新冠疫情影響下直餾航煤加工路線優(yōu)化選擇

宋育梅，范 琛，隆 建

（1.中國石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540；2.華東理工大學(xué)化工過程先進(jìn)控制和優(yōu)化技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237）

航空煤油，簡稱航煤，又稱噴氣燃料，主要用作噴氣式飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料，廣泛應(yīng)用于軍用和民用航空領(lǐng)域。航煤主要來源于原油的一次加工和二次加工。原油經(jīng)常減壓蒸餾裝置一次加工后得到的常一線產(chǎn)品通常為直餾航煤組分，沸點(diǎn)范圍為120～280℃。直餾航煤經(jīng)加氫精制后可直接作為航煤產(chǎn)品出廠[1]。此外，原油經(jīng)常減壓蒸餾后得到的蠟油組分可經(jīng)加氫裂化裝置二次加工后直接得到航煤產(chǎn)品[2]。近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平和出行方式發(fā)生改變，民航運(yùn)輸業(yè)增速較快，帶動(dòng)了航煤消費(fèi)的不斷增長，使得航煤產(chǎn)品在國內(nèi)煉廠成品油中的比重不斷增大，航煤的生產(chǎn)和加工方式也越來越受到煉化企業(yè)的重視。另一方面，隨著國內(nèi)煉油能力的快速提升，我國航煤生產(chǎn)能力逐年增長，在滿足國內(nèi)消費(fèi)需求的同時(shí)開始出口。自2008年以來，我國已成為航煤凈出口國，2018年航煤凈出口量超過1 000萬噸[3]。

2020年上半年以來，一場突出其來的新冠疫情席卷全球，極大地改變了人們的生活習(xí)慣和出行方式。石化行業(yè)市場需求驟降，正常的產(chǎn)銷節(jié)奏被打亂，國內(nèi)外航空業(yè)遭受巨大沖擊，航煤需求降至冰點(diǎn)。據(jù)中國石化2021年半年度報(bào)告披露，上半年航煤產(chǎn)量同比2019年下降26.9%，銷量同比2019年下降15.3%。由于航煤是煉廠的三大成品油之一，占汽煤柴總量的10%～20%。而原油一次加工裝置常減壓蒸餾裝置中直餾航煤組分收率通常占10%～15%。因此，在航煤產(chǎn)銷量受限的情況下，如何合理安排直餾航煤組分的加工路線，成為煉化企業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。

從常減壓蒸餾裝置的操作角度來考慮，在不降低原油加工量的前提下壓減直餾航煤組分通常有兩種方案：一是提高直餾石腦油的終餾點(diǎn)，將一部分航煤輕組分切入石腦油餾分。這一方案的問題在于，煉廠的大部分直餾石腦油是作為下游二次加工裝置催化重整的原料。而催化重整的石腦油進(jìn)料需嚴(yán)格控制終餾點(diǎn)，以免造成重整催化劑的結(jié)焦失活，或?qū)е轮卣徒K餾點(diǎn)過高，從而給汽油調(diào)和出廠帶來困難[4]。二是降低直餾柴油組分的初餾點(diǎn)，將一部分航煤重組分壓入柴油組分。這一方案的問題在于，在航煤產(chǎn)品產(chǎn)銷量受限的情況下，柴油產(chǎn)品往往也受到市場限制，從而無法將過多的航煤組分用來生產(chǎn)柴油。而對于建有乙烯裂解裝置的煉化一體化企業(yè)來說，將直餾航煤組分作為乙烯裂解原料則是一個(gè)比較有意義的嘗試。這是由于一方面乙烯裂解裝置的產(chǎn)品為三烯、三苯等基礎(chǔ)化工產(chǎn)品，與成品油等煉油產(chǎn)品的市場情況相關(guān)度較低。例如，疫情期間，丙烯、聚丙烯等用來生產(chǎn)醫(yī)用防護(hù)材料的基礎(chǔ)原料市場需求反而大幅增長。另一方面，乙烯裂解裝置的原料適應(yīng)性較強(qiáng)，直餾航煤的密度、餾程等性質(zhì)和常規(guī)裂解原料加氫裂化尾油相近，且族組成分析數(shù)據(jù)表明，直餾航煤組分中的烷烴含量較高，是較適宜的乙烯裂解原料。因此，一個(gè)可能的思路是采用直餾航煤替換乙烯裂解原料中的加氫裂化尾油，而被替換出的加氫裂化原油則可以作為優(yōu)質(zhì)的催化裂化原料。

