催化裂化柴油選擇性加氫裂化生產高辛烷值汽油或輕質芳烴原料的RLG技術開發(fā)和應用

許雙辰，任 亮，楊 平，胡志海，嚴張艷，王錦業(yè)

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

催化裂化柴油(LCO)是催化裂化裝置的主要產品之一，約占我國柴油池的25%，具有硫、氮含量高、多環(huán)芳烴含量較高、十六烷值低的特點。為解決環(huán)境污染問題，環(huán)保法規(guī)日益嚴格，油品質量升級加速推進，低硫、低芳烴、低密度和高十六烷值成為柴油質量升級的趨勢[1]。與此同時，隨著我國煉油行業(yè)發(fā)展進入新時代，煉油能力過剩問題凸顯，成品油消費結構發(fā)生巨大變化，突出表現為消費柴汽比大幅降低，如2012年時成品油消費柴汽比為1.97∶1，至2019年時降低至1.05∶1，柴汽比的降低對企業(yè)產品結構調整提出了更高的要求[2]。如何實現柴油的高值化、清潔化利用成為煉化企業(yè)面臨的重大難題之一。

為助力煉化企業(yè)油品質量升級、降低柴汽比、多產芳烴原料，中國石化石油化工科學研究院(簡稱石科院)開發(fā)了LCO選擇性加氫裂化生產高辛烷值汽油或輕質芳烴原料(苯、甲苯、二甲苯)技術(簡稱RLG技術)。該技術擴展了芳烴生產單元的原料來源，以較低的成本、較短的加工流程生產高附加值產品，緩解煉油企業(yè)劣質LCO出廠困難問題，同時提高企業(yè)經濟效益[3]。以下介紹兩代RLG技術的開發(fā)和應用情況。

1 RLG技術開發(fā)思路

1.1 LCO烴類組成特點

不同煉油廠的3種典型LCO(分別記作LCO-A，LCO-B，LCO-C)的族組成分析結果見表1。由表1可以看出：3種LCO中的芳烴質量分數均高達78%以上；其中，雙環(huán)芳烴含量最高，質量分數在43%以上，其次為單環(huán)芳烴，此外還有少部分三環(huán)芳烴。與國Ⅵ車用柴油標準[4]相比，LCO的組成與清潔柴油要求的低多環(huán)芳烴含量存在較大的矛盾。

表1 典型LCO的族組成 w，%

LCO的常規(guī)加工方法為加氫精制和加氫改質生產清潔柴油調合組分，這兩種技術將LCO中的芳烴加氫轉化生成高十六烷值組分，存在產品柴油密度降低幅度有限、十六烷值提高幅度不足或達到產品密度、十六烷值要求時化學氫耗較高等問題[5]。結合LCO的組成特點，RLG技術的開發(fā)目標為將LCO中的大分子芳烴加氫轉化為高辛烷值汽油組分或輕質芳烴原料，從而實現LCO大分子芳烴的高效利用與轉化。

1.2 汽油餾分中高辛烷值組分的烴類組成特點

表2為汽油餾分中幾種典型芳烴的結構和研究法辛烷值(RON)數據[6]。由表2可知，汽油餾分中小分子的芳烴(苯、甲苯、二甲苯和乙苯)具有較高的RON，結合RLG技術的開發(fā)目標，LCO選擇性加氫裂化生產高辛烷值汽油的關鍵是盡可能將LCO中的大分子芳烴轉化為小分子的芳烴。

表2 汽油餾分中典型芳烴的結構和RON

1.3 RLG技術化學反應過程分析

圖1為雙環(huán)芳烴加氫裂化反應過程示意。由圖1可知，對于萘類等雙環(huán)芳烴，加氫裂化過程中涉及加氫飽和、選擇性開環(huán)及斷側鏈等過程，同時四氫萘、大分子烷基苯以及小分子烷基苯會繼續(xù)加氫飽和。圖2為單環(huán)芳烴加氫裂化反應過程示意。由圖2可知，單環(huán)芳烴加氫裂化同樣涉及選擇性斷側鏈、加氫飽和等過程。

