延遲焦化中段油回煉技術開發與工業應用

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2018年統計，位居世界首位的美國焦化加工能力為155.84Mt/a，國內延遲焦化產能為137.9Mt/a，位居全球第二位。其中，延遲焦化技術主要以美國為代表，Conoco-Phillips、Conoco-Bechtel、ABB-Lummus和Foster Wheeler等公司都有自身的延遲焦化技術，Conoco-Phillips公司的“餾分油循環”技術、Foster Wheeler公司的“可選擇收率”技術等都具有各自的特色[1]。目前中石化有36套焦化裝置，焦化設計加工能力46.3 Mt/a，實際加工能力43.09 Mt/a。

目前延遲焦化技術的發展方向主要是：加工更劣質原料，通過優化工藝操作參數和采用先進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率、縮短生焦周期提高處理量、餾分油循環改善產品分布、升級設備材質及完善順控和工藝聯鎖等措施，以保證裝置“安、穩、長、滿、優”的運行[2]。

國內某特大型煉化企業（以下簡稱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）。

2 理論研究

2.1 爐管結焦機理

因焦化裝置加工原料性質偏重，在加熱爐反應溫度約495℃環境下，長期運行不可避免地會導致爐管結焦現象，這也是限制裝置長周期運行的關鍵因素。

爐管結焦主要是重油縮合反應所致，生焦過程如圖1所示。其結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壁溫度及重油物性有關，管內壁溫度與最高油膜溫度及管內介質兩相流流型密切相關，而重油物性中膠質及瀝青質含量是評價原料結焦傾向的關鍵指標。焦炭脫落速率則受邊界層厚度及邊界層兩邊結焦前體物的濃度差有關[4]。因此，通過改善原料適度輕質化，增加介質汽化速度，以降低重油在管內的停留時間及熱轉化率，限制流動主體內結焦前體物的濃度，進而降低結焦因子，是限制爐管結焦速率的關鍵。

圖1 重油生焦的反應過程

2.2 中段油回煉研究

傳統的延遲焦化是新鮮原料和循環油（重蠟油）混合后作為加熱爐進料，循環油（重蠟油）摻煉量和新鮮原料的比例為循環比，循環比的不同直接改變了加熱爐進料的性質，加熱爐進料的性質的不同又影響著熱裂化反應的轉化率、產品性質和加熱爐爐管的結焦程度。

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

餾分油循環已經被證實是可以有效減緩焦化爐管結焦的手段。它的理論基礎是在加熱爐管內全部溫度梯度和壓力梯度范圍內，沿整個管長都有介質汽化，從而有效破壞油膜層，防止局部過熱和爐管結焦[5]。

分餾塔中段油組分介于柴油和蠟油之間，比循環油（重蠟油）的比重小、殘炭低，結焦因子較小，更不容易發生結焦反應，用中段油部分或全部代替循環油（重蠟油）摻煉到新鮮原料中作為加熱爐進料，對加工更劣質原料、減少爐管結焦和提高裝置液體收率、降低生焦率更為有利，將大大提高現有和新建裝置的經濟效益，這對提升國內延遲焦化技術經濟水平及裝置長周期運行有積極意義，該技術的成功將推動延遲焦化整體技術的發展。

3 中段油回煉工藝流程

為了實現中段油回煉工藝，YS公司延遲焦化裝置對中段油流程進行了改造，增加兩臺分餾塔中段回煉泵，位號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料，以詳細考察主要工藝操作條件和物料平衡以及爐管結焦狀況的變化。并根據不同比例的回煉量對液體收

率進行衡算，找出最優回煉比，最大程度的增加裝置經濟效益。

4 運行效果

2018年1月19日，焦化裝置對中段油回煉流程進行投用。通過前后數據對比，判斷中段油回煉對各產品收率的具體影響，便于為后續生產提供方向，提高裝置總液體收率，更好的提升技經指標，增加經濟效益。

4.1 原料性質

為了讓數據更具有可比性，此次中段油回煉前后，未進行污油回煉，保持原料組分相對穩定，并調取了近幾周的數據：回煉前一周1月12日至1月19日；回煉第一階段1月26日至2月2日，回煉量按15t/h控制（回煉比8.85%）；回煉第二階段2月16日至3月2日期間，原料平均殘炭值較回煉前近似，回煉量按10t/h控制（回煉比5.75%）；回煉第三階段4月3日至4月10日，回煉量按13t/h（回煉比按7.29%）。其中計算收率時，原料加工總量包括熱渣、油漿和瀝青，原料組成及殘炭平均值見下表：

表1 原料數據

4.2 工藝參數

工業試驗期間，涉及延遲焦化裝置分餾塔、加熱爐及焦炭塔相關工藝參數保持穩定控制，表2列出了該裝置相關工藝操作參數。

表2 延遲焦化裝置主要工藝操作參數

4.3 產品收率

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。各產品收率如表3所示。

表3 不同階段各產品收率變化

對比表3數據，可以得出以下結論：

（1）中段油回煉對提高汽油產率效果明顯。中段回煉比8.85%時，汽油收率增加0.85%。中段回煉比5.75%時，汽油收率增加1.18%。中段回煉比7.29%時，汽油收率增加0.67%。說明中段油回煉有利于發生裂化反應，增加輕質汽油收率。

（2）中段油回煉對降低焦炭收率效果明顯。中段回煉比8.85%時，焦炭收率較回煉前降低0.41%，中段回煉比5.75%時，焦炭收率較回煉前降低0.58%，中段回煉比7.29%時，焦炭收率較回煉前降低0.45%，且生焦系數在不同回煉比下均有下降。充分說明中段油回煉可改善加熱爐進料性質，降低原料結焦因子，焦炭收率顯著降低。

（3）中段油回煉能夠提升液體收率且有最優值。中段回煉比分別為8.85%、5.75%、7.29%時，液體收率分別增加0.53%、0.52%、0.07%，表明中段油回煉比與液體收率不具有嚴格的正反比關系，有最優值。且在回煉比為8.85%最高、殘碳23.95%最低時，生焦系數為1.337，說明中段油回煉比過高，循環比增加，提高二次縮合反應機率，不利于降低焦炭收率。

4.4 效益分析

下面對其回煉比下的效益進行計算，主要從產品增值效益、能耗增加成本兩個方面考慮（不考慮原料性質對產品分布的影響）。根據產品效益計算，中段油回煉比5.75%，增加液體收率0.52%，經濟效益最大。

（1）產品增值效益

中段油回煉比5.75%較回煉前干氣產率增加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%。產品價格按2018年1月單價計算，加工量按4200t/d計算，每年中段油回煉項目投用獲得的產品增值效益為：

（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：

中段油回煉后加熱爐瓦斯耗量增加0.127t/h。

0.127×24×365×1855＝206.4萬元/年

（3）實際效益

實際效益＝2828.8-33.3-206.4＝2589.1萬元。

5 結論

綜上所述，中段油回煉能夠顯著提升延遲焦化經濟技術指標，有利于裝置長周期運行。

（1）能夠改善產品分布，提高液體收率，尤其汽油收率增加較為明顯。

（2）回煉比過高時，增加二次縮合反應的機率，不利于降低焦炭收率，并不能使經濟效益最大化。

（3）根據裝置目前所采集的數據來看，中段油回煉比在5.75%至8.85%期間，回煉比按5.75%控制時，經濟效益最大，每年可增收創效約2589.1萬元。