綜上所述，由于新冠疫情帶來航煤銷量的大幅降低，以國內(nèi)典型煉化一體化生產(chǎn)企業(yè)S企業(yè)為例，航煤月需求量減少30%～50%，每月有數(shù)萬噸直餾航煤需要尋找新的加工出路。本文利用仿真模擬技術(shù)，建立了包含乙烯裂解和催化裂化裝置的機(jī)理模型，測算直餾航煤組分作為乙烯裂解原料以及加氫裂化尾油作為催化裂化原料的產(chǎn)品分布，并結(jié)合產(chǎn)品市場價(jià)格數(shù)據(jù)，計(jì)算了航煤組分作為乙烯裂解原料的加工效益，為煉化企業(yè)資源優(yōu)化配置提供有益思路。

1 航煤組分加工路線分析

以S企業(yè)生產(chǎn)流程為對象，對直餾航煤組分的加工路線進(jìn)行模擬、分析與優(yōu)化。煉化一體化企業(yè)生產(chǎn)裝置眾多，加工流程復(fù)雜，其中與直餾航煤加工路線相關(guān)的流程如圖1所示。優(yōu)化前，原油經(jīng)常減壓蒸餾裝置分餾后得到直餾航煤組分，經(jīng)加氫精制后成為航煤產(chǎn)品出廠；蠟油經(jīng)加氫裂化裝置加工，其加氫裂化尾油產(chǎn)品作為乙烯裂解原料；渣油經(jīng)渣油加氫裝置加工，其加氫重油產(chǎn)品作為催化裂化原料。

圖1 直餾航煤加工路線

從上述的常規(guī)加工路線可以看出，直餾航煤的加工路線單一，只能通過航煤加氫精制后作為航煤產(chǎn)品出廠。當(dāng)航煤產(chǎn)品銷量受限時(shí)，如果沒有其他加工路線，則會(huì)影響原油加工量，對煉廠生產(chǎn)安排產(chǎn)生重大影響。改進(jìn)后的加工路線如圖1紅色虛線所示，直餾航煤作為乙烯裂解原料，被替換出的加氫裂化尾油則作為催化裂化原料。部分的渣油加氫的加氫重油則可以作為船用燃料油出廠。

針對上述改進(jìn)之后的加工路線，通過模擬仿真技術(shù)，對直餾航煤加工過程進(jìn)行模擬。測算直餾航煤作為乙烯裂解原料的產(chǎn)品分布，以及加氫裂化尾油作為催化裂化的產(chǎn)品分布。

2 理論研究

為了測算直餾航煤加工路線優(yōu)化之后的產(chǎn)品分布，采用基于自由基反應(yīng)機(jī)理的COILSIM軟件，建立乙烯裂解爐模型，測算直餾航煤作為乙烯裂解原料的產(chǎn)品分布。采用成熟的煉油工藝模擬軟件Petro–SIM軟件，建立催化裂化機(jī)理模型，測算加氫裂化尾油作為催化裂化原料的產(chǎn)品分布。

2.1 乙烯裂解爐模型及測算結(jié)果

本文采用COILSIM軟件建立乙烯裂解爐模型。COILSIM軟件是一款用于工業(yè)乙烯裂解爐的模擬軟件，可進(jìn)行裂解原料表征、裂解爐管反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模擬和爐膛爐管耦合模擬，實(shí)現(xiàn)裂解原料組分性質(zhì)以及裂解產(chǎn)品分布預(yù)測、爐膛燃燒性能分析以及裂解操作條件的在線和離線優(yōu)化[5]。其中，裂解爐管反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是基于自由基反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，涉及2 000多個(gè)自由基基元反應(yīng)。在計(jì)算軟件中輸入計(jì)算所需參數(shù)，包括爐型結(jié)構(gòu)、原料屬性和操作條件，計(jì)算后得到裂解氣分子尺度的全組分收率，通過組分歸集后得到裂解氣產(chǎn)品分布。

