乙烯裂解焦油延遲焦化摻煉加工試驗與加工效益評估

陳遠慶 龔朝兵 王澤愛 丁書文

(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

惠州某乙烯廠乙烯工程項目二期(簡稱C2)和乙烯工程項目一期(簡稱C1)乙烯裝置分別副產(chǎn)乙烯焦油(又稱乙烯裂解重油)約100 kt/a，作為燃料時鍋爐廢氣排放超標，特別是SOx排放超標，需研究乙烯焦油在煉油裝置上加工的可行性。調(diào)研文獻資料得知，乙烯焦油的碳質(zhì)量分數(shù)高，是制取碳質(zhì)材料，如碳質(zhì)吸附劑、碳黑等的優(yōu)質(zhì)原料；乙烯焦油中萘質(zhì)量分數(shù)較高，可用于提取萘及萘系物。乙烯焦油因熱值較低，國內(nèi)主要用作燃料油調(diào)和組分。文章探討了乙烯裂解焦油作延遲焦化裝置油漿加熱爐原料的可行性。

1 乙烯裂解焦油及催化油漿基本性質(zhì)

乙烯焦油與催化油漿、焦化進料的性質(zhì)見表1所示。

從表1可知：與二期催化油漿相比C2乙烯焦油的黏度、灰分和金屬質(zhì)量分數(shù)低，硫和氮質(zhì)量分數(shù)低，芳烴質(zhì)量分數(shù)低，但膠質(zhì)和瀝青質(zhì)質(zhì)量分數(shù)高，餾程范圍寬。

與減渣為主的焦化裝置進料相比，C2乙烯焦油的黏度、酸值、傾點和金屬質(zhì)量分數(shù)低，硫和氮質(zhì)量分數(shù)低，飽和烴質(zhì)量分數(shù)低，但芳烴質(zhì)量分數(shù)高，餾程中柴油餾分質(zhì)量分數(shù)高。

表1 乙烯焦油與催化油漿、焦化進料的性質(zhì)

續(xù)表1

2 乙烯裂解焦油與油漿摻混加工試驗

2.1 乙烯裂解焦油與二期催化油漿的相容性試驗

乙烯裂解焦油與二期催化油漿1∶4的配比料在90 ℃下攪拌2 h，然后移入分液漏斗中置于烘箱中，在100 ℃下恒溫30 h后分成上、下兩層，測量其密度和黏度，分析數(shù)據(jù)見表2。其互溶物在100 ℃下恒溫30 h后其上、下層油樣的黏度和密度差異很小，說明C2乙烯裂解焦油與二期催化油漿有較好的相容性。

表2 C2焦油與二期油漿及C2焦油與焦化進料的相容性試驗

2.2 乙烯裂解重油與催化油漿的摻混加工試驗

在總進料為3 kg/h、重油加熱爐出口溫度為500 ℃、焦炭塔塔頂表壓為210 kPa的條件下，C2乙烯焦油和二期催化油漿以35∶65的摻混料以及純二期催化油漿作為延遲焦化中試裝置的進料，進行中試試驗。試驗結果見表3。表3數(shù)據(jù)顯示：C2乙烯焦油和二期催化油漿35∶65的混合料與二期催化油漿單獨作焦化料相比，其焦炭產(chǎn)率降低10.16個百分點，焦化蠟油產(chǎn)率降低5.95個百分點，焦化柴油產(chǎn)率增加16.24個百分點。焦化氣體與焦化汽油(-150 ℃)產(chǎn)率大致相同，但注汽量不同，二期催化油漿作原料時注汽量為1.68%，乙烯焦油時催化油漿的混合料(35∶65)作原料時注汽量為3%。

