延遲焦化中段油回?zé)捈夹g(shù)開發(fā)與工業(yè)應(yīng)用

王志偉

中國石化股份有限公司北京燕山分公司 北京 102500

1 前言

延遲焦化是煉油廠加工渣油提高輕油收率的主要手段。據(jù)2018年統(tǒng)計(jì)，位居世界首位的美國焦化加工能力為155.84Mt/a，國內(nèi)延遲焦化產(chǎn)能為137.9Mt/a，位居全球第二位。其中，延遲焦化技術(shù)主要以美國為代表，Conoco-Phillips、Conoco-Bechtel、ABB-Lummus和Foster Wheeler等公司都有自身的延遲焦化技術(shù)，Conoco-Phillips公司的“餾分油循環(huán)”技術(shù)、Foster Wheeler公司的“可選擇收率”技術(shù)等都具有各自的特色[1]。目前中石化有36套焦化裝置，焦化設(shè)計(jì)加工能力46.3 Mt/a，實(shí)際加工能力43.09 Mt/a。

目前延遲焦化技術(shù)的發(fā)展方向主要是：加工更劣質(zhì)原料，通過優(yōu)化工藝操作參數(shù)和采用先進(jìn)控制來提高高附加值的液體收率和降低低附加值的焦炭產(chǎn)率、縮短生焦周期提高處理量、餾分油循環(huán)改善產(chǎn)品分布、升級(jí)設(shè)備材質(zhì)及完善順控和工藝聯(lián)鎖等措施，以保證裝置“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”的運(yùn)行[2]。

國內(nèi)某特大型煉化企業(yè)（以下簡(jiǎn)稱YS公司）煉油加工能力10Mt/a，有一套1.4Mt/a延遲焦化裝置，采用“一爐兩塔”設(shè)置，主要原料為蒸餾減壓渣油、催化裝置油漿和丙烷脫瀝青裝置瀝青（于2020年3月停產(chǎn)）。

2 理論研究

2.1 爐管結(jié)焦機(jī)理

因焦化裝置加工原料性質(zhì)偏重，在加熱爐反應(yīng)溫度約495℃環(huán)境下，長期運(yùn)行不可避免地會(huì)導(dǎo)致爐管結(jié)焦現(xiàn)象，這也是限制裝置長周期運(yùn)行的關(guān)鍵因素。

爐管結(jié)焦主要是重油縮合反應(yīng)所致，生焦過程如圖1所示。其結(jié)焦速率為爐管焦炭生成速率與脫落速率之差[3]，其中爐管焦炭生成速率與管內(nèi)壁溫度及重油物性有關(guān)，管內(nèi)壁溫度與最高油膜溫度及管內(nèi)介質(zhì)兩相流流型密切相關(guān)，而重油物性中膠質(zhì)及瀝青質(zhì)含量是評(píng)價(jià)原料結(jié)焦傾向的關(guān)鍵指標(biāo)。焦炭脫落速率則受邊界層厚度及邊界層兩邊結(jié)焦前體物的濃度差有關(guān)[4]。因此，通過改善原料適度輕質(zhì)化，增加介質(zhì)汽化速度，以降低重油在管內(nèi)的停留時(shí)間及熱轉(zhuǎn)化率，限制流動(dòng)主體內(nèi)結(jié)焦前體物的濃度，進(jìn)而降低結(jié)焦因子，是限制爐管結(jié)焦速率的關(guān)鍵。

圖1 重油生焦的反應(yīng)過程

2.2 中段油回?zé)捬芯?/h3>

傳統(tǒng)的延遲焦化是新鮮原料和循環(huán)油（重蠟油）混合后作為加熱爐進(jìn)料，循環(huán)油（重蠟油）摻煉量和新鮮原料的比例為循環(huán)比，循環(huán)比的不同直接改變了加熱爐進(jìn)料的性質(zhì)，加熱爐進(jìn)料的性質(zhì)的不同又影響著熱裂化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)品性質(zhì)和加熱爐爐管的結(jié)焦程度。

目前YS公司延遲焦化采用重蠟油作為循環(huán)油，其性質(zhì)偏重，膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量高，且與焦炭塔高溫油氣洗滌換熱后易攜帶焦粉經(jīng)輻射泵進(jìn)入加熱爐，焦粉顆粒在爐管內(nèi)易形成結(jié)焦母體，在一定程度上加劇爐管結(jié)焦速率。

