高比例摻煉催化裂化油漿對(duì)延遲焦化裝置的影響

鄧遵安，蔡國(guó)晏，李 陽(yáng)

(1.中石油云南石化有限公司，昆明 650300；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

催化裂化作為我國(guó)重油裂化及石油二次加工最重要的手段，其低附加值副產(chǎn)物催化裂化油漿(催化油漿)的年產(chǎn)量超過(guò)了10 Mt[1]，催化油漿品質(zhì)也隨原油重質(zhì)化、劣質(zhì)化程度的加深而日益變差[2]。在國(guó)內(nèi)，催化油漿常作為燃料油調(diào)合油外賣，但隨著燃料油消費(fèi)稅的提高，油漿作為燃料油的市場(chǎng)需求逐漸萎縮[3]。延遲焦化是一種典型的重質(zhì)油熱轉(zhuǎn)化工藝，能夠?qū)⒘淤|(zhì)渣油轉(zhuǎn)化為高價(jià)值的輕質(zhì)產(chǎn)品及石油焦[4-5]，有效解決了劣質(zhì)渣油輕質(zhì)化的問(wèn)題。延遲焦化工藝對(duì)原料適應(yīng)性較強(qiáng)，可加工高硫、高金屬含量及高殘?zhí)康牧淤|(zhì)渣油[6]，因此，將催化油漿摻入延遲焦化反應(yīng)原料已經(jīng)成為近年來(lái)煉油廠關(guān)注的熱點(diǎn)。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)煉油廠延遲焦化裝置摻煉催化油漿的比例(w,下同)一般不超過(guò)25%，基本維持在4%～10%以內(nèi)[7-11]。中石油云南石化有限公司(以下簡(jiǎn)稱云南石化)延遲焦化裝置加工能力為1.2 Mt/a，采用“一爐兩塔”工藝，主要原料為減壓渣油和催化油漿，設(shè)計(jì)二者混合比例為75∶25，循環(huán)比為0.05，循環(huán)比可調(diào)范圍為0.05～0.2，主要產(chǎn)品有干氣、液化氣、汽油、柴油、蠟油及石油焦，其中干氣作為加熱爐燃料或并入燃料氣管網(wǎng)，液化氣并入管網(wǎng)，汽油、柴油、蠟油為下游裝置提供原料，石油焦是延遲焦化裝置唯一作為成品出廠的產(chǎn)品。在最大設(shè)計(jì)摻煉比下，云南石化延遲焦化裝置運(yùn)行穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

為進(jìn)一步解決催化油漿出路問(wèn)題，云南石化進(jìn)行了將催化油漿摻煉比例由25%逐步提升至29%的工業(yè)試驗(yàn)，摻煉周期為24個(gè)月，在優(yōu)化摻煉方案下，通過(guò)考察高比例摻煉對(duì)焦化裝置的產(chǎn)品分布、產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)裝置操作的影響，驗(yàn)證高比例摻煉催化油漿的可行性，以保證延遲焦化裝置長(zhǎng)周期、穩(wěn)定運(yùn)行。

1 焦化原料性質(zhì)

減壓渣油與催化油漿的主要性質(zhì)見(jiàn)表1。由表1可以看出，與減壓渣油的性質(zhì)相比，催化油漿具有密度高、黏度低、殘?zhí)康?、硫含量低及固含量較高的特點(diǎn)，其中催化油漿的硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.38%，固含量高達(dá)0.64%。從餾程上看，催化油漿的初餾點(diǎn)為262.2 ℃，538 ℃餾出體積分?jǐn)?shù)為88.0%，而減壓渣油初餾點(diǎn)為394.7 ℃，538 ℃餾出體積分?jǐn)?shù)僅為10.9%，即催化油漿的初餾點(diǎn)更低、餾程更窄。從族組成來(lái)看，催化油漿中芳香分質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)72.6%，明顯高于減壓渣油，飽和分含量略高于減壓渣油，而膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量均較減壓渣油低。催化油漿的主要成分是三環(huán)至五環(huán)的多環(huán)芳烴，具有稠環(huán)結(jié)構(gòu)的多環(huán)芳烴裂化性能較差，通常是生焦的前軀體，而油漿中小分子單環(huán)芳烴、雙環(huán)芳烴及飽和烴則是良好的裂化原料；但同時(shí)油漿中固含量較高，摻煉后不僅會(huì)造成換熱器堵塞、加熱爐爐管結(jié)焦，還會(huì)影響石油焦品質(zhì)[12]。因此，需要根據(jù)裝置連續(xù)運(yùn)行情況綜合考察催化油漿的摻煉比例。

