超低硫清潔柴油生產(chǎn)運(yùn)行方案的優(yōu)化

簡(jiǎn)建超，陳 剛，王 軍

(中國(guó)石化青島煉油化工有限責(zé)任公司，山東 青島 266500)

車(chē)用燃油的質(zhì)量直接關(guān)系到汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用性、燃燒性及尾氣排放對(duì)大氣的污染性[1]。為了提高車(chē)用燃油質(zhì)量，最大限度降低污染物排放對(duì)環(huán)境的影響，我國(guó)加快了車(chē)用燃油質(zhì)量指標(biāo)升級(jí)的速度。當(dāng)前中國(guó)車(chē)用柴油Ⅵ質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求柴油硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于10 μg/g，多環(huán)芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于7%，屬于超低硫清潔柴油，對(duì)改善空氣質(zhì)量和提高車(chē)用柴油的安全性起到了積極作用[2]。

近幾年，國(guó)內(nèi)煉油企業(yè)通過(guò)各種局部技術(shù)改造陸續(xù)完成了車(chē)用柴油質(zhì)量升級(jí)，例如新增加氫精制反應(yīng)器[3]，使用高加氫脫硫活性、高加氫脫芳烴活性的催化劑[4-6]，采用高苛刻度的選擇性加氫工藝等[7]。然而，在實(shí)現(xiàn)柴油產(chǎn)品質(zhì)量升級(jí)目標(biāo)的同時(shí)，企業(yè)的生產(chǎn)成本也相應(yīng)提高，部分企業(yè)還存在催化劑使用壽命縮短、全廠能耗氫耗增加等問(wèn)題。在此情況下，煉油企業(yè)結(jié)合工藝流程的優(yōu)化，通過(guò)全廠生產(chǎn)方案的調(diào)整，來(lái)降低質(zhì)量升級(jí)的運(yùn)行成本，提高盈利能力，具有較重要意義。

1 生產(chǎn)超低硫柴油的困難及影響

某煉油廠柴油產(chǎn)品的主要生產(chǎn)裝置為4.1 Mt/a柴油加氫裝置和2.0 Mt/a加氫裂化裝置，其中柴油加氫裝置的柴油產(chǎn)品產(chǎn)量占煉油廠柴油總產(chǎn)量的94%左右，其原料為直餾柴油、催化裂化柴油(催化柴油)和延遲焦化汽柴油。在柴油產(chǎn)品質(zhì)量升級(jí)至國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程中，雖然通過(guò)增加一臺(tái)反應(yīng)器降低體積空速[8]，可將精制柴油的硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低至不大于10 μg/g，但產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)個(gè)別時(shí)間硫含量不合格的問(wèn)題，分析發(fā)現(xiàn)其主要原因在于原料中少量存在于重組分的大分子硫化物較難脫除[9]。對(duì)此，該煉油廠對(duì)相關(guān)裝置的操作進(jìn)行了調(diào)整：一方面降低上游裝置柴油的切割點(diǎn)，使常三線(xiàn)油的95%餾出溫度由378 ℃降低至不高于365 ℃，催化柴油的95%餾出溫度由365 ℃降低至不高于350 ℃；另一方面繼續(xù)提高柴油加氫裝置的反應(yīng)器床層平均溫度，提高脫硫深度。

經(jīng)過(guò)上述一系列操作調(diào)整之后，該煉油廠可穩(wěn)定生產(chǎn)出硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于10 μg/g的超低硫清潔柴油，但同時(shí)帶來(lái)其他幾個(gè)問(wèn)題：①柴油加氫裝置提高反應(yīng)深度之后，催化劑失活速率快速上升，導(dǎo)致催化劑使用周期不到兩年；②常三線(xiàn)油降低切割點(diǎn)之后，部分柴油組分被壓到了常壓蒸餾塔(簡(jiǎn)稱(chēng)常壓塔)塔底，與塔底重油一起經(jīng)減壓蒸餾塔(簡(jiǎn)稱(chēng)減壓塔)加熱爐升溫后進(jìn)入減壓塔，不僅導(dǎo)致裝置能耗增加，還影響減壓深拔效果，使渣油收率上升；③催化柴油降低切割點(diǎn)之后，催化裂化油漿產(chǎn)量增加，部分催化柴油組分與催化裂化油漿一起進(jìn)延遲焦化裝置加工，而此部分催化柴油在焦化裝置較少發(fā)生反應(yīng)，大部分與焦化蠟油一起經(jīng)過(guò)加氫處理后再返回催化裂化裝置，在催化裂化裝置已經(jīng)滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行的情況下影響了裝置的有效加工負(fù)荷。因此，雖然該煉油廠按照上述操作調(diào)整生產(chǎn)出了硫含量滿(mǎn)足國(guó)Ⅵ車(chē)用柴油標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，但卻對(duì)全廠經(jīng)濟(jì)效益、能源消耗及裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行等產(chǎn)生了較大影響。

