基于裂解新技術(shù)構(gòu)建高效集約型煉化耦合新工藝

孫 麗 麗

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

隨著油品市場(chǎng)過(guò)剩加劇和化工品需求旺盛趨勢(shì)的發(fā)展，如何建設(shè)新型煉化一體化項(xiàng)目是擺在我們面前的重要課題。與此同時(shí)，中國(guó)現(xiàn)有燃油型煉油廠也加速向煉化一體化轉(zhuǎn)變，“以化為主、以油為輔”的化工型煉油廠越來(lái)越多，一大批煉化技術(shù)得到了迅速發(fā)展，如渣油加氫裂化技術(shù)、重油催化裂解技術(shù)、餾分油轉(zhuǎn)化技術(shù)、輕烴綜合利用技術(shù)、蒸汽裂解技術(shù)等等。其中，重油催化裂解技術(shù)對(duì)重質(zhì)原料的適應(yīng)性越來(lái)越強(qiáng)，烯烴產(chǎn)品收率越來(lái)越高，已經(jīng)成為煉油廠轉(zhuǎn)型發(fā)展的核心技術(shù)之一[1]；蒸汽裂解技術(shù)加工的原料也更加多元化，輕質(zhì)原油直接裂解制烯烴已成為近年來(lái)研究攻關(guān)的重點(diǎn)[2]。因此，在新型煉化企業(yè)的規(guī)劃建設(shè)和現(xiàn)有煉化企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)中，集成創(chuàng)新先進(jìn)技術(shù)，發(fā)揮核心技術(shù)與眾多技術(shù)的集成優(yōu)化優(yōu)勢(shì)，提高原油資源集約化利用水平，實(shí)現(xiàn)油品、烯烴和芳烴產(chǎn)品靈活優(yōu)化的目標(biāo)，是煉化企業(yè)保持可持續(xù)發(fā)展的重要保證。本課題基于中國(guó)重油催化裂解技術(shù)和原油蒸汽裂解技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，以“減油增化”為目標(biāo)，開展以創(chuàng)新集成裂解技術(shù)為核心并集成優(yōu)化煉化相關(guān)技術(shù)的集約型加工路線研究，結(jié)果表明，集成創(chuàng)新的煉化耦合新工藝與傳統(tǒng)煉化一體化工藝相比，前者多個(gè)工藝過(guò)程耦合、物流解耦優(yōu)化，具有加工流程短、原油資源需求少、乙烯和丙烯收率高等顯著優(yōu)勢(shì)，可為煉化企業(yè)“油轉(zhuǎn)化、油產(chǎn)化、油產(chǎn)特”提供參考。

1 原油蒸汽裂解技術(shù)進(jìn)展

原油組分十分復(fù)雜，不同類型的原油組成差別較大。與中間基原油和環(huán)烷基原油相比，石蠟基輕質(zhì)低硫原油由于鏈烷烴含量較高、雜質(zhì)含量低，因而其裂解性能較好，將其直接作為蒸汽裂解原料成為石油化工界的攻關(guān)熱點(diǎn)。然而，原油重餾分中含有不同比例的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)等非揮發(fā)性的高平均相對(duì)分子質(zhì)量組分，這些組分在常規(guī)裂解爐的對(duì)流段進(jìn)行預(yù)熱時(shí)，汽化行程將下移到爐管高溫段，為這些組分的結(jié)焦創(chuàng)造了條件。而未被汽化的非揮發(fā)性組分隨著混合氣流夾帶到輻射段，在高溫作用下易造成輻射段結(jié)焦積聚，甚至堵塞輻射段，引起裝置停車，影響裝置的連續(xù)性生產(chǎn)和裂解烯烴產(chǎn)品收率。這些既是科學(xué)問(wèn)題也是工程技術(shù)難題，國(guó)內(nèi)外業(yè)界對(duì)此進(jìn)行了廣泛的協(xié)同攻關(guān)，取得了系列成果。

1.1 國(guó)外原油蒸汽裂解技術(shù)進(jìn)展

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)原油餾分的沸點(diǎn)高于520 ℃時(shí)，其膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量迅速升高，為解決這些重組分在爐管中不易汽化且極易結(jié)焦的難題，近年來(lái)，國(guó)際上相關(guān)專利商聚焦相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了技術(shù)研發(fā)。

