劉名瑞,李遵照,王海波,薛 倩
(1. 中國石化大連石油化工研究院,遼寧大連 116045;2. 中國石化燃料油銷售有限公司遼寧分公司,遼寧大連 116011)
船用燃料油一般由重油和輕質(zhì)餾分油調(diào)和而成,是大馬力、中低速船板柴油機(jī)最經(jīng)濟(jì)理想的燃料,主要規(guī)格有120#船用燃料油、180#船用燃料油、380#燃料油等[1]。此外,目前國內(nèi)廣泛使用的DMC、4#燃料油等船舶燃料油,其品質(zhì)介于柴油與180#船用燃料油之間,是中等馬力中速船舶柴油機(jī)的優(yōu)質(zhì)燃料,也可用于大馬力、中低速船舶柴油機(jī)[2]。常用的重質(zhì)船用燃料油是用于大型中低速船用柴油機(jī)的燃料,也稱為殘?jiān)腿剂嫌?,通常是直餾渣油、減壓渣油或和一定比例的輕組分混合而成[3-4]。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示,2016年全球船用燃料油需求量已達(dá)2億噸左右,國內(nèi)船用燃料油市場需求約1 700萬噸,中國船用燃料油消費(fèi)量近年呈增長趨勢,如圖1所示。但長期以來,國內(nèi)煉廠船用燃料油產(chǎn)量低,與市場需求差距較大,船供油企業(yè)不得不依賴進(jìn)口,嚴(yán)重影響我國航運(yùn)事業(yè)的發(fā)展[2,5]。因此,若能利用調(diào)和技術(shù)將一些工業(yè)廢油調(diào)和成船用燃料油,不僅能為石化企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益,還能有效降低環(huán)境污染,是一種提高石油能源利用率的有效方法[6]。
圖1 近幾年中國船用燃料油消費(fèi)量
常用的油品調(diào)和工藝可分為2種方式:油罐批量調(diào)和和管道連續(xù)調(diào)和。目前,國內(nèi)殘?jiān)萌剂嫌蜕a(chǎn)以間歇式罐式批量調(diào)和為主,單次定量生產(chǎn),把待調(diào)和的組分油按所規(guī)定的調(diào)和比例,分別送入調(diào)和罐內(nèi),再用泵循環(huán)、電動攪拌等方法將他們均勻混合成一種產(chǎn)品。優(yōu)點(diǎn)是操作簡單、不受組分油質(zhì)量波動影響;缺點(diǎn)是組分罐多、調(diào)和周期長、易氧化、比例不精確,油品穩(wěn)定性有待提高。英國JISKOOT公司報(bào)道了船用燃料油管道連續(xù)調(diào)和工藝及設(shè)備[7]。該工藝采用噴射混合器,對于組分油黏度差異大的油品難以取得較好的混合效果。目前,殘?jiān)腿剂嫌瓦B續(xù)調(diào)和工藝應(yīng)用國內(nèi)還未見報(bào)道。
國內(nèi)重質(zhì)船用燃料油的間歇式生產(chǎn)工藝難以對國內(nèi)外組分油和調(diào)和油市場價(jià)格波動做出快速反應(yīng)。同時(shí),隨著2016年7月1日開始實(shí)施的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)GB 17411-2015結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)公約和法律法規(guī)針對船用燃料油的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行了規(guī)范,以及受到的價(jià)格、財(cái)稅政策和深加工等因素影響,國內(nèi)低硫組分油供應(yīng)短缺,含硫量低于0.5%(w)的低硫重質(zhì)船用燃料油生產(chǎn)幾乎處于空白。如何利用現(xiàn)有資源形成快速的連續(xù)生產(chǎn)鏈,保障低硫重質(zhì)船用燃料油的生產(chǎn)是一個亟需解決的問題。
油品調(diào)和技術(shù)是分子擴(kuò)散作用、湍流擴(kuò)散作用和主體對流擴(kuò)散作用3種擴(kuò)散過程的綜合[8]。但由于輕質(zhì)油品、重質(zhì)油品的黏度差別很大,在實(shí)際調(diào)和時(shí)哪種擴(kuò)散過程起主導(dǎo)作用是不盡相同的。如對高黏度的重質(zhì)渣油和重質(zhì)油漿的調(diào)和,在機(jī)械能傳遞給物料時(shí),主要可能不是形成渦流擴(kuò)散,而是在剪切作用下把被調(diào)和的物料撕拉成很薄的薄層,再通過分子擴(kuò)散達(dá)到均勻混合。對于低黏度的輕質(zhì)油調(diào)和,蝸旋擴(kuò)散將起重要作用,但最終還是要由分子擴(kuò)散達(dá)到完全均勻的混合。