表1 減壓渣油與催化油漿的主要性質(zhì)

2 催化油漿摻煉方案優(yōu)化

為延長(zhǎng)摻煉催化油漿后延遲焦化裝置的運(yùn)行周期，云南石化主要采取如下方案進(jìn)行優(yōu)化：

(1)為防止直接高比例摻煉油漿可能造成的換熱器堵塞、加熱爐爐管結(jié)焦問(wèn)題，催化油漿先經(jīng)過(guò)燒結(jié)金屬粉末過(guò)濾(過(guò)濾器濾芯為0.5 μm)預(yù)處理至油漿灰分小于0.05%后，再注入延遲焦化裝置進(jìn)料線，與減壓渣油按一定比例進(jìn)行混合。

(2)原料換熱系統(tǒng)采用螺旋折流板式換熱器，通過(guò)螺旋折流板的導(dǎo)流作用使原料油在殼程內(nèi)呈螺旋流動(dòng)，折流板附近幾乎不存在流動(dòng)死區(qū)，提高了換熱系數(shù)的同時(shí)，也減少了污垢沉積，熱阻穩(wěn)定，從而保證換熱器一直處于高效運(yùn)行狀態(tài)。

(3)加熱爐采用“四對(duì)流對(duì)四輻射”雙面輻射附墻燃燒梯形爐型，爐管壁厚由常規(guī)的8～10 mm提高至14 mm，使得爐管保持更加均勻、高效的表面熱強(qiáng)度，而且單對(duì)流對(duì)單輻射獨(dú)立設(shè)置，同時(shí)加熱爐能夠?qū)崿F(xiàn)在線機(jī)械清焦等。

(4)焦化塔采用溢流加浸泡冷焦工藝，防止反應(yīng)不徹底，冷焦時(shí)，前期溢流的含油、含硫化物水排至冷焦水除油罐除油及脫臭處理后，排入沉淀迷宮降溫后回用；后期冷焦及切焦水水質(zhì)較好，直接排入焦池，匯流至沉淀迷宮，通過(guò)自然蒸發(fā)降溫和沉淀除焦粉后循環(huán)使用。

(5)分餾塔脫過(guò)熱段采用蠟油外循環(huán)取熱兩級(jí)洗滌流程，采用較為清潔的蠟油作為脫過(guò)熱段介質(zhì)回流洗滌油，加強(qiáng)對(duì)高溫油氣洗滌，減少焦粉攜帶及脫過(guò)熱段結(jié)焦，實(shí)現(xiàn)循環(huán)比定值調(diào)節(jié)。