Exxon Mobil公司通過(guò)在裂解爐的對(duì)流段增設(shè)閃蒸分離器，去除原油中的高沸點(diǎn)物質(zhì)以及各種無(wú)機(jī)鹽或微粒，使得原油能在對(duì)流段完全汽化，避免造成對(duì)流段的堵塞[3-4]。在此基礎(chǔ)上，再與加氫尾油等裂解料進(jìn)行混合，改善其流動(dòng)性并提高汽化性能，就可以選擇較高的裂解爐管溫度，以提高烯烴轉(zhuǎn)化率。Esso工程研究公司也有類似的專有技術(shù)。

Dow化學(xué)公司、千代田化工建設(shè)株式會(huì)社/富士石油株式會(huì)社則采用間歇式絕熱反應(yīng)器對(duì)原油進(jìn)行加工，利用部分原油燃燒產(chǎn)生的熱量加熱物料，使物料達(dá)到高溫，并裂解產(chǎn)生低碳烯烴。Saudi Aramco石油公司則采用對(duì)原油進(jìn)行淤漿法催化加氫處理，使原油中多環(huán)和稠環(huán)的芳香性化合物開環(huán)，形成包含大量支鏈的飽和烷烴，有效降低原油的黏度，減少易形成結(jié)焦的前體化合物，改善原油的裂解性能，提高低碳烯烴的收率[5-7]。

目前，只有Exxon Mobil公司和Saudi Aramco公司報(bào)道了原油裂解制烯烴技術(shù)的工業(yè)化進(jìn)展。2014年，Exxon Mobil公司在新加坡建成1.0 Mt/a乙烯裝置并投產(chǎn)運(yùn)行，成功實(shí)現(xiàn)原油裂解制烯烴技術(shù)的工業(yè)化。有報(bào)道稱，與常規(guī)“煉油+餾分油蒸汽裂解”流程相比，原油直接裂解制烯烴流程的綜合能耗可降低20%以上。2016年，Saudi Aramco公司也宣布將在沙特建設(shè)一個(gè)原油直接制化學(xué)品的綜合廠。

1.2 國(guó)內(nèi)原油蒸汽裂解技術(shù)進(jìn)展

為提高原油資源利用率、最大化生產(chǎn)化工原料，中國(guó)也加快了原油直接裂解技術(shù)研究。中國(guó)石油化工股份有限公司(簡(jiǎn)稱中國(guó)石化)組織中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司、中國(guó)石化北京化工研究院和南京天華化學(xué)工程有限公司等單位組成裂解技術(shù)開發(fā)團(tuán)隊(duì)，開展了原油直接裂解技術(shù)的研究，并對(duì)我國(guó)部分輕質(zhì)原油和中質(zhì)原油分別進(jìn)行裂解評(píng)價(jià)試驗(yàn)，結(jié)果表明：石蠟基輕質(zhì)原油是相對(duì)較好的裂解原料，但無(wú)論是輕質(zhì)原油還是中質(zhì)原油都必須經(jīng)過(guò)必要的切割移除重油后才能進(jìn)入傳統(tǒng)的裂解爐進(jìn)行裂解；若采用自主研發(fā)的扭曲片等強(qiáng)化技術(shù)，可以將裂解爐的原油裂解運(yùn)行周期控制在較為合理的范圍內(nèi)。目前，該技術(shù)已在中國(guó)石化天津分公司建成側(cè)線試驗(yàn)設(shè)施，并于2021年8月進(jìn)行了原油直接裂解技術(shù)的工業(yè)試驗(yàn)驗(yàn)證，其主要技術(shù)指標(biāo)均好于預(yù)期，為輕質(zhì)原油直接裂解制乙烯工程提供了重要基礎(chǔ)。

1.3 重油催化裂解技術(shù)進(jìn)展

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，中國(guó)石化石油化工科學(xué)研究院和中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司協(xié)同研發(fā)，成功開發(fā)了重油催化裂解技術(shù)用于生產(chǎn)低碳烯烴。近年來(lái)，更加聚焦提升催化裂解技術(shù)產(chǎn)品分布的靈活性、降低反應(yīng)溫度、提高原料適應(yīng)性以及降低能耗和提升安全環(huán)保能力等方面的基礎(chǔ)研究、工程轉(zhuǎn)化和系統(tǒng)集成創(chuàng)新等工作，形成了以重質(zhì)油為原料多產(chǎn)丙烯的催化裂解(DCC)技術(shù)，以重質(zhì)油為原料最大量生產(chǎn)乙烯和丙烯的催化熱裂解(CPP)技術(shù)，多產(chǎn)化工原料的催化丙烯(SHMP)技術(shù)，最大量生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)汽油和液化氣的催化裂解(MGG)技術(shù)等系列家族技術(shù)，其中DCC技術(shù)在國(guó)內(nèi)外煉油廠中應(yīng)用最為廣泛，創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟(jì)效益，在國(guó)內(nèi)煉油廠轉(zhuǎn)型發(fā)展中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