在重質(zhì)船用燃料油的調(diào)和中,由于各組分油黏度較高,在機(jī)械能傳遞給物料時(shí),主要不是形成渦流擴(kuò)散,而是在剪切作用下把被調(diào)和的物料撕拉成很薄的薄層,再通過分子擴(kuò)散達(dá)到均勻混合[9]。
完整的管道連續(xù)調(diào)和技術(shù)包括油品調(diào)和模型、油品優(yōu)化調(diào)和技術(shù)和在線分析系統(tǒng)三部分[10]。
調(diào)和模型在調(diào)和優(yōu)化過程中起著重要的作用,因?yàn)橥ㄟ^各項(xiàng)指標(biāo)的預(yù)測,可以確定調(diào)和配方并以其為指導(dǎo),調(diào)和生產(chǎn)過程優(yōu)化、產(chǎn)品質(zhì)量實(shí)時(shí)控制等先進(jìn)技術(shù)的實(shí)施更需要以其為基礎(chǔ)。但是船用燃料油由于組分油性質(zhì)普遍較差,黏度差大,因此在性質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型的選取與計(jì)算上和原油混合模型有所不同。
近年來神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)和粒子群算法等在調(diào)和模型建模方面已取得有效成果[11-13],這也成為未來發(fā)展的方向。
1)調(diào)和方案優(yōu)化。生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)根據(jù)組分油庫存量、市場情況、成品運(yùn)輸規(guī)劃、油品性質(zhì)、生產(chǎn)限制和產(chǎn)品指標(biāo)限等諸多因素建立調(diào)和方案,利用調(diào)和模型計(jì)算最優(yōu)效益,安排油品調(diào)和計(jì)劃、生產(chǎn)調(diào)度周期等,實(shí)現(xiàn)在產(chǎn)品性質(zhì)達(dá)標(biāo)前提下合理使用組分油資源,使總利潤最大。
2)調(diào)和過程優(yōu)化控制。高效的混合效率既可以提高產(chǎn)品的產(chǎn)率,又可以保證油品的質(zhì)量,提高生產(chǎn)企業(yè)的效益。通過調(diào)和方案優(yōu)化得到生產(chǎn)方案后,采用優(yōu)化的混合技術(shù)實(shí)施調(diào)和生產(chǎn)。目前,重質(zhì)船用燃料油的生產(chǎn)方式為罐式間歇式攪拌混合,生產(chǎn)效率低。未來采用連續(xù)式高效混合系統(tǒng)增加生產(chǎn)量以及提高產(chǎn)品穩(wěn)定性是一種更有前景的趨勢。
在線質(zhì)量分析是調(diào)和工藝的關(guān)鍵技術(shù)之一,實(shí)時(shí)測定各調(diào)和組分與調(diào)和油品的性質(zhì)是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。在原油調(diào)和技術(shù)中通常采用在線近紅外分析系統(tǒng)[14-15]。但由于重質(zhì)殘?jiān)腿剂嫌偷牟糠纸M分油黏度大,殘?jiān)?,這種在線檢測方式往往不能應(yīng)用。目前在船用燃料油連續(xù)調(diào)和技術(shù)中常用的在線檢測有流量、溫度、壓力、密度等。因此,開發(fā)應(yīng)用于重質(zhì)船用燃料油的在線檢測裝置很有前景。
世界原油價(jià)格波動劇烈,導(dǎo)致煉廠中船用燃料油的殘?jiān)徒M分油價(jià)格和產(chǎn)量隨之波動,與此同時(shí),國內(nèi)外的強(qiáng)制限硫政策的實(shí)施,使得原油生產(chǎn)工藝需要進(jìn)行變更,能否迅速做出生產(chǎn)方案調(diào)整以及生產(chǎn)工藝的升級以應(yīng)對多變的局勢,是未來技術(shù)發(fā)展的重要研究方向。
船用燃料油主要以原油加工過程中的常壓渣油、減壓渣油、裂化渣油、裂化柴油和催化柴油等為原料調(diào)和而成,而目前國內(nèi)多數(shù)是以油漿、頁巖油作為基礎(chǔ)原料,在船用燃料油中摻入大量溶劑油、煤焦油、輪胎油、乙烯焦油等組分[16],船用燃料油市場“合標(biāo)不合規(guī)”。另外,我國的遠(yuǎn)洋運(yùn)輸幾乎全部使用進(jìn)口燃料油,且其硫含量較高,基本在2.5%~3.5%;內(nèi)貿(mào)市場上120cst、180cst、380cst這些主流船用燃料油產(chǎn)品都由混調(diào)生產(chǎn)[16-17]。隨著全球環(huán)境問題的加劇,針對船用燃料油的環(huán)保要求越來越嚴(yán)格。