3 摻煉催化油漿對(duì)延遲焦化裝置的影響

3.1 對(duì)產(chǎn)品分布的影響

延遲焦化裝置摻煉不同比例催化油漿后，產(chǎn)物分布見(jiàn)表2。由表2可知：催化油漿摻煉比例由25%增加至29%時(shí)，柴油收率明顯升高，升高3.13百分點(diǎn)，石油焦收率降低2.05百分點(diǎn)，蠟油收率升高0.89百分點(diǎn)；同時(shí)干氣、液化氣和汽油收率有所降低。研究表明[13-14]，摻煉催化油漿會(huì)導(dǎo)致總液體收率下降，石油焦、蠟油收率升高；而本試驗(yàn)高比例摻煉催化油漿后，石油焦收率明顯下降，蠟油收率有所提高，輕油收率、總液體收率均有所升高。這可能是因?yàn)椋涸颇鲜拇呋蜐{中單環(huán)、雙環(huán)芳烴占比較多，導(dǎo)致高比例摻煉油漿后發(fā)生裂化反應(yīng)的比例大于縮合反應(yīng)；同時(shí)油漿中部分多環(huán)芳烴未發(fā)生縮合反應(yīng)就進(jìn)入分餾塔中直接汽化為柴油、蠟油組分被餾出，這與趙衛(wèi)東等[15]摻煉催化油漿時(shí)結(jié)論一致。

表2 摻煉不同比例催化油漿時(shí)的焦化產(chǎn)物分布

3.2 對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響

減壓渣油中高比例摻煉催化油漿不僅會(huì)影響延遲焦化裝置各產(chǎn)物的收率，還會(huì)影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。石油焦作為延遲焦化裝置唯一出廠的成品，其品質(zhì)隨催化油漿摻煉比例的變化情況見(jiàn)表3。由表3可知，催化油漿的摻煉比例由25%增加至29%時(shí)，延遲焦化所得石油焦的揮發(fā)分提高1.90百分點(diǎn)，灰分提高0.04百分點(diǎn)，硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低0.10百分點(diǎn)。石油焦中揮發(fā)分的增加是由于催化油漿中的芳烴部分裂解，導(dǎo)致殘留在石油焦中的輕組分增多。催化油漿經(jīng)過(guò)濾處理后，油漿中固含量明顯下降，再進(jìn)行高比例摻煉后，少量固體顆粒隨油漿進(jìn)入焦炭塔，沉積在石油焦中，致使石油焦灰分有所增加，但灰分對(duì)石油焦品質(zhì)影響不大。石油焦中硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低則是因?yàn)橛蜐{中硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.38%，遠(yuǎn)低于減壓渣油中的硫含量，在高比例摻煉下，一定程度上降低了延遲焦化原料的硫含量，進(jìn)而改善了石油焦品質(zhì)。但無(wú)論是否高比例摻煉催化油漿，最終得到的焦炭均為高硫石油焦(硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)3%)，達(dá)到企業(yè)4A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(Q/SH PRD 392—2015)，一般只能作為水泥廠和發(fā)電廠的燃料使用[4，16]。

表3 摻煉不同高比例催化油漿時(shí)的石油焦品質(zhì)對(duì)比

3.3 對(duì)裝置運(yùn)行的影響

減壓渣油中高比例摻煉催化油漿后對(duì)延遲焦化的影響不僅僅表現(xiàn)在產(chǎn)物上，還會(huì)對(duì)延遲焦化裝置運(yùn)行造成一定影響。高比例摻煉催化油漿時(shí)，延遲焦化裝置的關(guān)鍵操作參數(shù)見(jiàn)表4。加熱爐結(jié)焦主要通過(guò)爐管溫度及進(jìn)出口壓差判斷，由表4可知，摻煉催化油漿時(shí)，加熱爐出口溫度始終維持在495 ℃左右，進(jìn)出口壓差維持在1.00 MPa左右，這說(shuō)明在優(yōu)化方案下，高比例摻煉催化油漿時(shí)，加熱爐爐管無(wú)明顯結(jié)焦趨勢(shì)。同時(shí)，焦炭塔塔底入口溫度、塔頂出口溫度以及焦炭塔操作壓力基本無(wú)變化，這表明在優(yōu)化方案下，高比例摻煉催化油漿對(duì)焦炭塔的操作影響不大。然而，在除焦過(guò)程中發(fā)現(xiàn)石油焦明顯變硬，除焦用時(shí)明顯增多，通過(guò)降低下鉆速度和切距可以保證除焦過(guò)程的安全性。換熱器效率通過(guò)入分餾塔中混合原料溫度變化間接說(shuō)明，高比例摻煉過(guò)程中，入分餾塔混合原料溫度由298 ℃降至296 ℃，下降并不明顯，表明摻煉期間換熱器效率并無(wú)明顯變化，換熱器是否結(jié)垢需要在檢修時(shí)驗(yàn)證。催化油漿的摻煉比例由25%增加至29%時(shí)，循環(huán)比提高了0.085，這主要是因?yàn)樵龃笱h(huán)比可以改善加熱爐的進(jìn)料性質(zhì)，減緩加熱爐爐管結(jié)焦。