在上述模型基礎(chǔ)上，結(jié)合乙烯裂解爐運(yùn)行數(shù)據(jù)，對模型進(jìn)行校驗(yàn)，確保模型精度。模型主要輸入?yún)?shù)如下：爐型為GK6，進(jìn)料為26 120 kg/h，汽烴比為0.8，橫跨段溫度CIT為585℃，出口壓力COP為0.17 MPa，出口溫度COT為810℃。直餾航煤進(jìn)料終餾點(diǎn)范圍為215～238℃，加氫裂化高壓尾油的鏈烷烴含量為72.4%，中壓尾油的鏈烷烴含量為66.4%。在維持上述操作條件不變的情況下，直餾航煤和加氫裂化尾油的裂解產(chǎn)物分布（質(zhì)量收率）結(jié)果見表1。

從表1可以看出，直餾航煤作為乙烯裂解原料時(shí)，其餾程性質(zhì)對其產(chǎn)物分布有明顯影響。隨著原料終餾點(diǎn)增加，裂解產(chǎn)物中乙烯、丙烯等高價(jià)值輕組分收率下降，輕焦油收率升高。這是由于終餾點(diǎn)增加時(shí)，原料中重組分含量提升，從而導(dǎo)致相同裂解條件下產(chǎn)物中的重組分含量也較高。兩種加氫裂化尾油中，高壓尾油由于加氫深度提高，鏈烷烴含量較高，原料裂解性能更好，乙烯、丙烯等高價(jià)值產(chǎn)品收率要高于中壓尾油。對比直餾航煤和加氫裂化尾油，不同終餾點(diǎn)的直餾航煤乙烯收率整體介于高壓尾油和中壓尾油之間，丙烯、芳烴產(chǎn)品和輕焦油含量較高，丁二烯、碳五、碳九等產(chǎn)品含量較低。這可能是由于直餾航煤未經(jīng)過加氫，芳烴含量較高，從而導(dǎo)致產(chǎn)品中芳烴產(chǎn)品和輕焦油含量也較高。

表1 不同終餾點(diǎn)直餾航煤和加氫裂化尾油裂解質(zhì)量收率對比 %

2.2 催化裂化模型及測算結(jié)果

采用Petro–SIM軟件建立催化裂化模型。Petro–SIM軟件是一款用于煉油的專用流程模擬軟件，可進(jìn)行煉油過程分餾和反應(yīng)過程的模擬，實(shí)現(xiàn)煉油過程單裝置和全流程的產(chǎn)品預(yù)測和操作條件的優(yōu)化[6-7]。其中，催化裂化模塊是基于集總動(dòng)力學(xué)模型，包括反應(yīng)、再生、分餾和穩(wěn)定吸收系統(tǒng)，得到干氣、液化氣、汽油、柴油、油漿等產(chǎn)品，反應(yīng)產(chǎn)生的焦炭通過再生系統(tǒng)燒焦為系統(tǒng)提供熱量。模型工藝流程示意如圖2所示。在計(jì)算軟件中輸入計(jì)算所需參數(shù)，包括反應(yīng)器尺寸、原料屬性和操作條件，計(jì)算后得到催化裂化裝置產(chǎn)品收率及主要產(chǎn)品性質(zhì)。

圖2 催化裂化工藝流程示意

在上述模型基礎(chǔ)上，結(jié)合催化裂化裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)，對模型進(jìn)行校驗(yàn)，確保模型精度。模型主要輸入?yún)?shù)如下：進(jìn)料為380 000 kg/h，提升管出口溫度為528℃。渣油加氫重油的密度為924 kg/m3，殘?zhí)繛?.12%，加氫裂化高壓尾油的鏈烷烴含量為72.4%，中壓尾油的鏈烷烴含量為66.4%。由于渣油加氫重油和加氫裂化尾油的密度、殘?zhí)?、鏈烷烴含量等性質(zhì)差別較大，而由于催化裂化裝置反應(yīng)–再生系統(tǒng)的熱量平衡問題，要求原料殘?zhí)坎坏陀?.5%。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中僅考慮在渣油加氫重油中摻煉部分加氫裂化尾油。在本文的模擬計(jì)算中，維持總進(jìn)料流量不變，分別摻煉20 t/h的高壓尾油和中壓尾油，其他操作條件保持不變。由此計(jì)算得到的渣油加氫重油和摻煉加氫裂化尾油的產(chǎn)物分布（質(zhì)量收率）結(jié)果見表2。

