雙提升管催化裂化工藝技術(shù)淺析

劉 佩

(南京正大天晴制藥有限公司，江蘇 南京 210038)

流化催化裂化是重質(zhì)原料油的主要煉制加工技術(shù)，是煉油行業(yè)的“五朵金花”之一。裝置利用石油一次加工后的重質(zhì)蠟油、渣油為原料，在高溫催化劑的作用下，發(fā)生復(fù)雜的催化裂化反應(yīng)，生產(chǎn)汽油和柴油等輕質(zhì)油品、低碳烯烴產(chǎn)品。

我國自第一套流化催化裂化裝置1965年在撫順建成投產(chǎn)以來，通過50年來的發(fā)展，催化裂化工藝技術(shù)和催化劑開發(fā)始終在不斷進(jìn)步，技術(shù)日趨成熟[1]。催化裂化工藝技術(shù)在石油產(chǎn)品的二次深加工上具備以下優(yōu)勢(shì)：原料適應(yīng)性廣,從石油的二次加工餾分油到重質(zhì)原料油均可加工；催化裂化催化劑的研發(fā)發(fā)展迅速，針對(duì)不同原料和不同目的產(chǎn)品的催化劑得以廣泛運(yùn)用，取得了良好效果；原料經(jīng)催化裂化過程轉(zhuǎn)化的深度大,輕質(zhì)油品和液化氣收率高；催化裂化裝置投資較少，操作壓力等級(jí)低,操作條件相對(duì)緩和；產(chǎn)品液化氣中丙烯、丁烯、異丁烯等低碳烯烴利用價(jià)值高。從當(dāng)前煉油工藝發(fā)展和煉油廠改造與建設(shè)情況來看，隨著多產(chǎn)油品和低碳烯烴的工藝技術(shù)結(jié)合，催化裂化裝置正逐步成為煉油—化工一體化的核心。

1 催化裂化工藝技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

1.1 催化裂化工藝技術(shù)面臨的發(fā)展挑戰(zhàn)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)催化裂化工藝技術(shù)提出了新的問題和挑戰(zhàn)，主要有以下三方面：

(1)全球石油資源的緊缺，使得催化裂化裝置的原料劣質(zhì)化傾向嚴(yán)重，高硫高雜質(zhì)的重質(zhì)原料成為常態(tài)化；

(2)全球環(huán)境保護(hù)的要求越發(fā)嚴(yán)苛，要求石油煉制企業(yè)提供更加清潔高效的動(dòng)力油品，對(duì)傳統(tǒng)催化裂化工藝生產(chǎn)的油品質(zhì)量提出了挑戰(zhàn)；

(3)新能源的利用減少了油品的市場(chǎng)份額，要求煉化企業(yè)實(shí)行少產(chǎn)油品多產(chǎn)化工品的策略，以取得更好的經(jīng)濟(jì)效益，多產(chǎn)烯烴和高品質(zhì)清潔油品的催化裂化工藝技術(shù)成為新的發(fā)展趨勢(shì)。

因此，原有的催化裂化工藝技術(shù)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)的需求，國內(nèi)外對(duì)催化裂化工藝技術(shù)和催化劑不斷進(jìn)行研究發(fā)展，提出很多新工藝技術(shù)和新型催化劑。

1.2 國內(nèi)外催化裂化工藝技術(shù)的新發(fā)展

在催化裂化工藝技術(shù)發(fā)展上，國內(nèi)外都有一些良好的技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐。有以蠟油、常壓渣油為原料，最大量生產(chǎn)汽油和液化氣的MGG、ARGG等催化裂化工藝技術(shù)；有利用重油生產(chǎn)乙烯、丙烯的HCC、CPP、DCC等催化裂化工藝技術(shù)，“三烯”產(chǎn)率較常規(guī)催化裂化有大幅度提高；有多產(chǎn)液化氣和輕柴油的MGD催化裂化工藝技術(shù)[2]。

