多產(chǎn)清潔汽油的總工藝流程研究和選擇

鞠林青，周亞松，徐春明

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）化學(xué)工程學(xué)院，北京102249；2.中國(guó)寰球工程公司）

多產(chǎn)清潔汽油的總工藝流程研究和選擇

鞠林青1，2，周亞松1，徐春明1

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）化學(xué)工程學(xué)院，北京102249；2.中國(guó)寰球工程公司）

以規(guī)劃新建12 Mt/a加工沙特中質(zhì)原油的大型煉油廠為例，采用PIMS線(xiàn)性規(guī)劃模型，以最大化多產(chǎn)清潔汽油為主要目的，比較了方案1（常壓渣油加氫脫硫＋重油催化裂化）和方案2（渣油加氫脫硫＋重油催化裂化＋加氫裂化）兩種核心總工藝流程。結(jié)果表明，在正常的加工模式下，方案1的汽油產(chǎn)量可達(dá)到4.474 4 Mt/a，遠(yuǎn)高于方案2的4.051 6 Mt/a。在方案1的基礎(chǔ)上，通過(guò)催化裂化輕汽油醚化、液化氣的烷基化以及副產(chǎn)的苯與催化裂化干氣中的稀乙烯合成乙苯等措施進(jìn)一步增產(chǎn)汽油，可增產(chǎn)汽油組分0.718 Mt/a，同時(shí)通過(guò)優(yōu)化汽油池中各調(diào)合組分的比例，使混合汽油產(chǎn)品性質(zhì)滿(mǎn)足GB 17930—2013清潔汽油產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)要求。

大型煉油廠 清潔汽油 總工藝流程 渣油加氫脫硫 線(xiàn)性規(guī)劃

2012年，我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)、銷(xiāo)量雙雙突破1 900萬(wàn)輛，石油表觀消費(fèi)量達(dá)到503 Mt，較2011年增長(zhǎng)5.6%，其中，原油進(jìn)口量為269 Mt，對(duì)外依存度達(dá)到58.8%；成品油表觀消費(fèi)量為277 Mt，同比增長(zhǎng)5.2%；汽油表觀消費(fèi)量達(dá)到86.841 Mt，同比增長(zhǎng)12.3%，預(yù)計(jì)2020年我國(guó)汽油需求量將達(dá)到110 Mt［1-2］。隨著我國(guó)原油對(duì)外依存度的提高和汽車(chē)的普及，如何利用有限的原油資源，選擇合適的總工藝流程，多產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的清潔汽油產(chǎn)品已成為煉油項(xiàng)目必須面對(duì)的主要問(wèn)題之一。本文以規(guī)劃新建的12 Mt/a燃料型煉油廠為例，設(shè)計(jì)加工沙特中質(zhì)原油，采用PIMS（Process Industry Modeling System）線(xiàn)性規(guī)劃軟件，以最大化多產(chǎn)優(yōu)質(zhì)清潔汽油為主要目的，對(duì)煉油總加工流程進(jìn)行研究和選擇。

1 規(guī)劃研究的基準(zhǔn)

規(guī)劃研究的大型煉油廠考慮設(shè)計(jì)加工儲(chǔ)量和產(chǎn)量豐富的中東高硫原油，選擇有代表性的沙特中質(zhì)原油進(jìn)行核算，其主要性質(zhì)見(jiàn)表1（來(lái)自Chevron原油數(shù)據(jù)庫(kù)）。從表1可以看出，沙特中質(zhì)原油具有高硫含量、中等金屬含量和中等殘?zhí)康牡湫椭袞|原油特點(diǎn)，而且可以通過(guò)中東其它輕質(zhì)原油和重質(zhì)原油的調(diào)合得到類(lèi)似性質(zhì)的混合油。

清潔汽油產(chǎn)品以GB 17930—2013標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的汽油牌號(hào)92號(hào)和95號(hào)，以及相應(yīng)的質(zhì)量指標(biāo)

表1 沙特中質(zhì)原油的主要性質(zhì)