表2 催化裂化裝置產(chǎn)品質(zhì)量收率對比 %

由渣油加氫尾油和摻煉部門加氫裂化尾油的產(chǎn)品分布數(shù)據(jù)可以推算出高壓尾油和中壓尾油作為催化裂化原料的產(chǎn)品分布，計(jì)算公式見式（1）：

式（1）中，YHCO，i，YM，i，YRDS，i分別為加氫裂化尾油、混合原料和渣油加氫重油的產(chǎn)品收率，F(xiàn)RDS和FHCO分別是混合原料中渣油加氫重油和加氫裂化尾油的流量，在本文的模擬計(jì)算中，分別為360 t/h和20 t/h。

從表2可以看出，與常規(guī)的催化裂化原料渣油加氫重油相比，蠟油加氫裂化尾油的產(chǎn)品分布變化很大。加氫裂化尾油作為催化裂化原料時(shí)，汽油、柴油收率明顯提升，干氣、液化氣、油漿和焦炭收率則明顯下降。這是由于加氫裂化尾油飽和烴含量非常高，裂解性能更佳，且殘?zhí)亢繕O低，油漿和焦炭的收率也較低。其中，高壓尾油由于飽和烴含量比中壓尾油更高，汽油收率也比中壓尾油要更高。

3 實(shí)踐應(yīng)用

根據(jù)本文第一節(jié)提出的直餾航煤加工路線優(yōu)化思路，結(jié)合乙烯裂解和催化裂化單元機(jī)理模型，得到了直餾航煤作為乙烯原料以及加氫裂化尾油作為催化裂化原料的產(chǎn)品分布。根據(jù)模擬結(jié)果，結(jié)合市場實(shí)際情況，S企業(yè)在2020年下半年將模擬結(jié)果逐步進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用，將部分直餾航煤作為乙烯原料，替換加氫裂化尾油作為催化裂化原料。以2020年9–11月生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)實(shí)際數(shù)據(jù)和產(chǎn)品實(shí)際價(jià)格為基礎(chǔ)，分析加工路線優(yōu)化實(shí)踐應(yīng)用產(chǎn)生的應(yīng)用效果。

3.1 應(yīng)用效果

2020年9–11月乙烯裂解和催化裂化的產(chǎn)品市場價(jià)格，結(jié)合表1和表2中的產(chǎn)品收率，可以得到不同原料的產(chǎn)品收入。在實(shí)際操作中，選取直餾航煤終餾點(diǎn)為238℃的組分作為乙烯裂解原料，計(jì)算對比替換中壓尾油作為催化裂化原料。航煤和中壓尾油的效益。

計(jì)算結(jié)果表明，直餾航煤作為乙烯裂解原料時(shí)，每噸原料總收益分別為3 950、3 968和4 109元與中壓尾油的噸原料總收益3 937、3 982和4 122元接近，這和直餾航煤的雙烯收率與中壓尾油接近是一致的。催化裂化的噸原料總收益分別為3 295、3 039和2 092元。可以看出，乙烯裂解的噸原料收益要明顯高于催化裂化，這是由于乙烯裂解的產(chǎn)品分布中高價(jià)值產(chǎn)品更多。在這種情況下，最優(yōu)加工方案要優(yōu)先保證乙烯裂解滿負(fù)荷運(yùn)行。因此，在實(shí)際加工路線選擇中，同樣要優(yōu)先保證乙烯裂解裝置始終保持滿負(fù)荷運(yùn)行，用直餾航煤替換出中壓尾油。2020年9–11月，S企業(yè)根據(jù)模型模擬結(jié)果，逐步實(shí)施直餾航煤替換尾油方案，9–11月分別替換0.5萬噸、1.38萬噸和2.91萬噸中壓尾油，替換出的中壓尾油作為催化裂化原料。