在新的工藝技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)中，雙提升管催化裂化(下文簡(jiǎn)稱SFCC催化裂化，是由洛陽石化設(shè)備研究所、京潤石化工程有限公司聯(lián)合研發(fā)的專利技術(shù))工藝技術(shù)具有獨(dú)到之處，重油和輕油回?zé)挷捎貌煌奶嵘芊磻?yīng)區(qū)域，既適應(yīng)了高含硫，高雜質(zhì)的劣質(zhì)重油加工，又實(shí)現(xiàn)了多產(chǎn)烯烴產(chǎn)品和高品質(zhì)油品的市場(chǎng)需求，提高了催化裂化裝置的生產(chǎn)靈活性。本文通過對(duì)SFCC催化裂化工藝技術(shù)的分析研究，對(duì)其優(yōu)化運(yùn)行、節(jié)能降耗及提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益提出措施方案，并對(duì)該工藝技術(shù)的運(yùn)行優(yōu)勢(shì)進(jìn)行總結(jié)[3]。

2 SFCC催化裂化工藝技術(shù)特點(diǎn)和裝置生產(chǎn)路線

2.1 SFCC催化裂化工藝技術(shù)特點(diǎn)

SFCC催化裂化工藝特點(diǎn)是采用了雙提升管，實(shí)現(xiàn)了雙反應(yīng)系統(tǒng)：重油反應(yīng)系統(tǒng)和輕油反應(yīng)系統(tǒng)。重油反應(yīng)系統(tǒng)包括重油提升管反應(yīng)器、沉降器和重油分餾塔；輕油反應(yīng)系統(tǒng)包括輕油提升管反應(yīng)器和輕油分餾塔。重油提升管生成的粗輕油在重油分餾塔餾出后送至輕油提升管反應(yīng)器回?zé)挕?/p>

輕油提升管中部設(shè)催化劑分配器，利用輕油提升管待生催化劑相對(duì)較低的溫度和相對(duì)較高的剩余活性，分別返回重油提升管、輕油提升管下部與再生催化劑混合，達(dá)到降低重油提升管、輕油提升管的起始溫度，實(shí)現(xiàn)大劑油比、油劑低溫接觸的條件。通過以上工藝技術(shù)改進(jìn)，重油提升管反應(yīng)器以重油為原料，實(shí)現(xiàn)高劑油比、高反應(yīng)溫度的操作條件，取得較深的反應(yīng)深度和較低的油氣分壓，降低干氣產(chǎn)率，生產(chǎn)較多的丙烯及高辛烷值輕油；粗輕油進(jìn)輕油提升管反應(yīng)器回?zé)?，在降低汽油烯烴含量和硫含量的同時(shí)增產(chǎn)丙烯。

雙提升管催化裂化工藝技術(shù)的意義在于實(shí)現(xiàn)了重油和粗輕油分別進(jìn)各自的提升管反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)，滿足了重油原料的高含硫、高雜質(zhì)的劣質(zhì)化的要求，同時(shí)改善了汽油產(chǎn)品質(zhì)量，降低汽油烯烴含量并提高了汽油辛烷值，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了多產(chǎn)低碳烯烴產(chǎn)品[4]。

2.2 SFCC催化裂化工藝路線和優(yōu)勢(shì)

SFCC催化裂化原料主要有俄羅斯M100、常壓渣油和減三、減四蠟油等重質(zhì)原料油，產(chǎn)品主要為精丙烯、低硫高辛烷值汽油、輕柴油、石油液化氣、甲基叔丁基醚(MTBE)和硫磺等。通過主裝置和配套裝置的結(jié)合，形成了完成的重質(zhì)油加工系統(tǒng)，形成具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及高標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品質(zhì)量，其典型的工藝裝置布局如下：

(1)主裝置為催化裂化裝置，采用SFCC雙提升管、雙分餾塔重油催化工藝技術(shù)，將重質(zhì)原料油通過催化裂化反應(yīng)并分離為汽油、柴油、液化氣、干氣、焦炭和油漿。

