延遲焦化裝置加工催化裂化油漿的新技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用

丁書(shū)文，曹孫輝，周雨澤，黨建軍，李出和，李晉樓

(1.中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086；2.中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司)

催化裂化是重質(zhì)油輕質(zhì)化的重要二次加工手段，是生產(chǎn)液化氣和高辛烷值汽油的主要裝置。近年來(lái)，多產(chǎn)丙烯和輕芳烴的催化裂解技術(shù)越來(lái)越多地實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用[1-2]。無(wú)論是催化裂化裝置，還是催化裂解裝置，外甩一部分油漿都是改善裝置工況的最佳手段，油漿外甩量一般為裝置處理量的3%～10%[3]。

在催化裂化油漿(簡(jiǎn)稱催化油漿)的處理方式上，將油漿作為燃料油外售的經(jīng)濟(jì)效益很差，而針狀焦生產(chǎn)技術(shù)僅有少數(shù)幾家企業(yè)掌握，還未廣泛應(yīng)用，故目前國(guó)內(nèi)大部分煉油廠都選擇將催化油漿作為延遲焦化裝置的原料與渣油混合加工[4]。

常規(guī)的延遲焦化裝置加工催化油漿工藝是將催化油漿直接與減壓渣油混合，然后送入延遲焦化裝置，經(jīng)過(guò)換熱器、分餾塔、輻射泵、加熱爐等，最后進(jìn)入焦炭塔發(fā)生反應(yīng)。由于催化油漿含有催化裂化催化劑固體顆粒，故這種加工方式易引起換熱器結(jié)垢、加熱爐進(jìn)料流控閥沖刷腐蝕、泵的葉輪磨損、爐管結(jié)焦加速等問(wèn)題[5-8]。

1 新技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 催化油漿性質(zhì)

催化油漿與減壓渣油的主要性質(zhì)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 催化油漿與減壓渣油的主要性質(zhì)對(duì)比

由表1可見(jiàn)：催化油漿的密度比減壓渣油大；芳香分質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到59.7%，是減壓渣油的1.56倍；膠質(zhì)和瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)總和為24.7%，比減壓渣油??；催化劑固體顆粒含量(簡(jiǎn)稱固含量)達(dá)到2.5 gL，在國(guó)內(nèi)屬于中等水平。

1.2 工藝流程

新技術(shù)的工藝流程如圖1所示。來(lái)自罐區(qū)的催化油漿進(jìn)入油漿緩沖罐緩沖，之后用油漿進(jìn)料泵增壓至1.8 MPa左右，然后送至單獨(dú)的油漿加熱爐，被加熱至反應(yīng)溫度后分為兩路，分別與來(lái)自原裝置兩臺(tái)渣油加熱爐的高溫渣油匯合，再分別經(jīng)兩個(gè)四通閥后一起進(jìn)入焦炭塔發(fā)生反應(yīng)，生成焦炭、蠟油、汽柴油和氣體等產(chǎn)品?？紤]系統(tǒng)的開(kāi)停工，配置部分退油至放空塔的流程。

圖1 油漿單獨(dú)加熱流程示意

1.3 技術(shù)特點(diǎn)

由于催化油漿的密度大、硫含量高、固含量高，在高溫狀態(tài)下易縮合結(jié)焦，故新技術(shù)采取多項(xiàng)針對(duì)性特殊設(shè)計(jì)來(lái)保證系統(tǒng)的長(zhǎng)周期運(yùn)行。這些特殊設(shè)計(jì)包括：①油漿進(jìn)料泵選用小流量、高揚(yáng)程離心泵，過(guò)流部件選用高等級(jí)耐磨耐腐蝕材質(zhì)，可減緩油漿對(duì)進(jìn)料泵的沖刷腐蝕。②油漿加熱爐輻射爐管采用大半徑回彎彎管，爐管呈跑道型螺旋布置，可避免爐管彎頭被沖刷磨蝕；油漿加熱爐設(shè)置兩點(diǎn)注汽提高爐管內(nèi)的介質(zhì)流速，減緩爐管結(jié)焦；配置水汽變溫清焦流程，可在不停爐的情況下實(shí)現(xiàn)在線剝焦。③油漿加熱爐出口采用球閥和閘閥雙閥隔離，閥門(mén)配置汽封線防止結(jié)焦。④閘閥選用耐高溫、耐沖刷、帶剪切功能的特殊閘閥，可確保在管道結(jié)焦的情況下仍能關(guān)閉閥門(mén)。

2 新技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用

2.1 主要參數(shù)

系統(tǒng)的操作參數(shù)按設(shè)計(jì)值控制，后續(xù)可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行微調(diào)和優(yōu)化。主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。由表2可知，催化油漿的入爐溫度較低，僅有95 ℃，而其在油漿加熱爐對(duì)流段出口處的溫度也僅有220 ℃，油漿在對(duì)流管內(nèi)不會(huì)發(fā)生反應(yīng)，故在對(duì)流段入口沒(méi)有注汽，入爐壓力因此也只有1.67 MPa，低于常規(guī)焦化加熱爐的入爐壓力。考慮催化油漿的入爐溫度低，在爐管內(nèi)加熱、停留時(shí)間長(zhǎng)，為減緩結(jié)焦，將注汽量占進(jìn)料量比例提高至3%，高于常規(guī)焦化加熱爐的注汽比例。