圖1 雙環(huán)芳烴加氫裂化反應過程示意

圖2 單環(huán)芳烴加氫裂化反應過程示意

結合圖1與圖2可知，在LCO加氫裂化過程中，要得到更多的小分子芳烴，同時保持較低的氫耗，關鍵在于控制好芳烴轉化路徑，即：控制加氫精制反應段中芳烴加氫飽和程度適中，促進裂化反應段中四氫萘類單環(huán)芳烴的選擇性開環(huán)，促進烷基苯類單環(huán)芳烴的脫烷基，同時盡可能避免大分子或小分子單環(huán)芳烴發(fā)生過飽和反應。

2 RLG技術工藝條件的考察

以取自國內某煉油廠的LCO(記作LCO-D)為原料，采用石科院開發(fā)的加氫精制劑RN-411/加氫裂化劑RHC-100組合，在250 mL中型固定床加氫裝置上考察氫分壓、反應溫度、氫油比和空速對RLG技術反應效果的影響。LCO-D的主要性質和組成如表3所示。

表3 LCO-D的性質及組成

2.1 氫分壓的影響

在精制段反應溫度為360 ℃、裂化段反應溫度為400 ℃、精制段入口氫油體積比為800、總體積空速為1.0 h-1的條件下，考察系統(tǒng)入口氫分壓對RLG產品收率及性質的影響，結果見表4。

表4 系統(tǒng)入口氫分壓對產品收率及性質的影響

由表4可以看出：系統(tǒng)氫分壓由基準提高到(基準+2.0)MPa，重汽油產品(85～205 ℃餾分)的收率由26.29%提高到38.32%，RON由94.0降低至90.9，降低了3.1；柴油產品(大于205 ℃餾分)的收率由71.33%降低到55.79%，密度(20 ℃)由911.0 kg/m3降低至897.2 kg/m3，十六烷指數由26.9提高至34.1，提高了7.2?？梢?，提高系統(tǒng)氫分壓可以提高重汽油收率和柴油的十六烷指數，但重汽油的RON會降低。因此在考察范圍內，兼顧重汽油收率及RON，系統(tǒng)氫分壓宜選擇為(基準+1.0)MPa。

2.2 裂化反應溫度的影響

在系統(tǒng)氫分壓為(基準+1.0)MPa、精制段反應溫度為360 ℃、精制反應器入口氫油體積比為800、總體積空速為1.0 h-1的條件下，考察裂化段反應溫度對RLG產品收率及性質的影響，結果見表5。

由表5可以看出：裂化反應溫度由380 ℃提高到400 ℃，重汽油產品的收率由27.5%提高到36.0%，RON由92.0提高至96.3，提高了4.3；柴油產品的收率由69.10%降低到58.40%，密度(20 ℃)由907.9 kg/m3降低到899.2 kg/m3，十六烷指數由29.3提高至31.0，提高了1.4?？梢姡岣吡鸦畏磻獪囟瓤梢蕴岣咧仄褪章?、RON以及柴油十六烷指數。兼顧重汽油收率及重汽油RON，在考察范圍內該技術較優(yōu)的裂化反應溫度為400 ℃。

表5 裂化段反應溫度對產品收率及性質的影響

2.3 氫油比的影響

在系統(tǒng)氫分壓為(基準+1.0)MPa、精制段反應溫度為370 ℃、裂化段反應溫度為400 ℃、總體積空速為1.0 h-1的條件下，考察精制段入口氫油比對RLG產品收率及性質的影響，結果見表6。

表6 精制段入口氫油比對產品收率及性質的影響

由表6可知：精制反應器入口氫油體積比由500提高到1 100，重汽油產品的收率由19.4%提高到28.9%；柴油產品的收率由77.0%降低到65.5%；重汽油產品的RON由91.6提高至94.0，提高了2.4；柴油產品的密度(20 ℃)由915.3 kg/m3降低到902.8 kg/m3，十六烷指數由27.0提高至29.0，提高了2.0?？梢?，提高反應氫油比可以在提高重汽油收率的同時提高重汽油的RON和柴油的十六烷指數。在本課題中，選擇800以上的氫油體積比，即可使重汽油RON達到92以上。