渣油的加工采用加氫技術(shù)路線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)渣油全部轉(zhuǎn)化的目標(biāo)，該模式具有原油資源利用率高、輕油收率高、高油價(jià)體系下經(jīng)濟(jì)效益好等特點(diǎn)［3-4］，控制渣油加氫裝置的進(jìn)料中殘?zhí)啃∮?8%、金屬（Ni＋V）質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于150μg/g；處理后的催化裂化裝置進(jìn)料要求硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.3%、金屬（Ni＋V）質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于15.0μg/g、殘?zhí)啃∮?.5%，裝置設(shè)計(jì)為多產(chǎn)汽油模式，對(duì)煙氣進(jìn)行濕法脫硫脫硝；催化裂化汽油的深度脫硫擬采用S-Zorb技術(shù)，該技術(shù)具有脫硫效率高、辛烷值損失小、能耗低等特點(diǎn)［5］，脫硫精制后催化裂化汽油的硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在小于15μg/g、辛烷值RON損失小于1.5。所有方案中都包含常（減）壓蒸餾、油品加氫精制、石腦油異構(gòu)化和連續(xù)重整以及芳烴分離、制氫、硫磺回收聯(lián)合裝置等，其中制氫裝置的原料和全廠燃料補(bǔ)充都采用天然氣；硫磺回收裝置的設(shè)置按照3系列（分別為總能力的50%）Claus＋2系列（按總能力的70%設(shè)置）尾氣處理模式。

2 煉油廠的總加工流程安排

煉油廠的汽油組分主要來(lái)自催化裂化和催化重整裝置，因此在總流程安排中以最大化的單系列催化裂化裝置和連續(xù)重整裝置為基準(zhǔn)，規(guī)劃了兩個(gè)方案。

方案1以催化裂化裝置多產(chǎn)催化裂化汽油為核心，采用常壓蒸餾＋常壓渣油加氫脫硫＋重油催化裂化的核心總工藝流程。渣油加氫裝置的進(jìn)料量為6.03 Mt/a，進(jìn)料硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.15%、殘?zhí)繛?0.76%、金屬（Ni＋V）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為87.26μg/g、瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.3%，裝置按3系列設(shè)計(jì)，要求單系列可分別換劑、最少保證兩系列在線(xiàn)運(yùn)行，反應(yīng)器設(shè)計(jì)體積空速為0.35 h－1、催化劑壽命按12個(gè)月考慮；催化裂化裝置設(shè)計(jì)采用最大汽油產(chǎn)率（按49%考慮）方案。方案1的全廠總加工流程示意見(jiàn)圖1。

方案2以連續(xù)重整裝置多產(chǎn)重整汽油為核心，采用固定床渣油加氫（RDS）＋重油催化裂化（RFCC）＋蠟油加氫裂化（HCR）的核心加工流程。部分常壓渣油和減壓渣油作為渣油加氫裝置原料，裝置進(jìn)料量為3.96 Mt/a，進(jìn)料硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.87%、殘?zhí)繛?6.3%、金屬（Ni＋V）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為133.1μg/g、瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.5%，按2系列設(shè)計(jì)，要求單系列可分別開(kāi)、停工，設(shè)計(jì)體積空速為0.18 h－1、催化劑壽命按11個(gè)月考慮；加氫裂化裝置設(shè)計(jì)采用多產(chǎn)優(yōu)質(zhì)中間餾分為主的全循環(huán)模式，通過(guò)副產(chǎn)的重石腦油量來(lái)平衡連續(xù)重整裝置的進(jìn)料，核算后重整裝置規(guī)模按照2.40 Mt/a考慮，相應(yīng)的再生能力為4.5 t/h。方案2的總加工流程示意見(jiàn)圖2。

圖1 方案1的總加工流程示意

圖2 方案2的總加工流程示意

3 結(jié)果與討論

3.1 主要工藝裝置的安排和規(guī)模對(duì)比

表2列出了兩個(gè)方案中的主要工藝裝置及其規(guī)模。由表2可見(jiàn)，方案1的原油蒸餾僅有常壓部分，其常壓渣油直接作為渣油加氫裝置的原料，除了伊朗重油因金屬含量較高以外，該流程基本上可以加工所有的中東原油，原油適應(yīng)性好；渣油加氫裝置和重油催化裂化裝置的規(guī)模分別為6.0 Mt/a和4.9 Mt/a，達(dá)到了世界級(jí)規(guī)模。方案2采用小減壓模式的常減壓蒸餾裝置，通過(guò)調(diào)節(jié)常壓渣油和減壓渣油的比例來(lái)控制渣油加氫裝置進(jìn)料的性質(zhì)，滿(mǎn)足生產(chǎn)的需要；減壓蠟油的加工采用全循環(huán)加氫裂化的模式，以多產(chǎn)石腦油、噴氣燃料和柴油中間餾分為主，平衡石腦油的產(chǎn)量以滿(mǎn)足最大化2.4 Mt/a連續(xù)重整裝置進(jìn)料的要求；由于增加了加氫裂化裝置，相對(duì)增加了渣油加氫裝置的進(jìn)料苛刻度，對(duì)加工的原油有了一定程度的限制，但加氫裂化裝置有利于根據(jù)市場(chǎng)需要靈活調(diào)節(jié)汽油、噴氣燃料和柴油產(chǎn)品產(chǎn)量，有利于生產(chǎn)高品質(zhì)的柴油，以及其尾油可用于生產(chǎn)潤(rùn)滑油組分或作為乙烯裂解原料等。