3.2 應(yīng)用效益

直餾航煤替換中壓尾油的效益計(jì)算方法如下：效益增加值為優(yōu)化后噸航煤和噸中壓尾油效益之和減去優(yōu)化前噸航煤和噸中壓尾油效益之和。其中，優(yōu)化前航煤作為航煤產(chǎn)品，中壓尾油作為乙烯裂解原料；優(yōu)化后航煤作為乙烯裂解原料，中壓尾油作為催化裂化原料。按此方法，9–11月應(yīng)用效益計(jì)算如下：9月份替換0.50萬噸中壓尾油，增效＝（3 950＋3 295–3 937–2 507）×0.50＝400萬元；10月份替換1.38萬噸中壓尾油，增效＝（3 968＋3 039–3 982–2 259）×1.38＝1 057萬元；11月份替換2.91萬噸中壓尾油，增效＝（4 109＋2 902–4 122–2 358）×2.91＝1 545萬元。其中，9–11月，航煤價(jià)格分別為2 507、2 259和2 358元/噸。

考慮到在催化裂化滿負(fù)荷運(yùn)行的情況下，中壓尾油作為催化原料后，需替換渣油加氫重油，增產(chǎn)船用燃料油。而船用燃料油價(jià)格通常低于航煤價(jià)格，造成效益損失。因此，在實(shí)際操作中，S企業(yè)利用雙系列渣油加氫換劑期間，渣油加氫單系列低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)實(shí)施直餾航煤加工路線優(yōu)化方案，避免了增產(chǎn)船用燃料油帶來的效益損失。9–11月合計(jì)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益3 002萬元。

另外，由前文分析可知，原油一次加工裝置常減壓蒸餾裝置中直餾航煤組分收率占10%～15%，在航煤產(chǎn)銷量受限時(shí)，如果不能合理安排航煤組分加工路線，則必須要降低原油加工量。由S企業(yè)實(shí)際操作數(shù)據(jù)可知，9–11月平均替換1.5萬噸直餾航煤，達(dá)到減產(chǎn)航煤產(chǎn)品的效果。如果按照常規(guī)加工路線，同樣減產(chǎn)1.5萬噸航煤則需要每月降低至少約10萬噸的原油加工量，對全廠經(jīng)濟(jì)效益將產(chǎn)生巨大的影響。因此，提出的直餾航煤加工路線，更重要的意義在于不影響煉廠總加工量的情況下，合理消耗直餾航煤組分，創(chuàng)造全廠最優(yōu)經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

在新冠疫情影響下，如何合理安排直餾航煤組分加工路線對煉廠的經(jīng)濟(jì)效益影響巨大。本文圍繞航煤產(chǎn)銷量受限情況下直餾航煤組分加工路線優(yōu)化問題，基于乙烯裂解和催化裂化機(jī)理模型，對不同加工路線進(jìn)行測算，結(jié)果表明：

1）直餾航煤組分作為乙烯裂解原料時(shí)，其餾程性質(zhì)對其產(chǎn)物分布有明顯影響。隨著原料終餾點(diǎn)增加，裂解產(chǎn)物中乙烯、丙烯等高價(jià)值輕組分收率下降，輕焦油收率升高。對比直餾航煤組分和加氫裂化尾油，直餾航煤組分乙烯收率整體介于高壓尾油和中壓尾油之間，丙烯、芳烴產(chǎn)品和輕焦油含量較高，丁二烯、碳五、碳九等產(chǎn)品含量較低。

2）由于加氫裂化尾油飽和烴含量非常高，裂解性能更佳，加氫裂化尾油作為催化裂化原料時(shí)，汽油、柴油收率明顯提升，干氣、液化氣、油漿和焦炭收率則明顯下降。

3）S企業(yè)實(shí)踐應(yīng)用結(jié)果表明，采用直餾航煤組分替換中壓尾油作為乙烯裂解原料時(shí)，可產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)測算，2020年9–11月可產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益合計(jì)3 002萬元。相比于直接經(jīng)濟(jì)效益，本文提出的直餾航煤加工路線，更重要的意義在于，在不影響煉廠總加工量的情況下，合理消耗直餾航煤組分，創(chuàng)造全廠最優(yōu)經(jīng)濟(jì)效益。