船用燃料油連續(xù)調(diào)和技術(shù)現(xiàn)狀與展望

劉名瑞，李遵照，王海波，薛 倩

（1. 中國石化大連石油化工研究院，遼寧大連 116045；2. 中國石化燃料油銷售有限公司遼寧分公司，遼寧大連 116011）

1 船用燃料油生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀

船用燃料油一般由重油和輕質(zhì)餾分油調(diào)和而成，是大馬力、中低速船板柴油機(jī)最經(jīng)濟(jì)理想的燃料，主要規(guī)格有120#船用燃料油、180#船用燃料油、380#燃料油等[1]。此外，目前國內(nèi)廣泛使用的DMC、4#燃料油等船舶燃料油，其品質(zhì)介于柴油與180#船用燃料油之間，是中等馬力中速船舶柴油機(jī)的優(yōu)質(zhì)燃料，也可用于大馬力、中低速船舶柴油機(jī)[2]。常用的重質(zhì)船用燃料油是用于大型中低速船用柴油機(jī)的燃料，也稱為殘?jiān)腿剂嫌?，通常是直餾渣油、減壓渣油或和一定比例的輕組分混合而成[3-4]。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，2016年全球船用燃料油需求量已達(dá)2億噸左右，國內(nèi)船用燃料油市場需求約1 700萬噸，中國船用燃料油消費(fèi)量近年呈增長趨勢，如圖1所示。但長期以來，國內(nèi)煉廠船用燃料油產(chǎn)量低，與市場需求差距較大，船供油企業(yè)不得不依賴進(jìn)口，嚴(yán)重影響我國航運(yùn)事業(yè)的發(fā)展[2，5]。因此，若能利用調(diào)和技術(shù)將一些工業(yè)廢油調(diào)和成船用燃料油，不僅能為石化企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，還能有效降低環(huán)境污染，是一種提高石油能源利用率的有效方法[6]。

圖1 近幾年中國船用燃料油消費(fèi)量

常用的油品調(diào)和工藝可分為2種方式：油罐批量調(diào)和和管道連續(xù)調(diào)和。目前，國內(nèi)殘?jiān)萌剂嫌蜕a(chǎn)以間歇式罐式批量調(diào)和為主，單次定量生產(chǎn)，把待調(diào)和的組分油按所規(guī)定的調(diào)和比例，分別送入調(diào)和罐內(nèi)，再用泵循環(huán)、電動攪拌等方法將他們均勻混合成一種產(chǎn)品。優(yōu)點(diǎn)是操作簡單、不受組分油質(zhì)量波動影響；缺點(diǎn)是組分罐多、調(diào)和周期長、易氧化、比例不精確，油品穩(wěn)定性有待提高。英國JISKOOT公司報(bào)道了船用燃料油管道連續(xù)調(diào)和工藝及設(shè)備[7]。該工藝采用噴射混合器，對于組分油黏度差異大的油品難以取得較好的混合效果。目前，殘?jiān)腿剂嫌瓦B續(xù)調(diào)和工藝應(yīng)用國內(nèi)還未見報(bào)道。

國內(nèi)重質(zhì)船用燃料油的間歇式生產(chǎn)工藝難以對國內(nèi)外組分油和調(diào)和油市場價(jià)格波動做出快速反應(yīng)。同時(shí)，隨著2016年7月1日開始實(shí)施的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)GB 17411－2015結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)公約和法律法規(guī)針對船用燃料油的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行了規(guī)范，以及受到的價(jià)格、財(cái)稅政策和深加工等因素影響，國內(nèi)低硫組分油供應(yīng)短缺，含硫量低于0.5%（w）的低硫重質(zhì)船用燃料油生產(chǎn)幾乎處于空白。如何利用現(xiàn)有資源形成快速的連續(xù)生產(chǎn)鏈，保障低硫重質(zhì)船用燃料油的生產(chǎn)是一個亟需解決的問題。