表2 兩種方案的主要工藝裝置及其規(guī)模Mt/a

3.2 汽油池的組成和混合汽油性質(zhì)

表3和表4列出了兩個(gè)研究方案的汽油池組分和混合汽油的性質(zhì)。從表3和表4可以看出：兩個(gè)方案的混合汽油性質(zhì)均滿(mǎn)足清潔汽油GB 17930—2013的質(zhì)量指標(biāo)要求，其中方案1的汽油產(chǎn)量達(dá)到4.474 4 Mt/a，汽油池中的催化裂化汽油和重整汽油所占體積比例分別為54.77%和25.24%，異構(gòu)化油和MTBE合計(jì)為19.99%，同時(shí)催化裂化汽油精制后的硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在15 μg/g以下即可符合調(diào)合要求；而方案2的汽油產(chǎn)量為4.051 6 Mt/a，汽油池中的催化裂化汽油和重整汽油所占體積比例分別為41.17%和33.54%，異構(gòu)化油、加氫裂化輕石腦油和MTBE合計(jì)占25.29%，各調(diào)合組分的比例較為理想。但從整個(gè)項(xiàng)目多產(chǎn)清潔汽油的角度選擇，則方案1為最優(yōu)模式，汽油產(chǎn)品質(zhì)量收率（以加工原油量為基準(zhǔn)）達(dá)到37.28%、體積收率為45.17%。

表3 方案1的汽油池組分和混合汽油的產(chǎn)量和性質(zhì)

表4 方案2的汽油池組分和混合汽油的產(chǎn)量和性質(zhì)

3.3 進(jìn)一步增產(chǎn)汽油的措施

3.3.1 催化裂化輕汽油醚化 方案1具有催化裂化汽油比例高的特點(diǎn)，雖然混合汽油中的烯烴體積分?jǐn)?shù)為22.5%，滿(mǎn)足清潔汽油標(biāo)準(zhǔn)中小于24%的要求，但汽油產(chǎn)品整體的質(zhì)量升級(jí)趨勢(shì)是低硫、低烯烴、低芳烴、低苯的方向，同時(shí)混合汽油的氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.60%，離2.7%的指標(biāo)限制還有相當(dāng)大的差距，因此考慮催化裂化輕汽油醚化，就是利用輕汽油中的C5/C6叔碳烯烴與甲醇醚化反應(yīng)，生成高辛烷值的TAME和HXME含氧化合物，具有增加汽油總量、降低烯烴含量、提高汽油辛烷值、降低蒸氣壓等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。按照催化裂化汽油組分和適當(dāng)?shù)南N轉(zhuǎn)化率核算后，以整體的催化裂化汽油總量為基準(zhǔn)，醚化后的催化裂化汽油總量增加了73 kt/a、辛烷值提高1.5個(gè)單位、氧含量增加1.48%，相當(dāng)于將73 kt/a的甲醇轉(zhuǎn)化為高辛烷值的汽油組分。

3.3.2 煉油廠副產(chǎn)的液化氣深加工 隨著國(guó)內(nèi)天然氣工業(yè)的快速發(fā)展以及液化氣進(jìn)口量的增加，煉油廠副產(chǎn)的液化氣作為民用燃料的地位和價(jià)格在逐步下降，如何將這部分副產(chǎn)的輕端氣體產(chǎn)品變?yōu)槭袌?chǎng)需求量大的汽油組分也是需要綜合考慮的問(wèn)題。一般情況下，液化氣轉(zhuǎn)化成汽油的主要工藝路線(xiàn)有烷基化、芳構(gòu)化、丁烯疊合以及間接烷基化工藝（丁烯疊合＋疊合油加氫）等，項(xiàng)目規(guī)劃研究中考慮了常用的烷基化工藝和芳構(gòu)化工藝。