2 生產(chǎn)方案優(yōu)化措施

2.1 常減壓蒸餾裝置增加常壓輕蠟油抽出流程

為了避免降低常三線(xiàn)油切割點(diǎn)對(duì)常減壓蒸餾裝置能耗和減壓深拔效果造成影響，結(jié)合煉油全流程優(yōu)化模型測(cè)算分析，提出了在常壓塔下部新增加一條側(cè)線(xiàn)抽出的方案，從該側(cè)線(xiàn)抽出輕蠟油組分，從而降低常三線(xiàn)油的95%餾出溫度，同時(shí)也降低減壓塔加熱爐(簡(jiǎn)稱(chēng)減壓爐)和減壓塔的負(fù)荷。常壓塔共有51層塔盤(pán)，進(jìn)料口在第6層塔盤(pán)，常三線(xiàn)油從第12層塔盤(pán)抽出。經(jīng)核算，新增的輕蠟油側(cè)線(xiàn)從進(jìn)料口和常三線(xiàn)之間的第9層塔盤(pán)抽出，進(jìn)入汽提塔，氣相返回第10層塔盤(pán)。將原常三線(xiàn)油汽提塔改造為兩段，其中下半段作為常壓輕蠟油汽提塔，同時(shí)新增機(jī)泵、換熱器、控制閥及相關(guān)工藝管線(xiàn)。

增加常壓輕蠟油抽出側(cè)線(xiàn)后，常三線(xiàn)油和常壓輕蠟油的主要性質(zhì)如表1所示。由表1可以看出，常壓輕蠟油的終餾點(diǎn)為420 ℃左右，密度(20 ℃)為870.1 kg/m3，其與減二線(xiàn)油合并后作為蠟油原料，滿(mǎn)足蠟油加氫和加氫裂化裝置的原料要求。以下將常壓塔新增輕蠟油側(cè)線(xiàn)抽出方案簡(jiǎn)稱(chēng)為常壓輕蠟油方案。

表1 常三線(xiàn)油和常壓輕蠟油的主要性質(zhì)

2.2 延遲焦化裝置調(diào)整柴油切割點(diǎn)

該煉油廠生產(chǎn)平衡過(guò)程中存在蠟油資源不足的問(wèn)題，為滿(mǎn)足催化裂化裝置滿(mǎn)負(fù)荷加工要求，延遲焦化裝置的柴油95%餾出溫度一直按不高于310 ℃控制，高于310 ℃的焦化柴油重組分則壓入焦化蠟油中進(jìn)催化裂化裝置加工。而與直餾柴油相比，焦化柴油重組分的裂化性能較差，并不是好的催化裂化原料。

在常減壓蒸餾裝置增加常壓輕蠟油抽出流程之后，催化裂化的原料量得到補(bǔ)充，此時(shí)可通過(guò)適當(dāng)提高焦化柴油切割點(diǎn)，達(dá)到優(yōu)化催化裂化裝置原料性質(zhì)的目的。當(dāng)將焦化柴油95%餾出溫度由310 ℃提高至340 ℃以上時(shí)，多產(chǎn)焦化柴油6 t/h左右，減少的催化裂化原料由常壓輕蠟油補(bǔ)充。在催化裂化裝置加工負(fù)荷不變的情況下，原料的裂化性能提高，汽油和液化氣產(chǎn)量增加，每月增產(chǎn)汽油1 119 t，少產(chǎn)柴油1 191 t。

2.3 柴油加氫裝置原料優(yōu)化

催化柴油在柴油加氫裝置加工時(shí)比在加氫裂化裝置加工時(shí)可減少氫耗約150 m3/t。實(shí)施常壓輕蠟油方案前，為滿(mǎn)足車(chē)用柴油產(chǎn)品多環(huán)芳烴指標(biāo)要求，柴油加氫裝置原料中摻煉催化柴油的量不能大于60 t/h，其余約25 t/h催化柴油需要進(jìn)加氫裂化裝置加工，導(dǎo)致全廠氫耗較高。實(shí)施常壓輕蠟油方案后，柴油加氫裝置混合原料的終餾點(diǎn)大幅降低，性質(zhì)得到明顯改善，精制柴油的多環(huán)芳烴含量也相應(yīng)減少。因此可將柴油加氫裝置摻煉催化柴油的量提高到70 t/h以上，使加氫裂化裝置加工催化柴油的比例降低，全廠氫耗相應(yīng)減少。表2為柴油加氫裝置原料優(yōu)化前后原料及產(chǎn)品性質(zhì)的變化情況。由表2可以看出，柴油加氫裝置原料優(yōu)化后，密度(20 ℃)由851.6 kg/m3降低至847.7 kg/m3，95%餾出溫度由359.7 ℃降低至340.1 ℃，多環(huán)芳烴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由17.2%降低至15.4%；精制柴油產(chǎn)品的十六烷指數(shù)由51.3提高至52.2，多環(huán)芳烴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由6.7%降低至4.4%。

