紵龝r(shí)可能出現(xiàn)熄火情況，常規(guī)燃?xì)饪杀ＷC燃燒器正常運(yùn)行?；旌铣Ｒ?guī)燃?xì)膺€可以節(jié)省一定的爐膛體積，保證燃料溫度。

表1 靈活焦化燃?xì)馀c煉油廠燃料氣的熱值及組成對(duì)比

（5）焦粉的利用。靈活焦化裝置需排出占焦炭質(zhì)量3%的焦粉，這些焦粉的顆粒直徑通常在10～20μm，水洗過(guò)程回收的焦粉顆粒更小，直徑在5μm左右。這些焦粉可用在水泥廠燃煤鍋爐上，由于這些焦粉金屬含量很高，也可以送至冶金工廠回收其中的重金屬（釩和鎳）。

3 靈活焦化對(duì)總流程的影響

靈活焦化與延遲焦化工藝的產(chǎn)物分布對(duì)比見(jiàn)表2。從表2可以看出，靈活焦化的液體產(chǎn)品收率略高于延遲焦化，而干氣及液化氣產(chǎn)率之和略低于延遲焦化，主要差別在于柴油收率降低而蠟油收率增加，這與物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間有關(guān)?？梢酝ㄟ^(guò)適當(dāng)增加靈活焦化中物料的停留時(shí)間來(lái)增加柴油產(chǎn)品收率。

表2 靈活焦化與延遲焦化產(chǎn)物分布對(duì)比 w，%

采用靈活焦化技術(shù)時(shí)，相當(dāng)于用靈活焦化裝置代替了方案一中延遲焦化＋POX制氫組合工藝，方案一和方案二的全廠物料平衡對(duì)比見(jiàn)表3。從表3可以看出，方案二的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與方案一有所不同，主要表現(xiàn)在汽油產(chǎn)品量增加、柴油產(chǎn)品量減少。以本項(xiàng)目為例，若采用方案二，由于柴油收率降低，柴油加氫裝置處理量由4.30Mt/a降至4.10Mt/a；由于蠟油收率增加，加氫裂化裝置處理量由2.50Mt/a增至2.60Mt/a，渣油加氫脫硫裝置處理量由3.80Mt/a增至3.90Mt/a。另外，由于方案二中靈活焦化裝置的進(jìn)料適應(yīng)性更強(qiáng)，減壓蒸餾部分可以進(jìn)一步深拔。

表3 靈活焦化方案與延遲焦化方案的全廠物料平衡對(duì)比

4 靈活焦化對(duì)公用工程的影響

采用靈活焦化技術(shù)時(shí)，需要考慮配套低熱值燃?xì)饫孟到y(tǒng)（包括工藝加熱爐或鍋爐）的特殊要求。新建煉油廠的加熱爐在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到利用靈活焦化燃?xì)饪梢约皶r(shí)做出相應(yīng)修改，而老廠改造現(xiàn)有加熱爐比較麻煩，技術(shù)上需要專利商提供關(guān)于低熱值燃?xì)膺m用的加熱爐設(shè)計(jì)工藝包，設(shè)計(jì)單位據(jù)此完成設(shè)計(jì)。

以本項(xiàng)目為例，采用方案二時(shí)，根據(jù)全廠總流程及氫氣平衡優(yōu)化結(jié)果，需外購(gòu)氫氣118.5kt/a，數(shù)量較大。此時(shí)煉油廠只產(chǎn)14.9kt/a石油焦，煉油廠制氫原料只能使用輕烴或石腦油。而方案一中利用自產(chǎn)石油焦經(jīng)過(guò)POX制氫能夠提供的氫氣量為73.7kt/a，全廠只需外購(gòu)41.5kt/a氫氣，能節(jié)省氫氣成本11億元/a左右。

以本項(xiàng)目?jī)?yōu)化建設(shè)1.50Mt/a延遲焦化裝置為例，若改成靈活焦化工藝，由表2中低熱值燃?xì)獾氖章?6.96%計(jì)算可知，該靈活焦化裝置可以產(chǎn)生燃料氣404.4kt/a，折算為標(biāo)準(zhǔn)燃料氣246.7kt/a。這些靈活焦化燃?xì)庾鳛闊捰蛷S燃料，全廠燃料平衡后有富余燃?xì)?4.7kt/a，節(jié)省下來(lái)的煉油廠干氣可以用來(lái)制氫。而方案一需要外購(gòu)天然氣192.7kt/a，費(fèi)用為6～7億元/a。