烷基化工藝中主要發(fā)生異構(gòu)烷烴與烯烴的加成反應(yīng)。為了提供和擴(kuò)大烷基化的原料量，分別安排了催化C4餾分的選擇性加氫和飽和C4餾分的異構(gòu)化裝置［6］，設(shè)計(jì)了0.35 Mt/a的催化裂化C4選擇性加氫裝置，目的是將MTBE反應(yīng)之后的C4餾分中的二烯烴除去，以減少烷基化過(guò)程中的酸消耗量，同時(shí)將1-丁烯異構(gòu)轉(zhuǎn)化成2-丁烯，提高烷基化油的辛烷值；飽和C4餾分（來(lái)自全廠的輕烴回收裝置和烷基化之后分離出的正構(gòu)C4組分）異構(gòu)化的主要目的是在臨氫的工況下將正構(gòu)C4轉(zhuǎn)化為異構(gòu)C4。采用HF酸或H2SO4烷基化之后，可產(chǎn)0.49 Mt/a優(yōu)質(zhì)的無(wú)烯烴、無(wú)芳烴且低蒸氣壓的烷基化油，其研究法辛烷值約為95、密度為705 kg/m3。

液化氣芳構(gòu)化工藝以大連理工大學(xué)、中國(guó)石油石油化工研究院等單位合作開(kāi)發(fā)的Nano-forming工藝為代表［7］，該工藝采用納米分子篩芳構(gòu)化催化劑和固定床反應(yīng)工藝將C4餾分轉(zhuǎn)化為高辛烷值汽油組分，已于2012年5月在河南濮陽(yáng)恒潤(rùn)石化公司0.20 Mt/a工業(yè)裝置上成功投用。采用該技術(shù)，預(yù)計(jì)C5及以上液相產(chǎn)物收率可達(dá)到47%以上，因此可增產(chǎn)0.295 Mt/a汽油組分，其研究法辛烷值約為95、芳烴體積分?jǐn)?shù)為44%、烯烴體積分?jǐn)?shù)小于1%。

因此，從液化氣生產(chǎn)汽油的量來(lái)看，選用技術(shù)成熟且國(guó)內(nèi)外應(yīng)用廣泛的烷基化工藝較好，但從技術(shù)國(guó)產(chǎn)化、工藝復(fù)雜程度上看，選用國(guó)內(nèi)的芳構(gòu)化工藝較好。本項(xiàng)目研究中采用烷基化工藝。

3.3.3 重整苯產(chǎn)品的利用 在規(guī)劃研究中，連續(xù)重整裝置的進(jìn)料按照常規(guī)的C6及C6以上石腦油餾分考慮，并設(shè)置了苯抽提單元，這樣可擴(kuò)大重整原料的數(shù)量，多副產(chǎn)廉價(jià)的氫氣，同時(shí)可更加有效地控制汽油池中苯的含量，且苯產(chǎn)品可作為化工原料外賣(mài)。在國(guó)外的流程規(guī)劃研究中，為了多產(chǎn)汽油且降低苯含量，法國(guó)AXENS公司曾推出了Benfree專(zhuān)利技術(shù)，即將重整油輕端抽出后與重整氫氣直接加氫反應(yīng)，加氫后的輕汽油再重新回到重整生成油體系，流程簡(jiǎn)捷，除增加一個(gè)加氫反應(yīng)器外，基本上不增加其它設(shè)施，這樣可增加約108 kt/a的汽油產(chǎn)量。在方案1的混合汽油中，芳烴體積分?jǐn)?shù)僅為27.8%，離上限40%的差距較大，因此可充分考慮重油催化裂化干氣中副產(chǎn)的稀乙烯和抽提出來(lái)的苯產(chǎn)品，采用中科院大連化學(xué)物理研究所等單位開(kāi)發(fā)的稀乙烯與苯氣相烷基化反應(yīng)和多乙苯與苯液相烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)的成熟技術(shù)。本項(xiàng)目的催化裂化干氣產(chǎn)量達(dá)到了164.5 kt/a，其中的乙烯體積分?jǐn)?shù)為13.5%，該干氣不需進(jìn)行特殊凈化，可直接與芳烴抽提出來(lái)的苯合成乙苯，產(chǎn)量約為155 kt/a，這些乙苯在價(jià)格高時(shí)可作為化工產(chǎn)品出廠，在價(jià)格低或銷(xiāo)路不暢的情況下，直接作為高辛烷值汽油調(diào)合組分，其辛烷值大于100、密度為870 kg/m3。