(2)配套氣體分離裝置，以反應(yīng)生成的液化氣為原料，通過精餾提取高純度精丙烯，產(chǎn)品為純度≥99.65%(V)的聚合級(jí)丙烯，副產(chǎn)品為純度≥92%(V)的丙烷、混合碳四、干氣。

(3)配套甲基叔丁基醚(MTBE)裝置，以氣體分餾裝置產(chǎn)出的混合碳四為原料，與甲醇進(jìn)行醚化反應(yīng)生產(chǎn)純度在99%以上的MTBE。

(4)配套干氣制氫裝置，裝置采用輕烴水蒸汽轉(zhuǎn)化造氣+CO中溫變換+變壓吸附(PSA)氫提純工藝路線，生產(chǎn)純度為99.9%(V)的氫氣，為加氫裝置提供氫氣來源。

(5)配套輕柴油加氫精制裝置，生產(chǎn)合格的柴油調(diào)和組分。

(6)配套汽油加氫精制裝置，通過汽油選擇性加氫脫硫技術(shù)，生產(chǎn)低硫低烯烴高辛烷值汽油，精制后的汽油產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到國Ⅴ以上標(biāo)準(zhǔn)。

(7)配套酸水汽提和硫磺回收裝置，對(duì)產(chǎn)生的酸性水及氣體脫硫后的酸性氣進(jìn)行綜合處理，并在滿足環(huán)保要求的前提下，回收化工產(chǎn)品-硫磺。

通過雙提升管催化裂化裝置與配套裝置結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了煉油、化工結(jié)合的技術(shù)路線，同時(shí)采用硫磺回收和廢渣處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)裝置清潔環(huán)保、高效優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)運(yùn)行及可持續(xù)性發(fā)展。該工藝技術(shù)在輕油收率、產(chǎn)品質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境保護(hù)等方面具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，有良好的經(jīng)濟(jì)效益和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力[5]。

3 優(yōu)化SFCC裝置運(yùn)行，提高經(jīng)濟(jì)效益的措施

SFCC催化裂化技術(shù)的核心是雙提升管反應(yīng)器，催化劑選擇及反應(yīng)操作條件優(yōu)化決定了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和分布的優(yōu)化，以及輕質(zhì)油品及低碳烯烴收率。通過操作實(shí)踐分析，要實(shí)現(xiàn)目的產(chǎn)品的高質(zhì)量、高收率，降低裝置能耗，提高裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益，主要從以下幾方面采取優(yōu)化運(yùn)行措施。

3.1 原料油性質(zhì)的優(yōu)化

催化裂化的原料來源廣泛、性質(zhì)復(fù)雜，具備煉制劣質(zhì)重油的特點(diǎn)。加強(qiáng)對(duì)裝置原料的管理，作好原料的優(yōu)化配置尤為重要；同時(shí)在裝置生產(chǎn)中作好原料油的跟蹤分析，尋求最佳的工藝生產(chǎn)方案。既要降低原料成本又要具有良好的產(chǎn)品收率，同時(shí)還要保證裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。原料油的性質(zhì)組成對(duì)產(chǎn)品分布及輕質(zhì)油的收率影響最為直接：瀝青質(zhì)和焦質(zhì)含量高的重質(zhì)原料油不易轉(zhuǎn)化為輕質(zhì)油品，其焦炭和油漿的生成量大；而飽和烴高、瀝青質(zhì)和焦質(zhì)含量低的輕質(zhì)原料油，其產(chǎn)品分布好、輕質(zhì)油收率高。通過對(duì)原料油加工生產(chǎn)的跟蹤分析后可以得出，有著較高輕質(zhì)油收率得原料性質(zhì)具有以下特點(diǎn)：原料油中的殘?zhí)亢康?；四組分中飽和烴含量在50%以上，而膠質(zhì)及瀝青質(zhì)含量在18%以下；原料油中的氫含量一般在12.5%以上[6]。