餾分油循環(huán)已經(jīng)被證實(shí)是可以有效減緩焦化爐管結(jié)焦的手段。它的理論基礎(chǔ)是在加熱爐管內(nèi)全部溫度梯度和壓力梯度范圍內(nèi)，沿整個(gè)管長都有介質(zhì)汽化，從而有效破壞油膜層，防止局部過熱和爐管結(jié)焦[5]。

分餾塔中段油組分介于柴油和蠟油之間，比循環(huán)油（重蠟油）的比重小、殘?zhí)康?，結(jié)焦因子較小，更不容易發(fā)生結(jié)焦反應(yīng)，用中段油部分或全部代替循環(huán)油（重蠟油）摻煉到新鮮原料中作為加熱爐進(jìn)料，對(duì)加工更劣質(zhì)原料、減少爐管結(jié)焦和提高裝置液體收率、降低生焦率更為有利，將大大提高現(xiàn)有和新建裝置的經(jīng)濟(jì)效益，這對(duì)提升國內(nèi)延遲焦化技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平及裝置長周期運(yùn)行有積極意義，該技術(shù)的成功將推動(dòng)延遲焦化整體技術(shù)的發(fā)展。

3 中段油回?zé)捁に嚵鞒?/h2>

為了實(shí)現(xiàn)中段油回?zé)捁に?，YS公司延遲焦化裝置對(duì)中段油流程進(jìn)行了改造，增加兩臺(tái)分餾塔中段回?zé)挶?，位?hào)P-2106/3、4，將中段油按不同的比例分一路或多路隨輻射泵出口原料充分混合送至加熱爐四路進(jìn)料，以詳細(xì)考察主要工藝操作條件和物料平衡以及爐管結(jié)焦?fàn)顩r的變化。并根據(jù)不同比例的回?zé)捔繉?duì)液體收

率進(jìn)行衡算，找出最優(yōu)回?zé)挶龋畲蟪潭鹊脑黾友b置經(jīng)濟(jì)效益。

4 運(yùn)行效果

2018年1月19日，焦化裝置對(duì)中段油回?zé)捔鞒踢M(jìn)行投用。通過前后數(shù)據(jù)對(duì)比，判斷中段油回?zé)拰?duì)各產(chǎn)品收率的具體影響，便于為后續(xù)生產(chǎn)提供方向，提高裝置總液體收率，更好的提升技經(jīng)指標(biāo)，增加經(jīng)濟(jì)效益。

4.1 原料性質(zhì)

為了讓數(shù)據(jù)更具有可比性，此次中段油回?zé)捛昂?，未進(jìn)行污油回?zé)?，保持原料組分相對(duì)穩(wěn)定，并調(diào)取了近幾周的數(shù)據(jù)：回?zé)捛耙恢?月12日至1月19日；回?zé)挼谝浑A段1月26日至2月2日，回?zé)捔堪?5t/h控制（回?zé)挶?.85%）；回?zé)挼诙A段2月16日至3月2日期間，原料平均殘?zhí)恐递^回?zé)捛敖?，回?zé)捔堪?0t/h控制（回?zé)挶?.75%）；回?zé)挼谌A段4月3日至4月10日，回?zé)捔堪?3t/h（回?zé)挶劝?.29%）。其中計(jì)算收率時(shí)，原料加工總量包括熱渣、油漿和瀝青，原料組成及殘?zhí)科骄狄娤卤恚?/p>

表1 原料數(shù)據(jù)

4.2 工藝參數(shù)

工業(yè)試驗(yàn)期間，涉及延遲焦化裝置分餾塔、加熱爐及焦炭塔相關(guān)工藝參數(shù)保持穩(wěn)定控制，表2列出了該裝置相關(guān)工藝操作參數(shù)。

表2 延遲焦化裝置主要工藝操作參數(shù)

