減壓渣油脫鈣技術(shù)研究

唐應(yīng)彪

(中石化煉化工程集團(tuán) 洛陽技術(shù)研發(fā)中心 ， 河南 洛陽 471003)

0 前言

隨著重質(zhì)原油的大量開采，原油中的鈣、鎂、鐵等金屬含量大大增加，這些金屬一部分以水溶性鹽和微溶性鹽的形式存在，另一部分以油溶性的石油酸鹽形式存在。常規(guī)的電脫鹽可以脫除大多數(shù)可溶性鹽，但對于微溶性鹽和油溶性的石油酸鹽脫除效果不佳。伴隨著原油加工過程，鈣、鎂、鐵等金屬化合物大部分富集于渣油中，影響渣油的進(jìn)一步加工和利用[1-3]。在渣油加氫過程中，原料中的金屬化合物沉積在催化劑表面及顆粒間，導(dǎo)致催化劑失活及板結(jié)，引起反應(yīng)器床層壓力降升高，嚴(yán)重時可使裝置被迫停工[4-5]。

目前原油脫金屬的方法較多，主要有螯合沉淀法、加氫催化法、樹脂脫除法、CO2脫除法、生物脫除法、膜分離法、過濾法等，而關(guān)于渣油脫金屬方面的研究報道甚少[6]。

針對某煉廠減壓渣油的原料特點(diǎn)，動態(tài)模擬現(xiàn)場工況，開展了減壓渣油脫鈣技術(shù)研究，考察了流量、溫度、電壓等操作條件對脫鈣效果的影響，優(yōu)化了工藝參數(shù)，并對其他金屬的脫除效果也進(jìn)行了評價。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 減壓渣油原料性質(zhì)

減壓渣油原料性質(zhì)分析結(jié)果見表1。

表1 減壓渣油性質(zhì)

從表1來看，該減壓渣油的特點(diǎn)是密度大、黏度高和金屬含量高。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

自建靜電分離試驗(yàn)裝置，主要由氣源系統(tǒng)、原料系統(tǒng)、靜電分離系統(tǒng)、液封系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。

具體的工藝流程為：原料加入原料攪拌釜，經(jīng)過攪拌預(yù)熱后，經(jīng)原料泵進(jìn)入加熱爐，經(jīng)加熱達(dá)到試驗(yàn)溫度后依次進(jìn)入靜電分離器進(jìn)行靜電分離，靜電分離后的凈化油依次進(jìn)入液封罐和凈化油罐。

1.3 試驗(yàn)方法

分別改變流量、電壓、溫度等操作條件，獲得不同工藝條件下的凈化油，采用電感耦合等離子體法對其鈣含量進(jìn)行分析，脫鈣率的計(jì)算如下：

(1)

式中：Φ為脫鈣率；W0為靜電分離處理前減壓渣油中的鈣含量，μg/g；W1為靜電分離處理后減壓渣油中的鈣含量，μg/g。另外，采用尼康TS100F顯微系統(tǒng)觀察減壓渣油的微觀形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 流量對減壓渣油脫鈣效果的影響

試驗(yàn)條件：電壓為7 kV，溫度為160 ℃。考察流量對減壓渣油脫鈣效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 流量對減壓渣油脫鈣效果的影響

從圖1可以看出，當(dāng)流量<4 L/h時，隨著流量的增大，減壓渣油中的鈣含量基本不變，脫鈣率保持穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)流量>4 L/h時，隨著流量的增大，減壓渣油中的鈣含量急劇升高，脫鈣率迅速降低。在電場作用下，渣油中的金屬化合物、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)等極性物質(zhì)容易發(fā)生聚結(jié)和沉降，當(dāng)流量較大時，靜電分離時間過短，極性物質(zhì)容易被帶出裝置，造成脫鈣率下降。從原料處理量和處理效果綜合考慮，適宜的流量為4 L/h。

2.2 電壓對減壓渣油脫鈣效果的影響

試驗(yàn)條件：溫度為160 ℃，流量為4 L/h?？疾祀妷簩p壓渣油脫鈣效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 電壓對減壓渣油脫鈣效果的影響

從圖2可以看出，減壓渣油中的鈣含量隨著電壓的升高而降低，當(dāng)電壓>12 kV時，脫鈣率基本保持穩(wěn)定。提高電壓可以增大電場強(qiáng)度，加速金屬化合物的極化、聚結(jié)和吸附，提高脫金屬效果，但電壓過高，會導(dǎo)致耗電量增大，容易造成變壓器短路跳閘，不利于裝置的長期穩(wěn)定運(yùn)行。因此，基于脫鈣效果與裝置電耗的考慮，試驗(yàn)選用電壓12 kV進(jìn)行優(yōu)化操作。

2.3 溫度對減壓渣油脫鈣效果的影響

試驗(yàn)條件：電壓為12 kV，流量為4 L/h?？疾鞙囟葘p壓渣油脫鈣效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 溫度對減壓渣油脫鈣效果的影響