3.2 催化劑的選擇運(yùn)用

近年來，催化裂化催化劑的開發(fā)研究發(fā)展迅速，有多產(chǎn)油品的、有多產(chǎn)烯烴的，還有種類繁多的各類催化助劑，不同的產(chǎn)品方案選擇適合的催化劑尤為重要。配合SFCC催化裂化工藝技術(shù)選擇不同的催化劑，更加能夠?qū)崿F(xiàn)該工藝技術(shù)的生產(chǎn)靈活性：可選擇多產(chǎn)油品的催化劑或多產(chǎn)烯烴的催化劑；如多產(chǎn)丙烯，還可選擇在催化劑中摻入一定比例的丙烯助劑[7]。

在裝置運(yùn)行操作中，確保反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)催化劑保持一定的高活性，才能保證裝置有良好的輕質(zhì)油品的收率。圖1列出了催化劑活性和輕質(zhì)油收率的關(guān)系圖，從中可以看出，催化劑活性維持在60～70之間比較有利于提高裝置的輕質(zhì)油收率。在生產(chǎn)過程中，一般通過持續(xù)不斷地向反應(yīng)系統(tǒng)均勻補(bǔ)充新鮮催化劑，保持一定催化劑置換速率維持催化劑的高活性；控制反應(yīng)系統(tǒng)蒸汽使用量，防止催化劑發(fā)熱裂崩及水熱失活，降低催化劑失活速度[8]。

圖1 催化劑活性和輕質(zhì)油品收率關(guān)系Fig.1 Relationship between cataly and light oilyield

3.3 工藝操作條件的優(yōu)化

SFCC催化裂化裝置的原料性質(zhì)變化大，不確定因素多，通過優(yōu)化裝置的工藝操作來提高輕質(zhì)油收率是一個(gè)不可或缺的手段。以下是在工藝操作上采取的一些行之有效的方法措施。

3.3.1 反應(yīng)溫度控制

一定的反應(yīng)溫度是保證原料油進(jìn)行催化裂化反應(yīng)進(jìn)行的必備條件，具有較高穩(wěn)定的反應(yīng)起始溫度，有利于提高催化反應(yīng)深度；特別是有利于重質(zhì)原料的反應(yīng)裂化，提高裝置的輕質(zhì)油收率。通過操作實(shí)踐證明，控制反應(yīng)溫度不低于510 ℃，有利于提高催化反應(yīng)的深度，保證輕質(zhì)油轉(zhuǎn)化反應(yīng)。同時(shí)將蒸汽預(yù)提升改為干氣作為預(yù)提升氣，穩(wěn)定了提升管反應(yīng)的起始溫度，且溫度從蒸汽預(yù)提升的平均625 ℃升高至平均635 ℃。具有較高穩(wěn)定的反應(yīng)起始溫度，有利于提高催化反應(yīng)深度。特別是有利于重質(zhì)油的反應(yīng)裂化，提高裝置的輕質(zhì)油品和烯烴收率[9]。

圖1 使用干氣預(yù)提升前后反應(yīng)起始溫度對(duì)比Fig.1 Comparison of initial reaction temperature before and after dry gas pre lifting

3.3.2 劑油比的控制

劑油比的高低說明了原料油的反應(yīng)空間的多少，由于原料油分子要進(jìn)入催化劑的微孔內(nèi)表面進(jìn)行催化裂化反應(yīng)，因此，催化劑提供的越多，則原料油越容易裂化為小分子的輕質(zhì)油品。催化劑提供的多則要求劑油比高，在操作上通過嚴(yán)格控制好燒焦溫度、原料油預(yù)熱溫度和反應(yīng)溫度來控制調(diào)節(jié)劑油比。通過總結(jié)，煉制劣質(zhì)重油的同時(shí)要保證輕質(zhì)油品和烯烴產(chǎn)品的收率，劑油比要求控制在10以上[10]。