表3 乙烯裂解焦油與催化油漿的延遲焦化反應結果

2.3 摻煉乙烯焦油時的加熱爐爐管結焦性試驗

為進一步確認C2乙烯焦油比二期催化油漿更易結焦堵管的結論，進行了以乙烯焦油為原料的加熱爐爐管結焦性試驗(試驗編號B1、B2、B3和B4)。在進料量3 kg/h、注汽量3%和加熱爐管出口設定溫度500 ℃(試驗編號B1)的條件下，加熱爐管380 ℃時進乙烯焦油原料并升溫，20 min后升至407 ℃，加熱爐管底部的熱電偶和連接焦炭塔的轉(zhuǎn)油線彎管處結焦完全堵塞，試驗被迫停止；轉(zhuǎn)油線彎管處堵塞物常溫下為固態(tài)，因脆而易呈粉末狀。

為再次證明C2乙烯焦油比二期催化油漿更易結焦堵管的結論，仍以乙烯焦油為原料，進行了逐漸加大進料條件苛刻度的試驗。將進料量提高至4 kg/h，注汽量提高至8%，加熱爐管出口設定溫度380 ℃(試驗編號B2)，380 ℃下進料2 h試驗正常：然后將注汽量降至3%(試驗編號B3)，進料2 h試驗仍正常；接著將加熱爐管出口溫度設定至500 ℃繼續(xù)進料(試驗編號B4)，從380℃升溫75 min時爐管堵管，從而停止試驗，此時爐管出口溫度升至480 ℃。

乙烯焦油延遲焦化結焦性試驗(結果見表4)表明：乙烯焦油雖然生焦量比二期油漿低，但其更易在爐管內(nèi)結焦堵管，爐管溫度是影響結焦最主要的因素，可能與乙烯焦油在爐管中高溫下的熱聚合相關。

該現(xiàn)象與中國石油蘭州石化公司(以下簡稱蘭州石化)的生產(chǎn)實踐有相似性[1]。蘭州石化在1.2 Mt/a延遲焦化裝置上進行了乙烯裂解重油摻煉試驗，未對乙烯裂解重油進行預處理時，由于乙烯裂解重油與減壓渣油混合時有明顯的分層及凝聚現(xiàn)象，導致加熱爐爐管、冷換設備(如渣油-蠟油換熱器)、分餾塔塔底結焦傾向加劇，加工量下調(diào)(由摻煉前的52 t/h降至摻煉后的48 t/h)，且縮短裝置運行周期[2]。

以純乙烯焦油作焦化原料時，降低注汽量、提高爐管溫度有助于提高焦化效果，但因爐管結焦嚴重，爐管溫度未能提升至500 ℃。B2、B3和B4中的焦炭塔塔頂內(nèi)溫度在443 ℃左右，比正常時的449 ℃低6 K。

表4 乙烯焦油結焦性試驗

3 乙烯裂解焦油焦化加工的技術經(jīng)濟分析

3.1 可行性分析

惠州某煉油廠兩套催化裂化裝置共產(chǎn)催化油漿0.28 Mt/a，為改變催化油漿作為燃料油低價外銷的現(xiàn)狀，該煉油廠利用國內(nèi)首創(chuàng)的“油漿單獨加熱、爐后混煉”的工藝技術加工催化油漿，催化油漿經(jīng)油漿加熱爐加熱后進入現(xiàn)有的延遲焦化焦炭塔進行生焦。其流程示意見圖1。該設施于2019年10月開工，油漿加熱爐出口溫度控制在500 ℃，油漿進料量30 t/h，運行平穩(wěn)。檢修周期大約為一年。乙烯裂解焦油如果進延遲焦化加工，可進油漿爐與油漿摻混加工，油漿可適當外銷，不影響全廠加工流程。

