爐管注入介質(zhì)對延遲焦化過程的影響

岑友良，杜 翔，李 娜，黃新龍

(1.中石化煉化工程(集團(tuán))股份有限公司洛陽技術(shù)研發(fā)中心，河南 洛陽 471003；2.中石化洛陽(廣州)工程有限公司；3.洛陽理工學(xué)院環(huán)境工程與化學(xué)學(xué)院)

隨著環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格和重油加氫技術(shù)的進(jìn)步，延遲焦化裝置加工負(fù)荷呈現(xiàn)降低趨勢。加工負(fù)荷的降低，導(dǎo)致一系列問題隨之出現(xiàn)，最為突出的是加熱爐的爐管線速降低，造成爐管結(jié)焦趨勢加劇，致使加熱爐的運(yùn)行周期大大縮短，爐管清焦頻次增加。因此，降低加熱爐爐管結(jié)焦速率成為當(dāng)前亟需解決的問題[1]。

近年來多點(diǎn)注汽技術(shù)逐漸取代單點(diǎn)注水(注汽)技術(shù)，該技術(shù)使原料在加熱爐爐管內(nèi)的流動(dòng)方式由層流變?yōu)橥牧鱗2-3]。該技術(shù)的應(yīng)用使得加熱爐效率提升，有效地解決了爐管結(jié)焦問題。然而，隨著延遲焦化裝置加工負(fù)荷的降低，為保持爐管內(nèi)油氣的線速度，單爐室運(yùn)行或者提高爐管注汽量成為一種必然選擇。但提高水蒸氣的注入量會(huì)增大裝置的加工能耗，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生了大量的含硫污水，因此開發(fā)以其他注入介質(zhì)替代水蒸氣的技術(shù)具有極為重要的意義。本研究以某煉油廠減壓渣油為原料，重點(diǎn)考察爐管注入介質(zhì)變化對延遲焦化產(chǎn)品分布和產(chǎn)品性質(zhì)的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置及條件

不同爐管注入介質(zhì)的延遲焦化中型試驗(yàn)在中石化煉化工程(集團(tuán))股份有限公司洛陽技術(shù)研發(fā)中心開發(fā)的減黏裂化-延遲焦化-連續(xù)蒸餾一體化試驗(yàn)裝置上進(jìn)行，其焦化工藝的流程示意見圖1[4-5]。試驗(yàn)條件為：渣油進(jìn)料量4.5 kgh，爐出口溫度500 ℃，焦炭塔塔頂操作壓力0.17 MPa，循環(huán)比0.15，生焦周期13 h，注入介質(zhì)分別為水蒸氣、甲烷、乙烷和丙烷。

圖1 延遲焦化中型試驗(yàn)裝置工藝流程示意

爐管結(jié)焦趨勢動(dòng)態(tài)評價(jià)試驗(yàn)在圖1所示的延遲焦化中型試驗(yàn)裝置上進(jìn)行，為了更好地進(jìn)行模擬試驗(yàn)，對其工藝流程進(jìn)行了改造，流程示意見圖2。隨著進(jìn)料時(shí)間的延長，管壁結(jié)焦量逐漸增大，導(dǎo)致爐管壓降不斷上升，因此測量加熱爐入口和出口的壓差可作為加熱爐爐管結(jié)焦趨勢的判據(jù)。因本試驗(yàn)加熱爐的出口壓力為常壓，故選取加熱爐入口的壓力作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)入口壓力升高的拐點(diǎn)來判斷加熱爐的結(jié)焦情況。試驗(yàn)條件為：渣油進(jìn)料量3.0 kgh，爐出口溫度495 ℃，介質(zhì)注入量(w)1%，注入介質(zhì)分別為水蒸氣和甲烷。

圖2 爐管結(jié)焦趨勢評價(jià)中型試驗(yàn)裝置工藝流程示意

1.2 原料性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)原料為采自某煉油廠的減壓渣油，基本性質(zhì)見表1。由表1可以看出：原料密度(20 ℃)超過1 000 kgm3，殘?zhí)枯^高，達(dá)到了20.85%，瀝青質(zhì)(C7不溶物)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.50%；因芳香分質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)57.7%，同時(shí)餾程分布上小于500 ℃餾分質(zhì)量分?jǐn)?shù)又占到23.85%，說明原料中摻兌了部分催化裂化油漿。