3.3.3 原料噴嘴的霧化效果

原料油在反應(yīng)器內(nèi)霧化效果的好壞，決定了原料油能不能同催化劑充分接觸，原料油分子能否進(jìn)入催化劑微孔內(nèi)順利進(jìn)行催化裂化反應(yīng)。如原料油霧化效果差，則導(dǎo)致催化裂化反應(yīng)不能順利進(jìn)行，原料油的熱裂化反應(yīng)嚴(yán)重，產(chǎn)品中焦碳、氣體的量大，輕質(zhì)油收率低；同時(shí)造成反應(yīng)器結(jié)焦加劇，給裝置的穩(wěn)定運(yùn)行造成隱患。為了取得良好的霧化效果，作了以下優(yōu)化調(diào)整：(1)提高原料油預(yù)熱溫度，使之控制在200 ℃左右，降低原料油的粘度以利于霧化。(2)全開噴嘴器壁閥，減少截流量。(3)保證噴嘴進(jìn)料管壓力不低于0.6 MPa，使進(jìn)料保持霧化流速。(4)控制原料霧化蒸汽量與進(jìn)料量的比值在4%左右。通過以上的優(yōu)化調(diào)整，使原料油的霧化效果得到明顯改善，減少了油品的二次反應(yīng)，降低了焦碳、氣體的產(chǎn)量，提高了輕質(zhì)油品和烯烴產(chǎn)品的收率[11]。

3.4 節(jié)能降耗，降低生產(chǎn)成本

重油催化裂化裝置的節(jié)能降耗，主要從兩個(gè)方面著手進(jìn)行：一是發(fā)揮裝置能量回收系統(tǒng)的作用，充分利用裝置的剩余能源，二是優(yōu)化生產(chǎn)工藝，盡可能降低能源消耗。

3.4.1 煙氣余熱能源的充分利用

在催化裂化裝置上，先通過煙機(jī)做功對(duì)煙氣的壓力能進(jìn)行回收利用，再通過余熱鍋爐對(duì)煙氣熱能進(jìn)行回收利用。要對(duì)煙氣余熱能源進(jìn)行充分利用，一是要優(yōu)化主風(fēng)機(jī)組運(yùn)行，提高煙機(jī)效率，改善主風(fēng)機(jī)的操作條件,使主風(fēng)機(jī)的操作工況盡量靠近設(shè)計(jì)點(diǎn)，降低主風(fēng)機(jī)組電耗；二是要優(yōu)化余熱鍋爐運(yùn)行，改善爐管與煙氣換熱工況，進(jìn)一步提高換熱效率，多產(chǎn)蒸汽。通過對(duì)煙氣余熱能源的充分回收利用，可以進(jìn)一步降低裝置的能源消耗。

3.4.2 充分利用分餾系統(tǒng)低溫位熱能

重油催化裂化裝置的分餾系統(tǒng)作用是對(duì)反應(yīng)油氣進(jìn)行冷卻精餾分離，在產(chǎn)品冷卻分離過程中，分餾塔底油漿系統(tǒng)的低溫位熱能可以加以利用。由于油漿里含有催化劑顆粒，油漿蒸汽發(fā)生器運(yùn)行中結(jié)垢嚴(yán)重，換熱效率下降，造成分餾塔底熱量不能充分回收利用。在生產(chǎn)過程中，可以在油漿系統(tǒng)增設(shè)阻垢劑注入系統(tǒng)，能有效降低油漿系統(tǒng)的結(jié)垢堵塞。實(shí)踐表明，使用油漿阻垢劑后，油漿換熱效果能保持穩(wěn)定，蒸氣發(fā)生量沒有下降趨勢(shì)，油漿換熱器的良好換熱效率可以保證充分利用油漿余熱，降低了裝置能耗，增加經(jīng)濟(jì)效益。

3.4.3 降低裝置生焦量，降低加工損失率

催化裝置的能耗中催化燒焦占了很大一部分，降低裝置生焦量對(duì)能耗的降低可謂至關(guān)重要。為了進(jìn)一步降低生焦量，采取了以下措施：進(jìn)一步提高待生催化劑的汽提效果，減少待生催化劑攜帶油氣量；減少油品的二次反應(yīng)，降低生焦量和干氣量；保持系統(tǒng)內(nèi)催化劑的活性和抗金屬污染性，提高重質(zhì)油品轉(zhuǎn)化率，減少生焦量。通過優(yōu)化操作，使催化燒焦能耗得以進(jìn)一步控制，減少了裝置能耗，有效地控制了裝置的加工損失率。