表2 油漿加熱爐系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 產(chǎn)品分布

催化油漿投料前后(不加工油漿工況和加工油漿工況)，焦化裝置原料和產(chǎn)品流量及產(chǎn)品分布變化情況對(duì)比見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)：加工催化油漿后，焦化裝置各產(chǎn)品的產(chǎn)量均增加，在渣油原料量和反應(yīng)條件不變的前提下，這部分增量即為催化油漿轉(zhuǎn)化所得；產(chǎn)品分布變化上，干氣產(chǎn)率增大0.20百分點(diǎn)，液化氣收率減小0.18百分點(diǎn)，汽柴油收率減小3.09百分點(diǎn)，蠟油收率增大0.98百分點(diǎn)，而焦炭產(chǎn)率增大得最多，增加了2.10百分點(diǎn)。這些變化符合催化油漿的性質(zhì)特征，油漿中多環(huán)芳烴含量高，這些芳烴很難裂解，部分汽化進(jìn)入蠟油，部分受熱縮合生成焦炭，故焦炭和蠟油產(chǎn)率的增量較大。

表3 加工油漿前后的原料和產(chǎn)品流量以及產(chǎn)品分布

2.3 產(chǎn)品性質(zhì)

催化油漿投料前后，焦化裝置的干氣、液化氣、汽油、柴油、蠟油和石油焦產(chǎn)品的組成和性質(zhì)對(duì)比分別見(jiàn)表4～表9。由表4～表9可見(jiàn)：用新技術(shù)加工催化油漿后，焦化產(chǎn)品中的干氣、液化氣、汽油、柴油的性質(zhì)變化不大；蠟油的密度(20 ℃)增大0.013 5 gcm3，初餾點(diǎn)增大15 ℃，終餾點(diǎn)增大12 ℃，蠟油略微變重，但不影響下游裝置的運(yùn)行；石油焦的性質(zhì)變化不大，其中灰分增加0.03%，仍符合2B焦的質(zhì)量要求，不影響產(chǎn)品外售。蠟油變重的主要原因是部分多環(huán)芳烴汽化進(jìn)入蠟油，導(dǎo)致蠟油的平均相對(duì)分子質(zhì)量增加。

表4 加工油漿前后焦化干氣組成對(duì)比 φ，%

表5 加工油漿前后焦化液化氣組成對(duì)比 φ，%

表6 加工油漿前后焦化汽油性質(zhì)對(duì)比

表7 加工油漿前后焦化柴油性質(zhì)對(duì)比

由表4～表9還可以看出，在加工催化油漿后，焦化裝置的液體產(chǎn)品和石油焦的硫含量均降低，主要原因?yàn)榛葜菔诖呋鸦b置的原料是渣油加氫裝置的加氫重油，已經(jīng)在加氫反應(yīng)中脫除了大部分硫化物，使得催化油漿的硫含量比減壓渣油低，故在加工催化油漿后，除氣體外，焦化裝置其他產(chǎn)品的硫含量都有一定幅度下降。

表8 加工油漿前后焦化蠟油性質(zhì)對(duì)比

表9 加工油漿前后石油焦性質(zhì)對(duì)比

2.4 動(dòng)力消耗

該技術(shù)主要新增的設(shè)備包括一臺(tái)油漿加熱爐、兩臺(tái)油漿進(jìn)料泵和12臺(tái)特閥。系統(tǒng)投料催化油漿后，新增的動(dòng)力和公用工程消耗見(jiàn)表10。由表10可見(jiàn)：油漿加熱爐爐管注入中壓蒸汽，加工油漿后氣體收率增加、壓縮機(jī)負(fù)荷增加導(dǎo)致中壓蒸汽耗量增加，故3.5 MPa中壓蒸汽消耗量增加2.25 th；特閥注入密封蒸汽，系統(tǒng)管線設(shè)置伴熱線，故1.0 MPa低壓蒸汽消耗量增加2.40 th；加熱爐消耗燃料氣，燃料氣消耗量增加0.78 th；油漿進(jìn)料泵和加熱爐的鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)均設(shè)置循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，故循環(huán)水消耗量增加64 th；油漿泵、鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)和照明均耗電，使電耗增加357 kW。

表10 油漿系統(tǒng)動(dòng)力消耗增加量

2.5 長(zhǎng)周期運(yùn)行情況

催化油漿摻煉系統(tǒng)于2019年10月22日投料開(kāi)工，至2020年7月底已平穩(wěn)運(yùn)行近9個(gè)月。在油漿加工量穩(wěn)定在25～30 th、油漿加熱爐出口溫度恒定為500 ℃的情況下，油漿加熱爐爐管最高管壁溫度的變化趨勢(shì)如圖2所示，系統(tǒng)壓降(入爐壓力與出口電動(dòng)球閥處壓力差)的變化趨勢(shì)如圖3所示。