2 技術(shù)原理及組成

油品調(diào)和技術(shù)是分子擴(kuò)散作用、湍流擴(kuò)散作用和主體對流擴(kuò)散作用3種擴(kuò)散過程的綜合[8]。但由于輕質(zhì)油品、重質(zhì)油品的黏度差別很大，在實(shí)際調(diào)和時(shí)哪種擴(kuò)散過程起主導(dǎo)作用是不盡相同的。如對高黏度的重質(zhì)渣油和重質(zhì)油漿的調(diào)和，在機(jī)械能傳遞給物料時(shí)，主要可能不是形成渦流擴(kuò)散，而是在剪切作用下把被調(diào)和的物料撕拉成很薄的薄層，再通過分子擴(kuò)散達(dá)到均勻混合。對于低黏度的輕質(zhì)油調(diào)和，蝸旋擴(kuò)散將起重要作用，但最終還是要由分子擴(kuò)散達(dá)到完全均勻的混合。

在重質(zhì)船用燃料油的調(diào)和中，由于各組分油黏度較高，在機(jī)械能傳遞給物料時(shí)，主要不是形成渦流擴(kuò)散，而是在剪切作用下把被調(diào)和的物料撕拉成很薄的薄層，再通過分子擴(kuò)散達(dá)到均勻混合[9]。

完整的管道連續(xù)調(diào)和技術(shù)包括油品調(diào)和模型、油品優(yōu)化調(diào)和技術(shù)和在線分析系統(tǒng)三部分[10]。

2.1 油品調(diào)和模型

調(diào)和模型在調(diào)和優(yōu)化過程中起著重要的作用，因?yàn)橥ㄟ^各項(xiàng)指標(biāo)的預(yù)測，可以確定調(diào)和配方并以其為指導(dǎo)，調(diào)和生產(chǎn)過程優(yōu)化、產(chǎn)品質(zhì)量實(shí)時(shí)控制等先進(jìn)技術(shù)的實(shí)施更需要以其為基礎(chǔ)。但是船用燃料油由于組分油性質(zhì)普遍較差，黏度差大，因此在性質(zhì)指標(biāo)預(yù)測模型的選取與計(jì)算上和原油混合模型有所不同。

近年來神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)和粒子群算法等在調(diào)和模型建模方面已取得有效成果[11-13]，這也成為未來發(fā)展的方向。

2.2 油品優(yōu)化調(diào)和技術(shù)

1）調(diào)和方案優(yōu)化。生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)根據(jù)組分油庫存量、市場情況、成品運(yùn)輸規(guī)劃、油品性質(zhì)、生產(chǎn)限制和產(chǎn)品指標(biāo)限等諸多因素建立調(diào)和方案，利用調(diào)和模型計(jì)算最優(yōu)效益，安排油品調(diào)和計(jì)劃、生產(chǎn)調(diào)度周期等，實(shí)現(xiàn)在產(chǎn)品性質(zhì)達(dá)標(biāo)前提下合理使用組分油資源，使總利潤最大。

2）調(diào)和過程優(yōu)化控制。高效的混合效率既可以提高產(chǎn)品的產(chǎn)率，又可以保證油品的質(zhì)量，提高生產(chǎn)企業(yè)的效益。通過調(diào)和方案優(yōu)化得到生產(chǎn)方案后，采用優(yōu)化的混合技術(shù)實(shí)施調(diào)和生產(chǎn)。目前，重質(zhì)船用燃料油的生產(chǎn)方式為罐式間歇式攪拌混合，生產(chǎn)效率低。未來采用連續(xù)式高效混合系統(tǒng)增加生產(chǎn)量以及提高產(chǎn)品穩(wěn)定性是一種更有前景的趨勢。

2.3 在線分析系統(tǒng)

在線質(zhì)量分析是調(diào)和工藝的關(guān)鍵技術(shù)之一，實(shí)時(shí)測定各調(diào)和組分與調(diào)和油品的性質(zhì)是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。在原油調(diào)和技術(shù)中通常采用在線近紅外分析系統(tǒng)[14-15]。但由于重質(zhì)殘?jiān)腿剂嫌偷牟糠纸M分油黏度大，殘?jiān)?，這種在線檢測方式往往不能應(yīng)用。目前在船用燃料油連續(xù)調(diào)和技術(shù)中常用的在線檢測有流量、溫度、壓力、密度等。因此，開發(fā)應(yīng)用于重質(zhì)船用燃料油的在線檢測裝置很有前景。