國內(nèi)調(diào)和的船用燃料油硫含量在0.5%~2.0%,個別產(chǎn)品硫含量高達(dá)3.0%。2018年國際海事組織制定了嚴(yán)格的船用燃料油硫含量標(biāo)準(zhǔn),2020年1月1日以后,當(dāng)船舶在海上一般區(qū)域航行時(shí),其船用燃料油硫含量不應(yīng)超過0.5%;在排放控制區(qū)域航行時(shí),船用燃料油的硫含量不應(yīng)超過0.1%。這一規(guī)則的制定,加快了我國船用燃料油調(diào)和組分的轉(zhuǎn)型,低硫組分的需求加大。目前研究表明,可通過加氫催化脫硫、氧化脫硫、生物脫硫和吸附脫硫等技術(shù)實(shí)現(xiàn)低硫組分的生產(chǎn)[18]。
目前,國內(nèi)船用燃料油生產(chǎn)企業(yè)采用的混合方式為儲罐內(nèi)攪拌調(diào)和。幾種組分油經(jīng)管道輸送至船用燃料油儲罐,在儲罐側(cè)壁的底部安裝2~3個螺旋槳,使螺旋槳相向旋轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)攪拌混合,一般攪拌時(shí)間為45~60 min。這種混合方式的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單,成本低;缺點(diǎn)是混合時(shí)間長,且混合均勻程度不好掌握。隨著對船用燃料油穩(wěn)定性的要求越來越多,采用強(qiáng)化混合方式成為一種發(fā)展趨勢。一種方法是在原有的混合儲罐外增加一組回流裝置,增加混合時(shí)間,該方法投入少,對廠區(qū)的改動不大;另一種方法是改變混合方式,采用管道混合器進(jìn)行預(yù)混合,再經(jīng)過高效剪切混合裝置進(jìn)行強(qiáng)化混合。后者可作為實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)的一部分,是未來發(fā)展自動化連續(xù)生產(chǎn)船用燃料油技術(shù)的基礎(chǔ)。
圖2 FRIPP開發(fā)的重質(zhì)船用燃料油調(diào)和裝置流程示意[22]
在船用燃料油生產(chǎn)工藝中,調(diào)和方案的確立是重要的環(huán)節(jié)之一,它直接影響調(diào)和產(chǎn)品是否合格?,F(xiàn)有的生產(chǎn)工藝是根據(jù)購入的組分油,人工計(jì)算調(diào)和配比方案,然后通過手動調(diào)節(jié)組分油泵的輸出功率,實(shí)現(xiàn)船用燃料油的調(diào)和生產(chǎn)。為能夠快速應(yīng)對組分油改變、價(jià)格波動、市場需求量變化等情況,自動化的連續(xù)調(diào)和生產(chǎn)工藝的研究將十分必要。撫順石油化工研究院(FRIPP)開發(fā)的小型連續(xù)調(diào)和裝置及“重質(zhì)船用燃料油優(yōu)化調(diào)和系統(tǒng)”[19-20],主要采用的管道混合器以及高效剪切混合單元,利用自動化儀表控制各個被調(diào)和組分流量,并將各組分油與添加劑等按預(yù)定比例送入總管和管道混合器,使各組分油在其中混流均勻,裝置示意見圖2。該技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了船用燃料油的連續(xù)化生產(chǎn),還提高了油品的混合穩(wěn)定性,為將來的放大試生產(chǎn)提供了技術(shù)支持。
船用燃料油調(diào)和組分的性質(zhì)差異大,這就要求能夠匹配的檢測設(shè)備使用范圍要廣,才能保證檢測數(shù)據(jù)的可靠性,這對檢測設(shè)備的性能具有很大挑戰(zhàn)。因此,目前用于船用燃料油的在線檢測設(shè)備還十分有限。開發(fā)適合船用燃料油在線性質(zhì)監(jiān)測的檢測設(shè)備是未來的一個發(fā)展方向。
船用燃料油連續(xù)調(diào)和技術(shù)在未來將更加規(guī)?;?、專業(yè)化、互聯(lián)化。船用燃料油的規(guī)?;侵竿晟粕a(chǎn)工藝技術(shù)不斷和擴(kuò)大生產(chǎn)條件,形成適應(yīng)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)條件下的技術(shù)水平,保證油品調(diào)和形成最優(yōu)方案并指導(dǎo)實(shí)施設(shè)備的有效運(yùn)行,取得最佳經(jīng)濟(jì)效益[21]。連續(xù)調(diào)和技術(shù)不會受到生產(chǎn)企業(yè)儲罐容量的限制,可隨調(diào)隨走,保證供給。