表2 柴油加氫裝置原料優(yōu)化前后原料及產(chǎn)品性質(zhì)的變化情況

2.4 催化裂化裝置減少油漿產(chǎn)量

為滿(mǎn)足國(guó)Ⅵ柴油硫含量和出口柴油色度指標(biāo)要求，需要將催化柴油95%餾出溫度降低至350 ℃以下，使得部分重柴油組分進(jìn)入油漿中，導(dǎo)致油漿收率增加。油漿進(jìn)入延遲焦化裝置后，部分生成低價(jià)值的焦炭和干氣，部分未反應(yīng)組分隨焦化蠟油一起經(jīng)蠟油加氫裝置處理之后又返回催化裂化裝置，在催化裂化-延遲焦化-蠟油加氫裝置之間循環(huán)。實(shí)施常壓輕蠟油方案后，由于常三線(xiàn)油終餾點(diǎn)大幅度降低，柴油加氫裝置原料性質(zhì)得到明顯改善，因此將催化柴油95%餾出溫度提高至360 ℃左右，減少油漿產(chǎn)量約4 t/h，從而減少生焦并降低能耗。

2.5 蠟油加氫和加氫裂化裝置負(fù)荷調(diào)整

將抽出的常壓輕蠟油并入減二線(xiàn)蠟油，部分作為加氫裂化裝置原料，部分隨混合蠟油經(jīng)加氫處理后作為催化裂化裝置原料，可以達(dá)到減產(chǎn)柴油、增產(chǎn)汽油，進(jìn)一步降低柴汽比的目的[10]。例如將抽出的30 t/h常壓輕蠟油并入減二線(xiàn)油，其中約20 t/h作加氫裂化裝置原料，約10 t/h作蠟油加氫處理裝置原料，此時(shí)柴油加氫裝置的負(fù)荷相應(yīng)減少。經(jīng)測(cè)算，在此情況下全廠每月增產(chǎn)汽油6 020 t，少產(chǎn)柴油9 130 t。

2.6 提高減壓深拔程度、降低渣油收率

實(shí)施常壓輕蠟油方案后，從常壓塔抽出30 t/h常壓輕蠟油，致使常壓塔塔底重油進(jìn)入減壓蒸餾系統(tǒng)的流量相應(yīng)減少，減壓蒸餾系統(tǒng)負(fù)荷降低。經(jīng)生產(chǎn)優(yōu)化模型測(cè)算，調(diào)整減壓蒸餾系統(tǒng)操作后，減壓塔全塔壓降降低，優(yōu)化了減壓深拔運(yùn)行參數(shù)，使減壓塔的減壓深拔效果得到提高。圖1為減壓渣油中高于538 ℃餾分含量的變化趨勢(shì)。由圖1可以看出：在2019年6月常減壓蒸餾裝置實(shí)施新增輕蠟油側(cè)線(xiàn)抽出改造前，減壓渣油中高于538 ℃餾分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為7%左右；2019年8月完成改造后，其降低至5.5%左右，減壓渣油收率減少約0.45百分點(diǎn)。經(jīng)測(cè)算，在此情況下全廠每月增產(chǎn)汽油1 732 t，少產(chǎn)石油焦1 349 t。

圖1 減壓渣油中大于538 ℃餾分含量的變化趨勢(shì)

2.7 優(yōu)化蒸餾塔加熱爐操作降低能耗

為達(dá)到565 ℃以上的渣油減壓深拔切割點(diǎn)，要求減壓爐出口溫度較高，一般需控制在420 ℃以上。在實(shí)施常壓輕蠟油方案時(shí)，可通過(guò)適當(dāng)提高常壓塔加熱爐(簡(jiǎn)稱(chēng)常壓爐)出口溫度增加常壓輕蠟油抽出量，從而降低減壓塔系統(tǒng)負(fù)荷，同時(shí)適當(dāng)降低減壓爐出口溫度，減少減壓爐燃料消耗，并減緩減壓爐爐管及減壓塔填料結(jié)焦，有利于常減壓蒸餾裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行。

利用流程模擬軟件對(duì)常減壓蒸餾裝置的操作工況進(jìn)行模擬[11-12]，以當(dāng)前數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，測(cè)算提高常壓爐出口溫度并同步降低減壓爐出口溫度時(shí)減壓渣油收率和加熱爐負(fù)荷的變化情況。表3為常壓爐和減壓爐分別在4種不同工況時(shí)的數(shù)據(jù)。由表3可以看出，將常壓爐出口溫度由365 ℃提高至369 ℃，并根據(jù)過(guò)汽化油量增加常壓輕蠟油抽出量，在保持減壓深拔效果不變的情況下，減壓爐出口溫度降低了2 ℃，此時(shí)常壓爐和減壓爐的負(fù)荷合計(jì)降低了1.9 MW。降低減壓爐出口溫度還有利于減緩減壓爐爐管及減壓塔洗滌油段填料結(jié)焦。