3.4 進(jìn)一步增產(chǎn)汽油的效果

綜上所述，在方案1生產(chǎn)4.474 4 Mt/a汽油產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，通過(guò)催化裂化輕汽油醚化、液化氣的烷基化工藝以及苯產(chǎn)品的利用，可分別增產(chǎn)汽油73，490，155 kt/a，合計(jì)為0.718 Mt/a，全廠的汽油產(chǎn)量可達(dá)到5.192 4 Mt/a，汽油質(zhì)量收率（以加工原油量為基準(zhǔn)）可達(dá)到43.27%。全廠的汽油調(diào)合組分生產(chǎn)流程見(jiàn)圖3，各調(diào)合組分的體積比例分別為：催化裂化汽油占48.46%、重整汽油占21.79%、烷基化油占14.36%、乙苯占2.55%、MTBE占2.90%，汽油池的混合汽油性質(zhì)為：研究法辛烷值94.47、硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)8μg/g、烯烴體積分?jǐn)?shù)17.4%、芳烴體積分?jǐn)?shù)26.7%、苯體積分?jǐn)?shù)0.4%、氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.66%以及蒸氣壓53 kPa，可滿(mǎn)足GB 17930—2013清潔汽油產(chǎn)品質(zhì)量要求。

圖3 全廠的汽油調(diào)合組分生產(chǎn)流程

4 結(jié) 論

在12 Mt/a加工沙特中質(zhì)原油的大型煉油廠規(guī)劃中，通過(guò)分析研究，選定方案1（常壓渣油加氫脫硫＋重油催化裂化）作為最大化生產(chǎn)清潔汽油的流程，渣油加氫和重油催化裂化裝置規(guī)模達(dá)到了世界級(jí)水平，且原油資源利用率高，汽油產(chǎn)量可達(dá)到4.474 4 Mt/a；再通過(guò)催化裂化輕汽油醚化、液化氣的烷基化以及副產(chǎn)的苯與催化裂化干氣中的稀乙烯合成乙苯等措施進(jìn)一步增產(chǎn)汽油，可增產(chǎn)汽油組分0.718 Mt/a，汽油總產(chǎn)量達(dá)到5.192 4 Mt/a，同時(shí)通過(guò)優(yōu)化汽油池中各調(diào)合組分的比例，使混合汽油產(chǎn)品性質(zhì)滿(mǎn)足GB 17930—2013清潔汽油產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)要求。

［1］龔金雙.2012年我國(guó)石油市場(chǎng)特點(diǎn)分析及2013年展望［J］.國(guó)際石油經(jīng)濟(jì)，2013，21（1/2）：70-74

［2］戴家權(quán)，郭一凡.中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展面臨的風(fēng)險(xiǎn)和模式轉(zhuǎn)變途徑及對(duì)國(guó)內(nèi)石油市場(chǎng)的影響［J］.國(guó)際石油經(jīng)濟(jì)，2013，21（3）：13-20

［3］孫麗麗.劣質(zhì)重油加工路線(xiàn)的選擇對(duì)煉廠經(jīng)濟(jì)效益的影響［J］.當(dāng)代石油石化，2007，15（8）：14-18

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［5］李輝.S-Zorb裝置開(kāi)工過(guò)程介紹［J］.煉油技術(shù)與工程，2012，43（1）：10-14

［6］徐春明，楊朝合.石油煉制工程［M］.4版.北京：石油工業(yè)出版社，2009：507-515

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SELECTION OF REFINING CONFIGURATION FOR MAXIMIZING CLEAN GASOLINE PRODUCTION

Ju Linqing1，2，Zhou Yasong1，Xu Chunming1
（1.College of Chemical Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249；2.China Huanqiu Contracting&Engineering Corp.）

The grass-root large-scale refinery with a capacity of 12.0 Mt/a processing Saudi Arab medium crude is studied for maximizing clean gasoline production by PIMS linear programming mode.Two typical refining configurations of Case 1（the combination of ARDS＋RFCC）and Case 2（the combination of RDS＋RFCC and VGO HCR）are compared.The results show that the Case 1 with 4.474 4Mt/a gasoline production is better than the Case 2 with 4.051 6 Mt/a gasoline.Based on Case 1 selected，more gasoline with the production of 0.718 Mt/a can be further increased by FCC light fraction etherification，LPG alkylation and ethylbenzene synthesis of benzene and thin ethylene in RFCC.And clean gasoline product meeting the GB 17930—2013 standard can be obtained by optimization of blending ratio of the gasoline pool components.

large-scale refinery；clean gasoline；refining configuration；residue hydrodesulfurization；linear programmin g

2013-09-02；修改稿收到日期：2013-12-09。

鞠林青，高級(jí)工程師，博士研究生，主要從事煉油廠的總體規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。

鞠林青，E-mail：julinqing＠hqcec.com。