4.3 產(chǎn)品收率

氣體收率為焦化干氣，液體收率包含焦化液化氣、汽油、柴油、蠟油及重蠟，固體收率即焦炭。各產(chǎn)品收率如表3所示。

表3 不同階段各產(chǎn)品收率變化

對(duì)比表3數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：

（1）中段油回?zé)拰?duì)提高汽油產(chǎn)率效果明顯。中段回?zé)挶?.85%時(shí)，汽油收率增加0.85%。中段回?zé)挶?.75%時(shí)，汽油收率增加1.18%。中段回?zé)挶?.29%時(shí)，汽油收率增加0.67%。說明中段油回?zé)捰欣诎l(fā)生裂化反應(yīng)，增加輕質(zhì)汽油收率。

（2）中段油回?zé)拰?duì)降低焦炭收率效果明顯。中段回?zé)挶?.85%時(shí)，焦炭收率較回?zé)捛敖档?.41%，中段回?zé)挶?.75%時(shí)，焦炭收率較回?zé)捛敖档?.58%，中段回?zé)挶?.29%時(shí)，焦炭收率較回?zé)捛敖档?.45%，且生焦系數(shù)在不同回?zé)挶认戮邢陆怠３浞终f明中段油回?zé)捒筛纳萍訜釥t進(jìn)料性質(zhì)，降低原料結(jié)焦因子，焦炭收率顯著降低。

（3）中段油回?zé)捘軌蛱嵘后w收率且有最優(yōu)值。中段回?zé)挶确謩e為8.85%、5.75%、7.29%時(shí)，液體收率分別增加0.53%、0.52%、0.07%，表明中段油回?zé)挶扰c液體收率不具有嚴(yán)格的正反比關(guān)系，有最優(yōu)值。且在回?zé)挶葹?.85%最高、殘?zhí)?3.95%最低時(shí)，生焦系數(shù)為1.337，說明中段油回?zé)挶冗^高，循環(huán)比增加，提高二次縮合反應(yīng)機(jī)率，不利于降低焦炭收率。

4.4 效益分析

下面對(duì)其回?zé)挶认碌男б孢M(jìn)行計(jì)算，主要從產(chǎn)品增值效益、能耗增加成本兩個(gè)方面考慮（不考慮原料性質(zhì)對(duì)產(chǎn)品分布的影響）。根據(jù)產(chǎn)品效益計(jì)算，中段油回?zé)挶?.75%，增加液體收率0.52%，經(jīng)濟(jì)效益最大。

（1）產(chǎn)品增值效益

中段油回?zé)挶?.75%較回?zé)捛案蓺猱a(chǎn)率增加0.06%，液化氣收率降低0.28%，汽油收率增加1.18%，柴油收率降低0.14%，蠟油收率降低0.07%，重蠟油收率降低0.17%，焦炭收率降低0.58%。產(chǎn)品價(jià)格按2018年1月單價(jià)計(jì)算，加工量按4200t/d計(jì)算，每年中段油回?zé)掜?xiàng)目投用獲得的產(chǎn)品增值效益為：

（4200×365×1822×0.06+4200×365×3644×1.18-4200×365×4118×0.28-4200×365×3280×0.14-4200×365×2733×0.07-4200×365×2733×0.17-4200×365×510×0.58）/100

＝2828.8萬元/年

（2）能耗增加成本

能耗增加成本主要包括電耗和加熱爐瓦斯消耗。

電耗增加成本：

50.8×24×365×0.7475＝33.3萬元/年

瓦斯增加成本：

中段油回?zé)捄蠹訜釥t瓦斯耗量增加0.127t/h。

0.127×24×365×1855＝206.4萬元/年

（3）實(shí)際效益

實(shí)際效益＝2828.8-33.3-206.4＝2589.1萬元。

5 結(jié)論

綜上所述，中段油回?zé)捘軌蝻@著提升延遲焦化經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，有利于裝置長周期運(yùn)行。

（1）能夠改善產(chǎn)品分布，提高液體收率，尤其汽油收率增加較為明顯。

（2）回?zé)挶冗^高時(shí)，增加二次縮合反應(yīng)的機(jī)率，不利于降低焦炭收率，并不能使經(jīng)濟(jì)效益最大化。

（3）根據(jù)裝置目前所采集的數(shù)據(jù)來看，中段油回?zé)挶仍?.75%至8.85%期間，回?zé)挶劝?.75%控制時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益最大，每年可增收創(chuàng)效約2589.1萬元。