DCC技術(shù)適宜加工石蠟基原料，丙烯產(chǎn)率可高達(dá)20%以上。為了解決DCC工藝存在丙烯收率與干氣、焦炭選擇性無(wú)法兼顧的難題，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了DCC-Plus工藝技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)成功建成了中海油大榭石化公司(簡(jiǎn)稱大榭石化)的2.2 Mt/a催化裂解裝置。該裝置以潿洲原油和西江原油的常壓渣油餾分混合加氫裂化尾油為原料，混合原料的密度(20 ℃)為0.889 0 g/cm3，氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.99%，殘?zhí)繛?.12%，鎳+釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于5 μg/g。裝置的產(chǎn)物分布如表1所示。由表1可以看出，裝置的乙烯+丙烯收率達(dá)到了24%，而油漿+焦炭產(chǎn)率為11.2%，產(chǎn)物的烯烴收率與干氣、焦炭的選擇性得到了很好地優(yōu)化。

表1 大榭石化DCC裝置的產(chǎn)物分布

然而，我國(guó)煉油廠仍以加工中間基原油為主，為解決催化裂解原料重質(zhì)化的問(wèn)題，中國(guó)石化又組織開展聯(lián)合攻關(guān)，創(chuàng)新開發(fā)了專用催化劑以適應(yīng)原料重質(zhì)化，并基于DCC-Plus工藝將C4餾分循環(huán)裂化、輕石腦油循環(huán)裂化及芳構(gòu)化等技術(shù)集成創(chuàng)新形成了劣質(zhì)重油催化裂解技術(shù)(簡(jiǎn)稱高效催化裂解技術(shù))。該技術(shù)的技術(shù)效果如表2所示。由表2可以看出，在新鮮原料(加氫重油)質(zhì)量比例為50%、原料密度(20 ℃)為0.915 9 g/cm3、氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.56%等條件下，該技術(shù)的丙烯收率達(dá)到15.59%，乙烯收率達(dá)到4.00%，實(shí)現(xiàn)了原料高效轉(zhuǎn)化和烯烴產(chǎn)品最佳選擇的目標(biāo)。

表2 高效催化裂解技術(shù)的技術(shù)效果

為了加快推進(jìn)高效催化裂解技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用，對(duì)中國(guó)石化安慶分公司(簡(jiǎn)稱安慶分公司)現(xiàn)有0.65 Mt/a DCC裝置進(jìn)行了系統(tǒng)的適應(yīng)性改造和工業(yè)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同進(jìn)料條件和催化劑活性下，當(dāng)新鮮原料摻渣質(zhì)量比例達(dá)到50%時(shí)，高效催化裂解技術(shù)表現(xiàn)出更好的高價(jià)值產(chǎn)品選擇性(如表3所示)。

由表3可以看出，與改造前的DCC技術(shù)相比，高效催化裂解技術(shù)的丙烯收率高2.56百分點(diǎn)，乙烯產(chǎn)率高0.49百分點(diǎn)，焦炭產(chǎn)率降低0.59百分點(diǎn)。如果有條件集成C4及輕汽油回?zé)?，丙烯和乙烯的收率還會(huì)進(jìn)一步提高。