蘭州石化對乙烯裂解重油加注穩(wěn)定劑、膠溶劑并采用混合器進行均勻混合[3-4]，有效緩解了延遲焦化裝置摻煉乙烯裂解重油時出現(xiàn)的換熱器、管線及加熱爐的結焦現(xiàn)象，自2017年11月30日起，乙烯裂解重油進焦化裝置加工進入工業(yè)試生產(chǎn)階段。工業(yè)運行結果表明,延遲焦化裝置運行周期達到一年以上(2018年4月檢修完運行至2019年4月)。摻煉期間順利解決了乙烯焦油原料帶水問題及動態(tài)混合器機封泄漏等問題。

圖1 油漿單獨加熱-爐后混煉流程示意

3.2 經(jīng)濟性分析

延遲焦化裝置穩(wěn)定摻煉乙烯裂解重油需要增加配套的穩(wěn)定劑、膠溶劑加注設施、混合設備及相應流程，由于延遲焦化加工負荷存在不均衡性及油漿加熱爐加工負荷限制，按照加工C2乙烯裂解焦油50 kt/a計算，預計投資在1 000萬元左右，折舊為每年100萬元(10年折舊)。穩(wěn)定劑加注量300 μg/g，穩(wěn)定劑單價為9萬元/t；膠溶劑注入量900 μg/g，膠溶劑單價為19萬元/t。穩(wěn)定劑年消耗15 t，膠溶劑年消耗45 t，年助劑消耗金額為：15×9+45×19=990萬元。

焦化裝置新建的油漿加熱爐標定燃料動力消耗如下：燃料氣單價為3 786元，消耗0.78 t/h；3.5 MPa蒸汽單價為208.21元，消耗2.25 t/h；1.0 MPa蒸汽單價136.52元，消耗2.4 t/h；電單價0.62元/kWh，消耗357 kWh/h；循環(huán)水單價0.32元，消耗64 t/h。油漿加熱爐燃動成本為158.5元/t。

油漿加熱爐摻煉乙烯裂解焦油后，年運行時間按照8 400 h計算，處理乙烯裂解焦油約6 t/h，增加的運行成本為：(1 000 000+9 900 000)/50 000+158.5=376.5元/t。

按照公司內(nèi)部測算價格，焦化干氣的價格為3 620元/t，焦化液化氣價格為3 233元/t，焦化汽油價格為3 235元/t，焦化柴油價格為3 805元/t，焦化蠟油價格為2 830元/t，焦炭價格為900元/t，燃料油價格為1 315元/t。根據(jù)表3的反應結果， 1 t乙烯焦油進延遲焦化加工可產(chǎn)生的效益為：(3 805×0.162 4-2 830×0.059 5-900×0.101 6)×100/35-1 315×1=-291.837元，說明乙烯裂解焦油進油漿爐加工的效益低于催化油漿。延遲焦化通過油漿爐加工催化油漿為515.13元/t，其作油漿加熱爐原料時的效益為：515.13-291.837=223.293元/t；但比油漿加熱爐摻煉乙烯焦油時的燃動和折舊成本376.5元/t低，加工效益為：223.293-376.5=-153.207元/t，其加工效益主要取決于柴油與蠟油的相對價差及燃料油的售價[5]。

4 結語

C2乙烯焦油與二期催化油漿和焦化裝置進料有較好的相容性。C2乙烯焦油和二期催化油漿35∶65的混合料與二期催化油漿單獨作焦化料相比，焦炭降低約10個百分點，焦化蠟油降低約6個百分點，焦化柴油增加約16個百分點。相同條件下，乙烯焦油比二期催化油漿更易結焦堵塞爐管，爐管溫度是導致爐管結焦堵管最重要的因素，可能與乙烯焦油在爐管中高溫下的熱聚合相關。

根據(jù)同類裝置的運行經(jīng)驗，需要增設穩(wěn)定劑、膠溶劑的加注和混合設施，可確保延遲焦化裝置長周期運行(運行1年以上)。乙烯裂解焦油作油漿加熱爐原料相比作燃料油效益為223.293元/t，但比油漿加熱爐摻煉乙烯裂解焦油時的燃動和折舊成本低，綜合加工效益為-153.207元/t。