靈活焦化裝置首次開(kāi)工時(shí)需使用一定數(shù)量的焦炭，在開(kāi)工時(shí)需噴燃料油。如果靈活焦化裝置在運(yùn)行中出現(xiàn)問(wèn)題或停工，則可能給全廠公用工程燃料平衡帶來(lái)嚴(yán)重影響，因此需要儲(chǔ)備燃料供開(kāi)工和發(fā)生事故時(shí)使用。

靈活焦化裝置所產(chǎn)的低熱值燃?xì)庠趶U熱鍋爐中燃燒時(shí)，如再配15%的煉油廠燃料氣同時(shí)使用，燃燒效果會(huì)更好一些。低熱值燃?xì)庠谘b置加熱爐中（包括重整加熱爐和加氫加熱爐）也是能燃燒的。由于低熱值燃?xì)庵械獨(dú)夂枯^高，因此煙氣量較大，煙氣帶走的熱量較多，在相同的排煙溫度下，加熱爐的效率會(huì)低一些。但是由于脫硫后的低熱值氣體硫含量較低，可以通過(guò)降低排煙溫度來(lái)保證加熱爐的熱效率，空氣預(yù)熱器的體積會(huì)有所增大，投資會(huì)略有增加。

5 工程建設(shè)和操作運(yùn)行費(fèi)用分析

靈活焦化（包括氣化部分）的整個(gè)系統(tǒng)操作條件緩和，所用設(shè)備均為普通碳鋼材質(zhì)，沒(méi)有特殊專利設(shè)備，其投資費(fèi)用大致相當(dāng)于延遲焦化的1.3倍（包括反應(yīng)、分餾、氣化、吸收穩(wěn)定、燃?xì)鈨艋?、粉料倉(cāng)等設(shè)備，但不包括低熱值燃?xì)饫盟鶐?lái)的投資增加部分）。如果一套1.50Mt/a延遲焦化裝置的投資按6億元計(jì)算，那么靈活焦化裝置的投資就為7～8億元。低熱值燃?xì)廨斔凸芫€、加熱爐等投資費(fèi)用需要和專利商進(jìn)行技術(shù)與商務(wù)談判，國(guó)內(nèi)目前尚沒(méi)有這方面的工程設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)。

當(dāng)工藝加熱爐或鍋爐使用靈活焦化生產(chǎn)的低熱值燃?xì)鈺r(shí)，與使用高熱值燃?xì)庀啾?，雖可節(jié)約燃料成本，但加熱爐的投資約增加20%，蒸汽鍋爐即使是按高效率設(shè)計(jì)，設(shè)備投資仍比常規(guī)鍋爐高10%～15%。國(guó)內(nèi)鍋爐廠有該種鍋爐的設(shè)計(jì)和制造經(jīng)驗(yàn)。以某新建13Mt/a煉油工程項(xiàng)目為例，采用靈活焦化方案每年可節(jié)省燃料成本6～7億元；而在氫氣成本上比延遲焦化＋POX制氫組合方案每年多花11億元。

靈活焦化工藝在裝置工程建設(shè)和配套燃?xì)饫梅矫娴耐顿Y比傳統(tǒng)延遲焦化高，但總投資仍低于延遲焦化＋POX制氫組合方案的總費(fèi)用。

6 結(jié)束語(yǔ)

在煉油廠規(guī)劃設(shè)計(jì)以及總流程比選過(guò)程中，是否推薦靈活焦化方案需要考慮的因素很多，包括煉油廠外部購(gòu)買燃料及氫氣的來(lái)源及價(jià)格，所產(chǎn)石油焦的性質(zhì)及市場(chǎng)情況，是否有石化園區(qū)提供公用工程依托等，這些因素都對(duì)全廠經(jīng)濟(jì)效益以及投資回收周期有較大影響。在總流程優(yōu)化及方案比選中，以靈活焦化代替延遲焦化的投資估算和技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)還需要進(jìn)一步開(kāi)展有關(guān)工作。

靈活焦化工藝適合解決煉油廠燃料不足以及燃料成本過(guò)高的問(wèn)題，但由于國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有運(yùn)行裝置，因此煉油廠對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用普遍持謹(jǐn)慎態(tài)度。

［1］康建新，申海平.流態(tài)化焦化的發(fā)展概況［J］.炭素技術(shù)，2006，25（3）：28－33

［2］Hammond D G，Lampert L F，Mart C J，et al.Review of fluid bed coking and flexicoking technologys［C］.AIChE 2003 Spring National Meeting.New Orleans，2003：1－11