表3 安慶分公司DCC裝置改造前后的技術(shù)效果對(duì)比

2 基于原油蒸汽裂解技術(shù)和重油催化裂解技術(shù)集成創(chuàng)新煉化耦合新工藝

2.1 新工藝的創(chuàng)新研究思路

如上所述，原油蒸汽裂解技術(shù)雖然以短流程實(shí)現(xiàn)了乙烯和丙烯的生產(chǎn)，但研究表明，即使加工的原油為石蠟基超輕質(zhì)原油，也不能全部進(jìn)入裂解爐裂解，且原油性質(zhì)與裂解產(chǎn)物分布的關(guān)聯(lián)很緊密。我國(guó)是原油進(jìn)口大國(guó)，自2018年起原油對(duì)外依存度已經(jīng)高達(dá)70%并逐年上升，而進(jìn)口原油多以中間基原油為主，原油的密度大、重組分多、雜質(zhì)含量高。因此，原油蒸汽裂解技術(shù)難以獨(dú)立發(fā)揮其原料寬泛的優(yōu)勢(shì)，尤其是在市場(chǎng)成品油過(guò)剩的情況下，不僅要解決好輕油組分的短流程加工，以實(shí)現(xiàn)輕油組分的高效裂解，而且要同步解決重油組分多產(chǎn)烯烴和芳烴(尤其是苯產(chǎn)品)、少產(chǎn)成品油這一系列矛盾。為此，提出了基于集成裂解新技術(shù)構(gòu)建集約型煉化耦合新工藝的研究思路：一方面繼續(xù)加大對(duì)蒸汽裂解技術(shù)和催化裂解技術(shù)的基礎(chǔ)研究以及工藝、工程轉(zhuǎn)化與過(guò)程強(qiáng)化的系統(tǒng)創(chuàng)新研究；另一方面將裂解技術(shù)與重油轉(zhuǎn)化等相關(guān)煉化技術(shù)進(jìn)行耦合集成創(chuàng)新，為原油全餾分的高效轉(zhuǎn)化奠定基礎(chǔ)。

基于裂解技術(shù)的耦合集成方案研究思路如圖1所示。圖1表明：原油的輕質(zhì)部分進(jìn)行蒸汽裂解，原油的重油部分進(jìn)行催化裂解；蒸汽裂解和催化裂解過(guò)程所產(chǎn)生的裂解重油，可經(jīng)渣油加氫裂化等裝置進(jìn)行重油深度轉(zhuǎn)化利用，產(chǎn)出的蠟油餾分經(jīng)處理后仍可作為催化裂解原料和蒸汽裂解稀釋料，可以同步解決好輕油和重油的高效加工問(wèn)題。

圖1 基于裂解技術(shù)的耦合集成方案研究思路

2.2 基于集成裂解新技術(shù)構(gòu)建集約型煉化新工藝

原油一般分為飽和分、芳香分、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)4類組分，其中飽和分和瀝青質(zhì)分別代表原油中最穩(wěn)定和最不穩(wěn)定的組分。原油中包含的沸點(diǎn)超過(guò)590 ℃的高平均相對(duì)分子質(zhì)量非揮發(fā)性組分(如膠質(zhì)、瀝青、殘油或渣油)通常是最難以加工的餾分。用以加工原油生產(chǎn)化工產(chǎn)品的石油化工加工過(guò)程是一個(gè)由多項(xiàng)工藝技術(shù)與多領(lǐng)域工程技術(shù)組成的十分復(fù)雜的工藝工程巨系統(tǒng)。研究裂解新技術(shù)在石油化工加工過(guò)程中的應(yīng)用效果，就必須基于裂解技術(shù)研究不同原油的加工特性，緊密關(guān)聯(lián)煉化一體化全加工路線的物流、能流和信息流，使之作為一個(gè)有機(jī)整體，采取與裂解技術(shù)耦合、解耦相結(jié)合的方法進(jìn)行集成創(chuàng)新，構(gòu)建以“減油增化”為目標(biāo)的集約型煉化新工藝。

2.2.1 原油預(yù)處理關(guān)鍵工程技術(shù)創(chuàng)新通過(guò)系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加工較為輕質(zhì)原油時(shí)，對(duì)預(yù)熱后的原油組分分離進(jìn)行過(guò)程強(qiáng)化處理，是最大化利用原油的關(guān)鍵。研究表明，當(dāng)以°API約45的輕質(zhì)原油作蒸汽裂解裝置的原料時(shí)，有20%～30%左右的重質(zhì)餾分將無(wú)法裂解，且該比例與原油性質(zhì)密切關(guān)聯(lián)。為解決這一難題，經(jīng)流體力場(chǎng)分析與試驗(yàn)相結(jié)合的系統(tǒng)研究，創(chuàng)新形成了2點(diǎn)核心技術(shù)：一是創(chuàng)新離心分離脫除痕量液體技術(shù)，對(duì)閃蒸得到的氣體進(jìn)行高效離心分離，脫除痕量液體；二是創(chuàng)新閃蒸罐物流分離的精準(zhǔn)溫度控制技術(shù)，精準(zhǔn)測(cè)量進(jìn)料組分，適時(shí)調(diào)整閃蒸罐物流分離溫度，維持較優(yōu)的氣液比。研究表明，該技術(shù)可最大化地高效閃蒸出可供裂解的氣相組分，但同時(shí)又能使非揮發(fā)性組分呈液相分離，避免被夾帶進(jìn)入裂解爐引起結(jié)焦。經(jīng)初步測(cè)算，該技術(shù)可降低成本10%以上。