表4 不同摻煉比下裝置的關(guān)鍵操作參數(shù)

油漿高比例摻煉前12個(gè)月及摻煉后24個(gè)月，加熱爐進(jìn)料泵各處管線厚度變化見(jiàn)表5。由表5可知，高比例摻煉油漿后，加熱爐進(jìn)料泵各處管線腐蝕速率有所加大，但腐蝕速率均未超過(guò)0.30 mm/a，這表明高比例摻煉油漿時(shí)，加熱爐進(jìn)料泵各處管線在進(jìn)行正常檢修前，不會(huì)出現(xiàn)腐蝕停工問(wèn)題。

表5 高比例摻煉催化油漿前后焦化裝置加熱爐進(jìn)料泵管線厚度變化

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

采用公司內(nèi)部?jī)r(jià)格體系對(duì)焦化原料及主要產(chǎn)物進(jìn)行定價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表6。

根據(jù)表6中價(jià)格，按照表2中各產(chǎn)物收率計(jì)算出催化油漿在不同摻煉比下加工每噸原料產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)果表明，在未計(jì)入人工成本的情況下，催化油漿摻煉比由25%升高至29%時(shí)，延遲焦化裝置加工每噸原料產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益由168.0元提高至235.0元，提高了67.0元，提升明顯。因此，在保證生產(chǎn)裝置運(yùn)行穩(wěn)定的情況下，進(jìn)行高比例摻煉催化油漿不僅可以進(jìn)一步解決催化油漿出路問(wèn)題，還能顯著提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

表6 原料及主要產(chǎn)物價(jià)格 元/t

5 結(jié) 論

(1)與減壓渣油相比，催化油漿具有密度高、黏度低、殘?zhí)康汀⒘蚝康图肮毯枯^高的特點(diǎn)，而且油漿初餾點(diǎn)更低、餾程更窄，芳烴含量更高。

(2)焦化裝置高比例摻煉催化油漿，摻煉比例由25%提高至29%時(shí)，柴油、蠟油收率分別升高3.13百分點(diǎn)和0.89百分點(diǎn)，干氣、液化氣和汽油收率分別降低0.15百分點(diǎn)、0.65百分點(diǎn)和1.19百分點(diǎn)；石油焦收率降低2.05百分點(diǎn)，同時(shí)石油焦的揮發(fā)分、灰分分別提高1.90百分點(diǎn)和0.04百分點(diǎn)，硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低0.10百分點(diǎn)，摻煉前后石油焦均滿足企業(yè)4A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

(3)催化油漿摻煉比例由25%提高到29%時(shí)，延遲焦化裝置中加熱爐進(jìn)料泵管線腐蝕速率雖有所加大，但不會(huì)影響裝置正常運(yùn)行，加熱爐爐管結(jié)焦趨勢(shì)不明顯，換熱器影響程度可控，針對(duì)焦炭塔除焦時(shí)間延遲的問(wèn)題也可以得到有效解決，同時(shí)加工每噸原料產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益提高67.0元，表明在優(yōu)化方案下，高比例摻煉催化油漿具有可行性，可以進(jìn)一步解決企業(yè)催化油漿出路問(wèn)題，顯著提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。