專業(yè)化可以更加快速地應(yīng)對船用燃料油質(zhì)量升級的要求,通過油品調(diào)和模型迅速形成調(diào)和方案。船用燃料油在未來的幾年內(nèi)將向更加低硫化發(fā)展,而組分油的性質(zhì)、種類、地域性等條件對生產(chǎn)方案將產(chǎn)生很大的變化,船用燃料油連續(xù)調(diào)和技術(shù)通過利用數(shù)據(jù)庫做出調(diào)和方案的調(diào)整,對生產(chǎn)企業(yè)來講,既節(jié)省了調(diào)試時(shí)間又提高了企業(yè)生產(chǎn)能力。而互聯(lián)化是在管理層面上,依托數(shù)據(jù)庫、互聯(lián)網(wǎng)形成全局的優(yōu)化管理,將企業(yè)的數(shù)據(jù)共享,形成有效的資源分配,使企業(yè)內(nèi)部在油品儲備、市場需求、生產(chǎn)能力、方案實(shí)施等方面形成全局的優(yōu)化管理,提高企業(yè)的管理水平、生產(chǎn)效率、市場分析等能力。
船用燃料油連續(xù)調(diào)和技術(shù)打破了現(xiàn)有罐式間歇調(diào)和技術(shù)的孤立性和單一性,全面提升了生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)效率和管理水平,是一種先進(jìn)的技術(shù)發(fā)展趨勢。
船用燃料油相較于汽、柴油等燃料油,其組分差異性大、調(diào)和油品黏度大,對于連續(xù)調(diào)和工藝具有更嚴(yán)格的要求。因此,在實(shí)現(xiàn)船用燃料油連續(xù)調(diào)和技術(shù)工業(yè)化的道路上,仍存在以下問題:
1)方案計(jì)算及指標(biāo)預(yù)測的可靠性。船用燃料油的組分油性質(zhì)差異性大,在黏度等非線性指標(biāo)的預(yù)測準(zhǔn)確性上仍存在很大優(yōu)化空間,若能有效提高生產(chǎn)方案的計(jì)算及產(chǎn)品指標(biāo)的預(yù)測可靠性,將對船用燃料油連續(xù)調(diào)和技術(shù)起到?jīng)Q定性的指導(dǎo)作用。
2)重質(zhì)油的計(jì)量準(zhǔn)確性。在連續(xù)生產(chǎn)過程中,能否確保產(chǎn)品性質(zhì)指標(biāo)合格,一方面取決于調(diào)和方案的可靠性,另一方面由泵、流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度來決定。重質(zhì)組分油的黏度較大,其流量的控制對設(shè)備要求較大,泵、流量計(jì)等設(shè)備能否滿足生產(chǎn)需求,是連續(xù)生產(chǎn)技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。
3)組分油混合效率及效果。船用燃料油最主要的工藝是將輕、重組分油進(jìn)行充分的混合,混合效率的提高,可以加強(qiáng)油品混合程度。高效混合的油品不僅從油品質(zhì)量上更加優(yōu)良,還能延長存儲周期,因此如何將黏度差異大的組分油充分混合是船用燃料油連續(xù)調(diào)和工藝技術(shù)中的創(chuàng)新點(diǎn)。
4)油品質(zhì)量的連續(xù)監(jiān)測。目前間歇罐式調(diào)和的產(chǎn)品采用取樣后送實(shí)驗(yàn)室分析的方式檢驗(yàn)質(zhì)量是否合格,耗時(shí)長,檢測人員數(shù)量多,延長了產(chǎn)品的銷售時(shí)間。若采用連續(xù)調(diào)和方式進(jìn)行生產(chǎn),從方案計(jì)算到運(yùn)行都將質(zhì)量控制放到首位,產(chǎn)品采出前進(jìn)行黏度、密度等重要指標(biāo)的連續(xù)監(jiān)測,可大大提高生產(chǎn)效率,提高市場運(yùn)營效率。
隨著國際海運(yùn)市場的不斷發(fā)展,船用燃料油的市場需求將不斷擴(kuò)大。以目前罐式間歇性調(diào)和的生產(chǎn)模式來看,人工操作誤差大、生產(chǎn)周期長、方案試驗(yàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力,若能從方案計(jì)算、指標(biāo)預(yù)測、生產(chǎn)控制、高效調(diào)和運(yùn)行等方面實(shí)現(xiàn)船用燃料油的連續(xù)調(diào)和生產(chǎn),將大大降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率、提升油品質(zhì)量,是未來面向市場的優(yōu)良生產(chǎn)模式,也是未來高效智能化生產(chǎn)的新發(fā)展趨勢。