2.2.2 劣質(zhì)原油預(yù)處理耦合裂解技術(shù)的集成創(chuàng)新研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)裂解原油的°API變小，可進(jìn)行蒸汽裂解的原油比例就隨之減少，烯烴產(chǎn)品收率也將隨之下降，而低價(jià)值裂解燃料油收率會(huì)大幅增加。以沙特中質(zhì)原油為例，若直接送裂解爐預(yù)熱，即使進(jìn)行了有效分離，由于硫等雜質(zhì)的含量高，也會(huì)對(duì)后續(xù)裂解產(chǎn)生影響，且產(chǎn)品收率也不高，成本優(yōu)勢(shì)不明顯。針對(duì)這個(gè)難題，提出了創(chuàng)新集成原油深度預(yù)處理技術(shù)并耦合裂解技術(shù)的創(chuàng)新思路。據(jù)相關(guān)試驗(yàn)研究[2]報(bào)道，劣質(zhì)原油的加氫裂化可使原油中多環(huán)和稠環(huán)的芳香化合物開環(huán)，形成包含大量支鏈的飽和烷烴，有效降低原油的黏度，減少易形成結(jié)焦前體的化合物，改善原油的裂解性能，提高低碳烯烴的收率。

將該技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用于原油深度預(yù)處理過(guò)程，形成了原油預(yù)處理耦合裂解技術(shù)的新工藝。該工藝使劣質(zhì)原油先進(jìn)行原油加氫裂化處理，經(jīng)脫除硫和重金屬等雜質(zhì)并適度裂化后，再將輕重組分進(jìn)行分離。較輕組分被送到傳統(tǒng)的蒸汽裂解裝置進(jìn)行裂解，較重質(zhì)組分通過(guò)催化裂解加工，最大化生產(chǎn)烯烴和芳烴組分。初步研究表明，該集成工藝會(huì)實(shí)現(xiàn)50%左右的從原油到化學(xué)品直接轉(zhuǎn)化率，其成本較傳統(tǒng)工藝可降低15%以上。

2.2.3 基于集成裂解新技術(shù)構(gòu)建集約型煉化耦合新工藝如上所述，將原油作為裂解原料直接生產(chǎn)烯烴和芳烴產(chǎn)品，有利于降低烯烴生產(chǎn)裝置原料成本和能源消耗，使企業(yè)快速適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)裂解原料的供需變化，同時(shí)緩解煉油產(chǎn)能過(guò)剩和油品市場(chǎng)壓力。但不管是蒸汽裂解工藝還是催化裂解工藝都會(huì)產(chǎn)生裂解重組分，其進(jìn)一步加工的難度遠(yuǎn)高于原油中高相對(duì)分子質(zhì)量非揮發(fā)性組分的加工利用。

由于蒸汽裂解技術(shù)與催化裂解技術(shù)的裂解原理各不相同，使其產(chǎn)生差異較大的裂解產(chǎn)品分布，其產(chǎn)品特性也各不相同。因此，綜合利用好這些裂解物料關(guān)乎集成裂解新技術(shù)的效果，也是煉化企業(yè)成本效益的關(guān)鍵。經(jīng)系統(tǒng)集成研究，形成了基于集成裂解新技術(shù)構(gòu)建的集約型耦合煉化新工藝，如圖2所示。