表1 原料的基本性質(zhì)

2 結(jié)果及討論

2.1 爐管注入介質(zhì)不同對產(chǎn)品分布的影響

表2為加熱爐爐管注入介質(zhì)分別為占新鮮渣油質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.07%的水蒸氣、與質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.07%水蒸氣的物質(zhì)的量基本相同的甲烷、乙烷和丙烷時(shí)的產(chǎn)品分布。由表2可知，在裝置進(jìn)料量相同及爐管注入介質(zhì)物質(zhì)的量基本相同的情況下，爐管注入不同介質(zhì)對延遲焦化產(chǎn)品分布的影響不大。但在注入介質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本相同的情況下，因甲烷的相對分子質(zhì)量小，其注入物質(zhì)的量相對較多，換算成水蒸氣的量(w)為1.09%；同時(shí)焦化氣體中甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)35%，這對重油裂解生成甲烷的反應(yīng)有一定的抑制作用。肖家治等[6]報(bào)道了在甲烷氣氛下重油熱裂解氣體產(chǎn)率比氮?dú)鈿夥障碌?～2百分點(diǎn)。這兩種因素同時(shí)發(fā)揮作用，當(dāng)注入介質(zhì)為甲烷時(shí)，蠟油收率比介質(zhì)為水蒸氣時(shí)增加0.57百分點(diǎn)，氣體、汽油餾分和柴油餾分產(chǎn)率分別降低0.21，0.19，0.15百分點(diǎn)，液體收率增加0.23百分點(diǎn)，因此采用甲烷作為注入介質(zhì)在增加液體收率方面更具優(yōu)勢。

表2 注入介質(zhì)對產(chǎn)品分布的影響

2.2 提高甲烷注入量對產(chǎn)品分布的影響

表3為加熱爐爐管甲烷注入量(w)分別為1.04%，1.96%，4.02%時(shí)的產(chǎn)品分布情況。由表3可知，隨著甲烷注入量的提高，產(chǎn)品中氣體、汽油餾分、柴油餾分和焦炭的產(chǎn)率均降低，而焦化蠟油產(chǎn)率則升高。當(dāng)爐管內(nèi)甲烷注入量(w)由1.04%分別提高到1.96%和4.02%時(shí)，氣體產(chǎn)率分別降低了0.17百分點(diǎn)和0.56百分點(diǎn)；汽油餾分產(chǎn)率分別降低了0.15百分點(diǎn)和0.42百分點(diǎn)；柴油餾分產(chǎn)率分別降低了0.26百分點(diǎn)和0.83百分點(diǎn)；焦炭產(chǎn)率分別降低了0.54百分點(diǎn)和1.67百分點(diǎn)；而焦化蠟油的產(chǎn)率則分別提高了1.16百分點(diǎn)和3.44百分點(diǎn)；液體收率分別提高了0.75百分點(diǎn)和2.19百分點(diǎn)。該趨勢與提高爐管水蒸氣注入量的趨勢相一致[7]。

表3 甲烷注入量對產(chǎn)品分布的影響

2.3 提高甲烷注入量對產(chǎn)品性質(zhì)的影響

表4和表5分別為不同甲烷注入量下汽油餾分和柴油餾分的性質(zhì)。由表4和表5可知，改變甲烷注入量對汽油餾分和柴油餾分性質(zhì)的影響較小，這主要是由于焦炭塔內(nèi)生成的汽油餾分和柴油餾分在該條件下很少發(fā)生二次熱裂化反應(yīng)[8]，因此甲烷的注入量變化不會(huì)對焦化汽柴油餾分的性質(zhì)產(chǎn)生較大影響。

表4 汽油餾分的主要性質(zhì)

表5 柴油餾分的主要性質(zhì)

表6為甲烷注入量對焦化蠟油性質(zhì)的影響。由表6可知，隨著甲烷注入量的提高，焦化蠟油的性質(zhì)逐漸變差，主要表現(xiàn)在密度、殘?zhí)?、瀝青質(zhì)含量和金屬含量均有所增加。當(dāng)甲烷注入量(w)由1.04%提高到4.02%時(shí)，焦化蠟油的密度(20 ℃)由985.2 kgm3提高到987.8 kgm3，殘?zhí)坑?.12%提高到0.21%，瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.11%提高到0.16%，(Ni+V)質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.15 μg/g提高到0.70 μg/g，95%餾出溫度由454.5 ℃提高到476.4 ℃，升高了21.9 ℃。這一結(jié)果表明，甲烷注入量的提高會(huì)導(dǎo)致焦化蠟油性質(zhì)變差。