3 船用燃料油連續(xù)調(diào)和技術(shù)發(fā)展趨勢

世界原油價(jià)格波動劇烈，導(dǎo)致煉廠中船用燃料油的殘?jiān)徒M分油價(jià)格和產(chǎn)量隨之波動，與此同時(shí)，國內(nèi)外的強(qiáng)制限硫政策的實(shí)施，使得原油生產(chǎn)工藝需要進(jìn)行變更，能否迅速做出生產(chǎn)方案調(diào)整以及生產(chǎn)工藝的升級以應(yīng)對多變的局勢，是未來技術(shù)發(fā)展的重要研究方向。

3.1 組分油

船用燃料油主要以原油加工過程中的常壓渣油、減壓渣油、裂化渣油、裂化柴油和催化柴油等為原料調(diào)和而成，而目前國內(nèi)多數(shù)是以油漿、頁巖油作為基礎(chǔ)原料，在船用燃料油中摻入大量溶劑油、煤焦油、輪胎油、乙烯焦油等組分[16]，船用燃料油市場“合標(biāo)不合規(guī)”。另外，我國的遠(yuǎn)洋運(yùn)輸幾乎全部使用進(jìn)口燃料油，且其硫含量較高，基本在2.5%～3.5%；內(nèi)貿(mào)市場上120cst、180cst、380cst這些主流船用燃料油產(chǎn)品都由混調(diào)生產(chǎn)[16-17]。隨著全球環(huán)境問題的加劇，針對船用燃料油的環(huán)保要求越來越嚴(yán)格。國內(nèi)調(diào)和的船用燃料油硫含量在0.5%～2.0%，個別產(chǎn)品硫含量高達(dá)3.0%。2018年國際海事組織制定了嚴(yán)格的船用燃料油硫含量標(biāo)準(zhǔn)，2020年1月1日以后，當(dāng)船舶在海上一般區(qū)域航行時(shí)，其船用燃料油硫含量不應(yīng)超過0.5%；在排放控制區(qū)域航行時(shí)，船用燃料油的硫含量不應(yīng)超過0.1%。這一規(guī)則的制定，加快了我國船用燃料油調(diào)和組分的轉(zhuǎn)型，低硫組分的需求加大。目前研究表明，可通過加氫催化脫硫、氧化脫硫、生物脫硫和吸附脫硫等技術(shù)實(shí)現(xiàn)低硫組分的生產(chǎn)[18]。

3.2 混合方式

目前，國內(nèi)船用燃料油生產(chǎn)企業(yè)采用的混合方式為儲罐內(nèi)攪拌調(diào)和。幾種組分油經(jīng)管道輸送至船用燃料油儲罐，在儲罐側(cè)壁的底部安裝2～3個螺旋槳，使螺旋槳相向旋轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)攪拌混合，一般攪拌時(shí)間為45～60 min。這種混合方式的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，成本低；缺點(diǎn)是混合時(shí)間長，且混合均勻程度不好掌握。隨著對船用燃料油穩(wěn)定性的要求越來越多，采用強(qiáng)化混合方式成為一種發(fā)展趨勢。一種方法是在原有的混合儲罐外增加一組回流裝置，增加混合時(shí)間，該方法投入少，對廠區(qū)的改動不大；另一種方法是改變混合方式，采用管道混合器進(jìn)行預(yù)混合，再經(jīng)過高效剪切混合裝置進(jìn)行強(qiáng)化混合。后者可作為實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)的一部分，是未來發(fā)展自動化連續(xù)生產(chǎn)船用燃料油技術(shù)的基礎(chǔ)。

3.3 生產(chǎn)工藝

圖2 FRIPP開發(fā)的重質(zhì)船用燃料油調(diào)和裝置流程示意[22]