2.4 空速的影響

在系統(tǒng)氫分壓為(基準+1.0)MPa、精制段反應溫度為370 ℃、裂化段反應溫度為400 ℃、精制段入口氫油體積比為800的條件下，考察空速對RLG產品收率及性質的影響，結果見表7。

表7 總體積空速對產品收率及性質的影響

由表7可以看出：當總體積空速由1.0 h-1降低至0.8 h-1時，重汽油產品的收率由27.20%增加至30.89%，柴油產品的收率由67.33%降低至63.00%；重汽油產品的RON由93.4降低至92.3，下降了1.1；柴油產品的密度(20 ℃)由904.4 kg/m3降低到900.7 kg/m3，十六烷指數由28.5提高至29.8，提高了1.3。降低空速有利于提高重汽油收率和柴油產品十六烷指數，但不利于重汽油產品RON的提高?？疾旆秶鷥?，總體積空速為0.8 h-1時可兼顧重汽油收率和RON，為適宜的空速。

RLG技術工藝條件考察結果表明：在考察范圍內，適宜的系統(tǒng)氫分壓為(基準+1.0)MPa，裂化反應溫度為400 ℃，氫油體積比為800以上，總體積空速為0.8 h-1。

在工藝條件考察的基礎上，張毓瑩等[5]研究了RLG技術的原料油適應性及運轉穩(wěn)定性，結果表明采用RLG技術及配套催化劑加工各種劣質LCO均可以生產高辛烷值汽油調合組分，且運轉穩(wěn)定性良好。

3 第一代RLG技術的工業(yè)應用

第一代RLG技術分別于2017年12月和2017年7月在中國石化安慶分公司(簡稱安慶分公司)和中國石化上海石油化工股份有限公司(簡稱上海石化)進行了工業(yè)應用。

3.1 在安慶分公司的工業(yè)應用

安慶分公司新建的1.0 Mt/a RLG裝置以LCO為原料生產高辛烷值汽油調合組分，同時兼顧生產低硫柴油調合組分。于2018年5月對裝置進行了技術標定，結果見表8和表9。

表8 安慶分公司RLG裝置標定期間的原料和產品性質

表9 安慶分公司RLG裝置標定期間的物料平衡數據 w，%

由表8可以看出，安慶分公司RLG裝置以密度(20 ℃)為928.1 kg/m3的LCO為原料，可生產硫質量分數為0.4 μg/g、RON為92.0的高辛烷值汽油調合組分，同時柴油產品的十六烷指數較原料LCO提高了13.3。由表9可見，安慶分公司RLG裝置標定期間的化學氫耗(w)為2.94%，汽油收率為48.03%，其中富含苯的C6餾分收率為6.21%，抽出富含苯的C6餾分后的穩(wěn)定汽油收率為41.82%，柴油收率為49.43%。此外，RLG裝置投產后，安慶分公司全廠柴汽比由1.03降低至0.74，企業(yè)實現全面生產車用柴油[7]。RLG裝置自2018年1月1日至2019年6月的累計經濟效益為2.61 億元，年均經濟效益為1.74 億元，每噸LCO原料的經濟效益為219 元[8]。

3.2 在上海石化的工業(yè)應用

上海石化對改造的0.65 Mt/a RLG裝置于2017年9月進行了技術標定，結果見表10和表11。

表10 上海石化RLG裝置標定期間的原料和產品性質

表11 上海石化RLG裝置標定期間的物料平衡數據 w，%

由表10可以看出，上海石化RLG裝置以密度(20 ℃)為944.2 kg/m3的LCO為原料，可生產硫質量分數為1.3 μg/g、RON為94.3的高辛烷值汽油調合組分，同時柴油產品的十六烷指數較原料LCO提高了8.6。由表11可見，上海石化RLG裝置標定期間的化學氫耗(w)為3.49%，汽油收率為43.48%，其中輕汽油收率為2.17%，重汽油收率為41.31%，柴油收率為49.71%。此外，RLG裝置投產后，按100%工況計算，年效益為5 364.68萬元，加工LCO測算效益為83.03 元/t[9]。