表6 焦化蠟油的主要性質(zhì)

表7為甲烷注入量對石油焦性質(zhì)的影響。由表7可知，隨著加熱爐爐管內(nèi)甲烷注入量的增加，石油焦硫含量略有升高，揮發(fā)分呈降低趨勢，這一結(jié)果與提高爐管內(nèi)水蒸氣注入量對焦炭揮發(fā)分影響的趨勢相一致[7]。

表7 石油焦的主要性質(zhì)

2.4 注入介質(zhì)對爐管結(jié)焦趨勢的影響

圖3為爐管中注入1%(w)的水蒸氣或甲烷時(shí)的結(jié)焦曲線對比。從圖3可以看出，在加熱爐出口溫度以及爐管進(jìn)料量和介質(zhì)注入量等條件相同時(shí)，爐管注入介質(zhì)采用甲烷比采用水蒸氣的運(yùn)行時(shí)間要長，其中注入水蒸氣的爐入口壓力拐點(diǎn)為190 min，而注入甲烷的爐入口壓力拐點(diǎn)為240 min。這一結(jié)果表明爐管注氣介質(zhì)可以采用甲烷替代水蒸氣，同時(shí)在注入量(w)相同時(shí)，采用甲烷比采用水蒸氣更有利于減緩爐管結(jié)焦，延長加熱爐的運(yùn)行周期。

圖3 注入1%(w)的水蒸氣或甲烷時(shí)的爐管結(jié)焦趨勢對比■—注甲烷； ●—注水蒸氣

3 甲烷注入量對產(chǎn)品分布和性質(zhì)影響的理論分析

隨著甲烷注入量的提高，焦炭塔內(nèi)油氣線速增加，反應(yīng)生成的油氣在塔內(nèi)的停留時(shí)間縮短，而停留時(shí)間對焦化蠟油的熱裂化性能影響顯著[8]，縮短停留時(shí)間會(huì)減少重餾分油的二次裂解，其裂解產(chǎn)物中氣體、汽油和柴油餾分含量隨之降低。

另外在焦炭塔塔頂操作壓力一定的條件下，提高甲烷注入量可以降低焦炭塔內(nèi)的油氣分壓，使焦炭塔內(nèi)的重餾分油相對容易逸出反應(yīng)層，并隨油氣從焦炭塔塔頂流出而成為液體產(chǎn)物，在循環(huán)比不變的條件下，使得焦化蠟油的餾程變重、性質(zhì)變差。

4 結(jié) 論

(1)在其他操作條件基本相同的情況下，把注入介質(zhì)由1%(w)的水蒸氣替換為與其物質(zhì)的量基本相同的甲烷、乙烷和丙烷時(shí)，延遲焦化產(chǎn)品分布基本相同。因此，可以考慮以低碳烴替代水蒸氣作為爐管注入介質(zhì)，以降低裝置能耗和減少含硫污水排放。

(2)當(dāng)甲烷注入量(w)由1.04%提高到1.96%、4.02%時(shí)，產(chǎn)品中氣體、汽油餾分、柴油餾分和焦炭的產(chǎn)率均表現(xiàn)為降低趨勢，而焦化蠟油的產(chǎn)率則分別提高了1.16百分點(diǎn)和3.44百分點(diǎn)。

(3)隨著甲烷注入量的提高，焦化汽柴油的性質(zhì)變化不大，而焦化蠟油的性質(zhì)略有變差，主要表現(xiàn)在密度、殘?zhí)俊r青質(zhì)以及金屬含量等均有所升高，95%餾出溫度提高了21.9 ℃。這些性質(zhì)的變化會(huì)增加后續(xù)加工裝置操作的苛刻度。

(4)當(dāng)加熱爐爐管內(nèi)水蒸氣和甲烷注入量(w)相同時(shí)，采用甲烷比水蒸氣更有利于減緩爐管結(jié)焦，延長加熱爐的運(yùn)行周期。