4 SFCC催化裂化工藝技術(shù)的運(yùn)用優(yōu)勢(shì)

4.1 裝置的原料適應(yīng)性強(qiáng)

SFCC催化裂化的劑油比可以提高到10以上，有利于增加重油裂化深度，提高了裝置輕質(zhì)油收率和產(chǎn)品選擇性，可以加工品質(zhì)差的重質(zhì)原料油。重質(zhì)原料油市場(chǎng)供應(yīng)充足且價(jià)格便宜，可有效降低生產(chǎn)成本，增加經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 適應(yīng)加工高含硫原料

常規(guī)催化裂化的原料硫含量需要控制在6000 mg/kg以下才能夠保證汽油中硫含量低于500 mg/kg；采用SFCC技術(shù)后，改善了產(chǎn)品硫分布，有利于加工高含硫原料，在原料硫含量達(dá)到8000 mg/kg時(shí)仍能將汽油的硫含量控制在500 mg/kg以下(不經(jīng)過汽油脫硫精制)。

4.3 增加高附加值產(chǎn)品產(chǎn)量

SFCC催化裂化采用雙提升管技術(shù)，主提升管用于重油裂化，副提升管用于輕油裂化。輕油提升管可多產(chǎn)丙烯、液化氣，減少了低價(jià)值副產(chǎn)品油漿、干氣的收率。與常規(guī)催化裝置相比較，其中丙烯收率由4.7%提高到10%左右，而干氣收率由6%下降至4.5%，裝置經(jīng)濟(jì)效益得以顯著提升。

4.4 實(shí)現(xiàn)“宜油則油，宜化則化”的市場(chǎng)策略

SFCC催化裂化工藝技術(shù)具有良好的生產(chǎn)靈活性，化工產(chǎn)品市場(chǎng)好，可以采用多產(chǎn)烯烴的生產(chǎn)方案(如可以采取汽油、液化氣回?zé)挼?；油品市場(chǎng)好，則采取多產(chǎn)汽油的生產(chǎn)方案，增強(qiáng)了企業(yè)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

4.5 生產(chǎn)高品質(zhì)的清潔汽油

SFCC催化裂化通過輕油提升管對(duì)汽油產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化改質(zhì)，生產(chǎn)的汽油辛烷值RON在93以上，烯烴含量小于20(V%)，經(jīng)加氫精制后硫含量可以控制在10 mg/kg以下，達(dá)到國Ⅳ、國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)；調(diào)和少量的MTBE后，可升級(jí)達(dá)到97#汽油標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié) 論

雙提升管催化裂化工藝采用了雙提升管反應(yīng)器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了重油和粗輕油分別進(jìn)各自的提升管反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)，其優(yōu)勢(shì)在于原料適應(yīng)性強(qiáng)，可加工高含硫、高雜質(zhì)的劣質(zhì)重油原料；滿足生產(chǎn)劣質(zhì)重油原料的同時(shí)，改善了油品質(zhì)量，降低了汽油烯烴含量并提高了汽油辛烷值，并實(shí)現(xiàn)了多產(chǎn)低碳烯烴的產(chǎn)品方案。雙提升管催化裂化工藝技術(shù)運(yùn)用了油化結(jié)合的技術(shù)路線，在生產(chǎn)方案上可以實(shí)現(xiàn)油品和化工產(chǎn)品的兼顧，實(shí)現(xiàn)“宜油則油，宜化則化”的市場(chǎng)戰(zhàn)略。該工藝技術(shù)在輕油收率、產(chǎn)品質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境保護(hù)等方面具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，有良好的經(jīng)濟(jì)效益和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。