由圖3可見，隨著溫度的升高，減壓渣油中的鈣含量逐漸降低，當(dāng)溫度>200 ℃時，脫鈣效果保持穩(wěn)定狀態(tài)。提高溫度可以降低渣油的黏度，增加分子的熱運(yùn)動，減小金屬化合物的運(yùn)動阻力，有利于金屬化合物的聚結(jié)沉降，提高靜電分離效率。但溫度不能太高，溫度過高會增大渣油的飽和蒸氣壓和電導(dǎo)率，短路及電弧極易發(fā)生，致使電壓不穩(wěn)，電流增大，導(dǎo)致能耗增大。因此，從能耗和脫鈣效果綜合考慮，選擇適宜的溫度為200 ℃。

2.4 輕油對減壓渣油脫鈣效果的影響

試驗(yàn)條件：電壓為12 kV，流量為4 L/h，溫度為200 ℃?？疾燧p油對減壓渣油脫鈣效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。摻混輕油的比例以渣油的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)來進(jìn)行計(jì)量。

圖4 輕油摻入量對脫鈣效果的影響

從圖4可以看出，在靜電場作用下，隨著輕油摻入量的增加，減壓渣油中的鈣含量逐漸降低，脫鈣率呈上升趨勢，當(dāng)輕油摻入量增加到20%時，脫鈣率上升趨勢變緩。輕油的添加有助于提高減壓渣油的脫鈣效果，其原因在于：隨著輕油摻入量的增加，減壓渣油的黏度逐漸降低，金屬化合物的運(yùn)動阻力減小，更容易被脫除。但是當(dāng)輕油摻入量>20%后，減壓渣油中的鈣含量保持不變，脫鈣率趨于穩(wěn)定，繼續(xù)增大輕油摻入比例意義不大。從經(jīng)濟(jì)性及資源利用的有效性考慮，選擇合適的輕油摻入量為20%，并進(jìn)行優(yōu)化工藝試驗(yàn)。

2.5 綜合優(yōu)化試驗(yàn)

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果得出優(yōu)化工藝條件為：溫度200 ℃，電壓12 000 V，流量4 L/h，輕油摻入量20%。在該工藝條件下，進(jìn)行重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)，并對其他金屬的脫除效果進(jìn)行評價，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 綜合優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

綜合優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果表明：減壓渣油經(jīng)過靜電分離處理后，其鈣含量可降低至1.8 μg/g，脫鈣率高達(dá)92.50%，減壓渣油中的鎂、鐵含量顯著下降，鎳、釩等金屬含量也有一定程度的下降，減輕了渣油中的金屬等雜質(zhì)對后續(xù)裝置的不利影響。因此，針對減壓渣油中金屬的脫除，靜電分離法效果十分顯著。

2.6 減壓渣油微觀形貌觀察

采用尼康TS100F顯微系統(tǒng)對未施加電場以及電場施加中的減壓渣油進(jìn)行微觀形貌觀察，其微觀形貌分別見圖5和圖6。

圖5 未施加電場的減壓渣油微觀形貌

圖6 電場施加中的減壓渣油微觀形貌

對比圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)：未施加電場時，減壓渣油的體系比較穩(wěn)定，未出現(xiàn)極性物質(zhì)聚結(jié)與沉降現(xiàn)象；施加電場時，減壓渣油體系的穩(wěn)定性開始下降，出現(xiàn)大量極性物質(zhì)的聚結(jié)與沉降。在靜電分離器底部收集這些沉降物質(zhì)進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明，沉降物主要組成為瀝青質(zhì)、硫酸鹽、碳酸鹽和磺酸鹽等物質(zhì)。

相關(guān)研究表明，瀝青質(zhì)聚結(jié)沉降的發(fā)生，與石油膠體體系的穩(wěn)定性密切相關(guān)。一般認(rèn)為，分散介質(zhì)的黏度和芳香度、分散相瀝青質(zhì)的含量以及油樣的雜原子數(shù)量等都對石油膠體體系的穩(wěn)定性有著重要的影響。分散介質(zhì)的黏度和芳香度越大，瀝青質(zhì)含量越低，以及油樣中含有的雜原子越多, 體系中的膠體分散狀態(tài)越穩(wěn)定, 其中的瀝青質(zhì)越不容易聚結(jié)沉降。

因此，通過在減壓渣油中摻入輕油稀釋降低黏度，再結(jié)合靜電聚結(jié)的強(qiáng)化作用，可以改變膠體的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)瀝青質(zhì)的聚結(jié)沉積，并脫除減壓渣油中的金屬。

3 結(jié)論

采用自建的靜電分離試驗(yàn)裝置，開展了減壓渣油脫鈣技術(shù)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：在流量4 L/h，電壓12 000 V，溫度200 ℃，摻混輕油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的優(yōu)化工藝條件下，對減壓渣油進(jìn)行靜電分離處理，其鈣含量可降低至1.8 μg/g，脫鈣率高達(dá)92.50%，渣油中的鎂、鐵含量顯著下降，鎳、釩等金屬含量也有一定程度的下降，減輕了渣油中的金屬等雜質(zhì)對后續(xù)裝置的不利影響。