表3 常壓爐和減壓爐不同工況數(shù)據(jù)對(duì)比

3 實(shí)施效果

3.1 柴油產(chǎn)品質(zhì)量提升

通過(guò)實(shí)施一系列生產(chǎn)優(yōu)化方面的調(diào)整措施，柴油加氫裝置的精制柴油產(chǎn)品的硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)穩(wěn)定控制在8 μg/g以?xún)?nèi)，同時(shí)十六烷指數(shù)約提高1，多環(huán)芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)約降低2百分點(diǎn)，柴油產(chǎn)品質(zhì)量得到較大幅度提升。

3.2 催化劑使用壽命延長(zhǎng)

自2019年8月實(shí)施優(yōu)化方案以來(lái)，柴油加氫裝置兩臺(tái)反應(yīng)器的提溫速率較低。圖2和圖3分別為裝置運(yùn)行23個(gè)月以來(lái)兩臺(tái)反應(yīng)器的平均反應(yīng)溫度和溫升的變化情況。其中第一反應(yīng)器(R101)的溫升穩(wěn)定在80 ℃左右，催化劑失活速率平均為每月0.74 ℃，第23個(gè)月時(shí)催化劑平均溫度離設(shè)計(jì)的末期使用溫度還有25 ℃左右的提溫空間，可以繼續(xù)運(yùn)行33個(gè)月以上；第二反應(yīng)器(R102)的溫升控制在不低于5 ℃，催化劑失活速率平均為每月0.71 ℃，第23個(gè)月時(shí)催化劑平均溫度離設(shè)計(jì)的末期使用溫度還有20 ℃左右的提溫空間，可以繼續(xù)運(yùn)行至少28個(gè)月。據(jù)此計(jì)算，柴油加氫裝置催化劑的更換周期可由此前的2年延長(zhǎng)至4年以上。

圖2 R101平均反應(yīng)溫度和溫升隨運(yùn)行時(shí)間的變化■—平均反應(yīng)溫度； ●—反應(yīng)器溫升。圖3同

圖3 R102平均反應(yīng)溫度和溫升隨運(yùn)行時(shí)間的變化

3.3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化

實(shí)施優(yōu)化措施后，常減壓蒸餾裝置減壓深拔的效果得到改善，減壓渣油收率降低約0.45百分點(diǎn)；部分柴油組分轉(zhuǎn)化為蠟油原料進(jìn)加氫裂化和加氫處理裝置加工，降低全廠柴汽比；催化裂化裝置進(jìn)料中的循環(huán)物料減少，提高了裝置有效加工負(fù)荷。經(jīng)測(cè)算，全廠每年合計(jì)增產(chǎn)汽油約107 kt，柴油產(chǎn)量相應(yīng)減少。扣除裝置加工費(fèi)用后，每增產(chǎn)1 t汽油可增效300元，全廠全年增加效益3 210萬(wàn)元。

3.4 能耗、氫耗降低

通過(guò)優(yōu)化調(diào)整常減壓蒸餾裝置的常壓爐和減壓爐出口溫度，在減緩減壓爐爐管及減壓塔洗滌油段填料結(jié)焦的同時(shí)每年可節(jié)省燃料氣約1 200 t，減少燃料費(fèi)用約490萬(wàn)元；通過(guò)優(yōu)化柴油生產(chǎn)方案，增加柴油加氫裝置原料中催化柴油的比例，減少加氫裂化裝置加工的催化柴油量，全廠氫氣消耗降低1 500 m3/h，全年氫耗費(fèi)用減少1 260萬(wàn)元。

4 結(jié) 論

柴油質(zhì)量升級(jí)對(duì)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益及長(zhǎng)周期運(yùn)行等方面產(chǎn)生較大影響，結(jié)合全廠總加工流程對(duì)生產(chǎn)方案進(jìn)行了優(yōu)化，新增常壓塔抽出輕蠟油流程，提高了全廠生產(chǎn)方案優(yōu)化調(diào)整的靈活性。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)常減壓蒸餾、延遲焦化、催化裂化、柴油加氫、蠟油加氫、加氫裂化等多套裝置的操作參數(shù)進(jìn)行一系列優(yōu)化調(diào)整，取得了提升柴油產(chǎn)品質(zhì)量、延長(zhǎng)催化劑使用壽命、優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、降低全廠能耗和氫耗的優(yōu)化效果，提高了全廠經(jīng)濟(jì)效益。