圖2 油漿加熱爐最高管壁溫度變化趨勢(shì)

圖3 油漿摻煉系統(tǒng)的壓降變化趨勢(shì)

由圖2可見(jiàn)，近9個(gè)月的運(yùn)行期內(nèi)，爐管的最高管壁溫度僅微微上漲，最大值僅為524 ℃，證明爐管幾乎沒(méi)有結(jié)焦。由圖3可見(jiàn)，運(yùn)行近9個(gè)月時(shí)，系統(tǒng)壓降由開(kāi)工時(shí)的0.77 MPa上漲至0.96 MPa，分析認(rèn)為是在爐出口轉(zhuǎn)油線變徑處有微量結(jié)焦，需在停爐檢修時(shí)檢查、清焦。另外，進(jìn)料流控閥、進(jìn)料泵等部位未發(fā)現(xiàn)有磨蝕的跡象。

2.6 經(jīng)濟(jì)效益

催化油漿經(jīng)加熱、反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成各焦化產(chǎn)品，按照內(nèi)部測(cè)算價(jià)格，經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表11。由表11可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)加工，催化油漿轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品后，總價(jià)值約為2 006元t。

在該系統(tǒng)投料開(kāi)工前，油漿全部作為燃料油外售，燃料油的單價(jià)為1 315元t。加工每噸油漿消耗的動(dòng)力和公用工程費(fèi)用為159元，折舊費(fèi)、人工成本、維修費(fèi)等合計(jì)為72元，故加工每噸油漿增加的效益為460元。按惠州石化每年產(chǎn)生220 kt催化油漿計(jì)算，則每年可增加效益10 120萬(wàn)元。

表11 油漿轉(zhuǎn)化成焦化產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益核算

2.7 靈活性討論

該技術(shù)在設(shè)計(jì)階段即在如下4個(gè)方面充分考慮了操作靈活性的問(wèn)題：①加熱的爐管外徑為Φ127 mm，最大處理能力可以達(dá)到50 th；②進(jìn)料緩沖罐設(shè)計(jì)為壓力容器，頂部壓力可控，不凝氣送至放空塔回收；③燃燒器選用超低氮高效燃燒器，操作彈性大；④系統(tǒng)可以隨時(shí)切除檢修，不影響原裝置的正常運(yùn)行。因此，系統(tǒng)操作具有如下靈活性：①根據(jù)全廠物料平衡需求，可將煉油廠污油、含硫溶劑油、廢機(jī)油等劣質(zhì)物料送至該系統(tǒng)加工，從而解決這些物料的出路問(wèn)題，提高煉油廠經(jīng)濟(jì)效益。②根據(jù)中試結(jié)果[10]，若將油漿加熱爐出口溫度提高至550 ℃，由于焦炭塔內(nèi)的反應(yīng)深度增加，焦化輕油收率能增加0.79百分點(diǎn)，裝置效益將得到進(jìn)一步提升。故可以結(jié)合加熱爐運(yùn)行狀況，將爐出口溫度適當(dāng)提高，由此獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。③在油漿過(guò)濾和預(yù)處理技術(shù)成熟后，在該技術(shù)的基礎(chǔ)上新建兩臺(tái)焦炭塔，即可轉(zhuǎn)型生產(chǎn)針狀焦，效益潛力可觀。

3 結(jié) 論

(1)延遲焦化裝置加工催化油漿的新技術(shù)采用油漿單獨(dú)加熱、爐后混煉的方式，可避免常規(guī)的加工油漿方式對(duì)焦化裝置產(chǎn)生的不利影響。該技術(shù)實(shí)施多項(xiàng)針對(duì)性特殊設(shè)計(jì)，可有效保證系統(tǒng)的長(zhǎng)周期運(yùn)行，截至2020年7月底已在惠州石化4.20 Mta延遲焦化裝置工業(yè)應(yīng)用9個(gè)月。

(2)應(yīng)用該技術(shù)加工催化油漿后，液化氣收率降低0.18百分點(diǎn)，汽柴油收率降低3.09百分點(diǎn)，蠟油收率增大0.98百分點(diǎn)，焦炭收率增大2.10百分點(diǎn)；焦化干氣、液化氣、汽油、柴油性質(zhì)無(wú)明顯變化；焦化蠟油密度(20 ℃)增大0.013 5 gcm3，石油焦灰分增大0.03%，但不影響下游裝置運(yùn)行和產(chǎn)品銷(xiāo)售。相比于作為燃料油外售，每年可增加效益10 120萬(wàn)元。

(3)該技術(shù)具有較高的操作靈活性，可根據(jù)需求摻煉其他物料、控制加熱爐出口溫度在更高值，從而獲取更大的經(jīng)濟(jì)效益。