圖2 基于集成裂解新技術(shù)構(gòu)建的集約型耦合煉化新工藝示意

根據(jù)不同原油特性，可以靈活優(yōu)化選擇上述的原油預(yù)處理工藝技術(shù)，經(jīng)處理后的原油先進(jìn)入裂解爐對(duì)流段預(yù)熱，預(yù)熱到一定溫度的原油與過(guò)熱的稀釋蒸汽混合，經(jīng)設(shè)置在爐外的閃蒸罐閃蒸處理，不能進(jìn)裂解爐的重油組分去重組分處理裝置加工后去催化裂解裝置加工，生產(chǎn)以丙烯為主的低碳烯烴和芳烴組分；適宜裂解的輕油組分直接進(jìn)裂解爐進(jìn)行裂解，生產(chǎn)以乙烯為主的低碳烯烴；由于裂解原料的改變，裂解產(chǎn)物中重組分含量較高，且裂解氣中的硫、氮及部分重金屬組分變化大，在分離過(guò)程中的處理也更加復(fù)雜，因此其急冷過(guò)程和分離流程都必須進(jìn)行工程創(chuàng)新，以滿足新工況的要求。

蒸汽裂解和催化裂解過(guò)程共計(jì)將產(chǎn)生裂解總量約10%以上的裂解重油，可將這部分重油經(jīng)渣油加氫裂化等裝置進(jìn)行深度轉(zhuǎn)化再循環(huán)利用，產(chǎn)出的蠟油餾分經(jīng)處理后仍可作為催化裂解原料和蒸汽裂解稀釋料，進(jìn)一步提升裂解裝置的烯烴收率。已有焦化生產(chǎn)裝置的企業(yè)經(jīng)適應(yīng)性改造后可生產(chǎn)高端碳等產(chǎn)品，以進(jìn)一步提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

新工藝可以同步實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)原油和部分重質(zhì)原油高效轉(zhuǎn)化為低碳烯烴，最大化地減少成品油的生產(chǎn)。

3 案例研究

3.1 新建煉化企業(yè)案例研究

假設(shè)某新建煉化一體化企業(yè)的化工原料全部自給，以1.50 Mt/a乙烯裝置為例開展工程創(chuàng)新與應(yīng)用研究。

3.1.1 原油選擇原油直接裂解制烯烴技術(shù)通常選用°API大于45的低硫石蠟基輕質(zhì)原油為原料，其密度小，終餾點(diǎn)低，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量較低，可直接作為裂解原料的餾分比例較高?？紤]我國(guó)輕質(zhì)原油資源的可獲性，選擇沙特輕質(zhì)原油和沙特超輕原油作為蒸汽裂解原料，此兩種原油的基本性質(zhì)見表4。為便于比較，將現(xiàn)有煉化企業(yè)通常加工的中東混合原油的基本性質(zhì)一并列入表4中。

表4 加工原油的基本性質(zhì)

3.1.2 研究方案說(shuō)明為便于系統(tǒng)分析原油選擇與加工方案的相互影響關(guān)系，分別以加工表4中的3種原油為基礎(chǔ)形成3種加工方案。方案1加工沙特輕質(zhì)原油，方案2加工沙特超輕原油，此兩種方案采用“原油蒸汽裂解+渣油加氫+重油催化裂解”為核心技術(shù)的集成工藝技術(shù)，加工流程示意見圖3。方案3加工中東混合原油，采用“常減壓蒸餾+渣油加氫+催化裂化+加氫裂化”的加工路線，其加工流程示意見圖4。

研究了原油重質(zhì)組分與雜質(zhì)含量及其對(duì)蒸汽裂解裝置運(yùn)行性能的相互影響規(guī)律，認(rèn)為方案1中的沙特輕質(zhì)原油大于370 ℃的重餾分質(zhì)量比例約為45%，這部分重餾分的裂解性能較差，不能進(jìn)行蒸汽裂解。同樣，在方案2中，沙特超輕原油大于465 ℃的重餾分質(zhì)量比例約為20%，這部分重油也不能進(jìn)裂解爐進(jìn)行裂解。這兩種方案中的未裂解重油都經(jīng)渣油加氫+催化裂解的集成工藝加工處理。為便于聚焦集成裂解技術(shù)研究，基于化工下游產(chǎn)品方案靈活，且與市場(chǎng)需求密切關(guān)聯(lián)，所有方案的乙烯裝置下游的產(chǎn)品方案研究從略。