4 RLG-Ⅱ技術的研發(fā)進展

雖然第一代RLG技術在上海石化和安慶分公司進行了工業(yè)應用，但未完全實現LCO的高轉化率或全轉化。對催化裂化裝置規(guī)模大的煉油廠來說，未轉化的LCO不能全部調入柴油池中，全廠生產國Ⅴ標準以上的柴油產品仍有困難。針對這些問題，石科院在第一代RLG技術的基礎上，通過開發(fā)新的加氫裂化催化劑RHC-100B、優(yōu)化催化劑級配以及優(yōu)化工藝流程，提高大分子芳烴轉化為苯、甲苯、二甲苯的選擇性和轉化率，延長催化劑操作周期，完成了RLG-Ⅱ技術的開發(fā)。

為考察RLG-Ⅱ技術對不同LCO的適應性，在中型試驗裝置上以來自5個不同煉油廠的LCO為原料油(分別記作LCO-E，LCO-F，LCO-G，LCO-H，LCO-I)進行了試驗。5種原料油的組成和性質見表12。

試驗采用LCO加氫轉化產品中輕柴油(205～250 ℃餾分段柴油)循環(huán)流程或一次通過流程，5組原料油適應性試驗的汽油收率、汽油辛烷值、柴油十六烷值結果如表13所示。其中，輕柴油循環(huán)比為0的試驗采用的是一次通過流程。

由表12和表13可知，RLG-Ⅱ技術加工不同密度、氮含量、芳烴含量的LCO原料時，在產品輕柴油循環(huán)或一次通過條件下，均可生產得到收率大于62.39%的汽油產品，且汽油產品的RON均在93.5以上，柴油產品的十六烷指數為34.1～50.8、硫質量分數均小于10 μg/g。上述結果表明，RLG-Ⅱ技術對各類型的LCO具有良好的適應性，可以得到高收率、高辛烷值的汽油及低硫、低氮的清潔柴油。

表12 5種LCO原料油的組成和性質

表13 RLG-Ⅱ工藝原料油適應性試驗工藝參數及全餾分性質

5 結 論

(1)在固定床加氫試驗裝置上研究了工藝條件對RLG產品收率及產品性質的影響，結果表明；提高系統(tǒng)氫分壓可以提高重汽油收率及柴油的十六烷指數，但重汽油的RON會降低；提高裂化段反應溫度和精制段入口氫油比，均可以提高重汽油收率、RON和柴油的十六烷指數；降低總體積空速，有利于提高重汽油收率和柴油產品十六烷指數，但不利于重汽油RON的提高。RLG技術適宜的工藝條件為：系統(tǒng)氫分壓(基準+1.0)MPa、裂化反應溫度400 ℃、精制段入口氫油體積比800以上、總體積空速0.8 h-1。

(2)第一代RLG技術在安慶分公司工業(yè)應用的結果表明，RLG技術以密度(20 ℃)為928.1 kg/m3的LCO為原料可以生產收率為48.03%、硫質量分數為0.4 μg/g、RON為92.0的高辛烷值汽油調合組分，同時可兼顧生產硫質量分數為1.5 μg/g、十六烷指數較原料LCO提高13.3的清潔柴油，化學氫耗為2.94%。

(3)第一代RLG技術在上海石化工業(yè)應用的結果表明，RLG技術以密度(20 ℃)為944.2 kg/m3的LCO為原料，可生產收率為43.48%、硫質量分數為1.3 μg/g、RON為94.3的高辛烷值汽油調合組分，同時柴油產品的十六烷指數較原料LCO提高了8.6，化學氫耗為3.49%。

(4)在第一代RLG技術的基礎上完成了RLG-Ⅱ技術的開發(fā)。RLG-Ⅱ原料油適應性試驗結果表明，RLG-Ⅱ技術對各類型的LCO具有良好的適應性，可得到高收率、高辛烷值的汽油及低硫、低氮的清潔柴油。