圖3 方案1和方案2的裂解集成技術(shù)方案加工流程示意

圖4 方案3的傳統(tǒng)方案加工流程示意

3.1.3 研究結(jié)果分析

(1)工藝裝置配置與規(guī)模研究

表5為在滿足1.5 Mt/a乙烯產(chǎn)能的條件下3種方案的相關(guān)工藝裝置配置情況。

表5 3種方案的煉油工藝裝置配置和規(guī)模 Mt/a

由表5可以看出，與方案3的加工流程相比，方案1和方案2所采用的以集成裂解新技術(shù)為基礎(chǔ)的煉化新加工流程中的工藝裝置類型少，且同類工藝裝置的加工規(guī)模也小。此外，雖然方案1和方案2加工路線相同，但由于兩種原油的性質(zhì)差異較大，導(dǎo)致工藝裝置規(guī)模差別明顯，方案2的工藝裝置平均規(guī)模約為方案1的1/3，這將直接影響投資和效益水平。

(2)原油資源需求量研究

3種方案中原油資源的需求量及產(chǎn)品的產(chǎn)量和收率見表6。由表6可以看出，在滿足1.5 Mt/a乙烯產(chǎn)能的條件下，方案1和方案2所需的原油量分別為9.00 Mt/a和7.00 Mt/a，而方案3所需的原油量達(dá)到12.00 Mt/a。如果原油蒸汽裂解裝置采用輕質(zhì)原油的°API越高，則裂解集成方案對(duì)原油需求量越少，資源利用率也越高。

(3)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)研究

由表6還可以看出：與方案3相比，方案1和方案2中單位質(zhì)量原油的乙烯收率分別提高4.15百分點(diǎn)和8.92百分點(diǎn)，丙烯收率分別提高6.32百分點(diǎn)和5.88百分點(diǎn)，成品油收率分別降低33.08百分點(diǎn)和38.10百分點(diǎn)；但是方案1和方案2中單位質(zhì)量原油的裂解汽油收率遠(yuǎn)高于方案3，分別比方案3提高5.96百分點(diǎn)和14.04百分點(diǎn)，裂解燃料油收率分別提高10.66百分點(diǎn)和9.11百分點(diǎn)。如圖3所示，裂解汽油可進(jìn)一步加工生產(chǎn)芳烴，裂解燃料油經(jīng)渣油加氫后可作為稀釋油循環(huán)使用。

表6 3種方案所需原油量及產(chǎn)品產(chǎn)量和收率

(4)投資效益研究

3種方案的項(xiàng)目投資和財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率(稅后)如表7所示。由表7可以看出，方案1和方案2由于加工路線短、裝置規(guī)模小，全廠建設(shè)投資分別比方案3可減少約27%和50%。在中國(guó)石化2016—2018年均價(jià)和新加坡2016—2018年進(jìn)口等價(jià)下，3個(gè)方案的效益從高到低的順序?yàn)榉桨?>方案3>方案1，該結(jié)果表明，方案2和方案1在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)價(jià)格下均能獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。但如果考慮當(dāng)前成品油過(guò)剩，尤其是柴油嚴(yán)重過(guò)剩的市場(chǎng)環(huán)境，國(guó)內(nèi)柴油的銷售價(jià)格會(huì)進(jìn)一步受到擠壓，高效解決好柴油的出路也是當(dāng)前需要系統(tǒng)研究的難題。當(dāng)前，很多企業(yè)對(duì)柴油進(jìn)行加氫裂化處理，裂解生成石腦油再進(jìn)一步加工，一方面消耗大量的氫氣，另一方面加工流程長(zhǎng)、能耗高、成本增加，將進(jìn)一步影響企業(yè)的綜合效益。

由表7還可以看出，在兩個(gè)價(jià)格體系下，加工沙特超輕原油的方案2均比加工沙特輕質(zhì)原油的方案1效益好。這主要由于沙特超輕原油蒸汽裂解時(shí)的乙烯收率高，原油需求量低，原料成本低，并且投資也低。因此，基于集成裂解技術(shù)而構(gòu)建的煉化企業(yè)要盡可能選擇優(yōu)質(zhì)超輕原油作為蒸汽裂解原料，以獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。

表7 項(xiàng)目投資和財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率(稅后)

3.2 現(xiàn)有煉油廠轉(zhuǎn)型升級(jí)案例研究

某燃油型煉油廠加工°API為16.2的中間基劣質(zhì)重油，其原油加工能力為5.00 Mt/a，重油采用“延遲焦化”加工路線，產(chǎn)品以柴油為主，同時(shí)生產(chǎn)少量的汽油和煤油，副產(chǎn)較多的石油焦等低價(jià)值產(chǎn)品。全廠柴汽比高達(dá)3.8，汽油、煤油、柴油總的油品收率為61.0%。

面對(duì)嚴(yán)重過(guò)剩的柴油市場(chǎng)和高硫石油焦出路的難題，如何實(shí)現(xiàn)“減油增化”的轉(zhuǎn)型升級(jí)，如何以較小的投入實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品轉(zhuǎn)型目標(biāo)和效益目標(biāo)，成為本課題研究的又一重點(diǎn)。

該煉油廠可獲得的原油資源見表8。對(duì)比表8中3種原油性質(zhì)可以看出：盡管中質(zhì)原油的°API比重質(zhì)原油高出65.7%，但根據(jù)上述研究仍不能滿足作為原油蒸汽裂解的需要；而新增的超輕質(zhì)原油的°API高達(dá)46.5，采用集約型煉化耦合新工藝是很好的轉(zhuǎn)型升級(jí)路徑，也滿足煉油廠低成本擴(kuò)能的需求。

表8 可獲得原油的基本性質(zhì)

針對(duì)重質(zhì)原油的加工，該煉油廠除有兩套延遲焦化裝置外，無(wú)其他重油和蠟油加工裝置，因此減壓蠟油和焦化蠟油的價(jià)值未充分發(fā)揮。為了增產(chǎn)化工原料，新建蠟油加氫和催化裂解裝置。新建催化裂解裝置除加工現(xiàn)有煉油廠的蠟油外，同時(shí)加工輕質(zhì)原油蒸汽裂解裝置無(wú)法處理的重油部分。原油直接裂解裝置副產(chǎn)的低價(jià)值燃料油(PGO和PFO)可返回延遲焦化裝置繼續(xù)轉(zhuǎn)化利用，減少低價(jià)值產(chǎn)品產(chǎn)量。改造后的煉油廠轉(zhuǎn)型升級(jí)加工路線采用“原油蒸汽裂解+蠟油加氫+重油催化裂解”集成工藝，詳見圖5。

圖5 基于“原油蒸汽裂解+蠟油加氫+重油催化裂解”技術(shù)集成的轉(zhuǎn)型工藝示意

采用集成工藝后，煉油廠僅需增加1.87 Mt/a超輕質(zhì)原油的處理量，即可實(shí)現(xiàn)每年增產(chǎn)0.85 Mt乙烯、0.60 Mt丙烯、0.12 Mt丁二烯和0.42 Mt芳烴BTX，同時(shí)全廠汽油、煤油、柴油產(chǎn)品產(chǎn)量下降0.40 Mt，油品收率從61.0%降到37.8%，柴汽比得到很好的改善。經(jīng)測(cè)算，在中國(guó)石化三年均價(jià)和新加坡三年進(jìn)口等價(jià)下，該集成工藝的內(nèi)部收益率(稅后增量)分別達(dá)到18.82%和16.35%。由此可見，與傳統(tǒng)煉化一體化工藝相比，“原油蒸汽裂解+蠟油加氫+重油催化裂解”集成耦合工藝是以“減油增化”為目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整的又一選擇，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

4 結(jié)論與展望

隨著原油蒸汽裂解技術(shù)和重油催化裂解技術(shù)的發(fā)展，基于裂解新技術(shù)構(gòu)建高效集約型煉化耦合新工藝與傳統(tǒng)煉化一體化工藝相比，該新工藝具有原油資源需求少、乙烯/丙烯收率高、裝置構(gòu)成簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，其選擇的原油°API越高，其優(yōu)勢(shì)越明顯。研究表明，該新工藝適應(yīng)新型煉化一體化項(xiàng)目建設(shè)，也適用于現(xiàn)有煉油廠的轉(zhuǎn)型升級(jí)，可實(shí)現(xiàn)大幅減少成品油生產(chǎn)，大幅提升烯烴和芳烴產(chǎn)品生產(chǎn)能力，物流和能流充分優(yōu)化利用的目標(biāo)?？梢酝胶芎玫亟鉀Q成品油市場(chǎng)嚴(yán)重過(guò)剩與化工原料短缺的難題。該工藝為煉化企業(yè)提供了實(shí)現(xiàn)“減油增化”目標(biāo)的重要解決方案，將成為我國(guó)新型煉化企業(yè)建設(shè)和現(xiàn)有煉油廠轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要技術(shù)保障。