在船用燃料油生產(chǎn)工藝中，調(diào)和方案的確立是重要的環(huán)節(jié)之一，它直接影響調(diào)和產(chǎn)品是否合格?，F(xiàn)有的生產(chǎn)工藝是根據(jù)購入的組分油，人工計(jì)算調(diào)和配比方案，然后通過手動調(diào)節(jié)組分油泵的輸出功率，實(shí)現(xiàn)船用燃料油的調(diào)和生產(chǎn)。為能夠快速應(yīng)對組分油改變、價(jià)格波動、市場需求量變化等情況，自動化的連續(xù)調(diào)和生產(chǎn)工藝的研究將十分必要。撫順石油化工研究院（FRIPP）開發(fā)的小型連續(xù)調(diào)和裝置及“重質(zhì)船用燃料油優(yōu)化調(diào)和系統(tǒng)”[19-20]，主要采用的管道混合器以及高效剪切混合單元，利用自動化儀表控制各個被調(diào)和組分流量，并將各組分油與添加劑等按預(yù)定比例送入總管和管道混合器，使各組分油在其中混流均勻，裝置示意見圖2。該技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了船用燃料油的連續(xù)化生產(chǎn)，還提高了油品的混合穩(wěn)定性，為將來的放大試生產(chǎn)提供了技術(shù)支持。

3.4 產(chǎn)品檢測

船用燃料油調(diào)和組分的性質(zhì)差異大，這就要求能夠匹配的檢測設(shè)備使用范圍要廣，才能保證檢測數(shù)據(jù)的可靠性，這對檢測設(shè)備的性能具有很大挑戰(zhàn)。因此，目前用于船用燃料油的在線檢測設(shè)備還十分有限。開發(fā)適合船用燃料油在線性質(zhì)監(jiān)測的檢測設(shè)備是未來的一個發(fā)展方向。

船用燃料油連續(xù)調(diào)和技術(shù)在未來將更加規(guī)?；?、專業(yè)化、互聯(lián)化。船用燃料油的規(guī)?；侵竿晟粕a(chǎn)工藝技術(shù)不斷和擴(kuò)大生產(chǎn)條件，形成適應(yīng)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)條件下的技術(shù)水平，保證油品調(diào)和形成最優(yōu)方案并指導(dǎo)實(shí)施設(shè)備的有效運(yùn)行，取得最佳經(jīng)濟(jì)效益[21]。連續(xù)調(diào)和技術(shù)不會受到生產(chǎn)企業(yè)儲罐容量的限制，可隨調(diào)隨走，保證供給。專業(yè)化可以更加快速地應(yīng)對船用燃料油質(zhì)量升級的要求，通過油品調(diào)和模型迅速形成調(diào)和方案。船用燃料油在未來的幾年內(nèi)將向更加低硫化發(fā)展，而組分油的性質(zhì)、種類、地域性等條件對生產(chǎn)方案將產(chǎn)生很大的變化，船用燃料油連續(xù)調(diào)和技術(shù)通過利用數(shù)據(jù)庫做出調(diào)和方案的調(diào)整，對生產(chǎn)企業(yè)來講，既節(jié)省了調(diào)試時(shí)間又提高了企業(yè)生產(chǎn)能力。而互聯(lián)化是在管理層面上，依托數(shù)據(jù)庫、互聯(lián)網(wǎng)形成全局的優(yōu)化管理，將企業(yè)的數(shù)據(jù)共享，形成有效的資源分配，使企業(yè)內(nèi)部在油品儲備、市場需求、生產(chǎn)能力、方案實(shí)施等方面形成全局的優(yōu)化管理，提高企業(yè)的管理水平、生產(chǎn)效率、市場分析等能力。

船用燃料油連續(xù)調(diào)和技術(shù)打破了現(xiàn)有罐式間歇調(diào)和技術(shù)的孤立性和單一性，全面提升了生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)效率和管理水平，是一種先進(jìn)的技術(shù)發(fā)展趨勢。

4 存在問題與展望

船用燃料油相較于汽、柴油等燃料油，其組分差異性大、調(diào)和油品黏度大，對于連續(xù)調(diào)和工藝具有更嚴(yán)格的要求。因此，在實(shí)現(xiàn)船用燃料油連續(xù)調(diào)和技術(shù)工業(yè)化的道路上，仍存在以下問題：

1）方案計(jì)算及指標(biāo)預(yù)測的可靠性。船用燃料油的組分油性質(zhì)差異性大，在黏度等非線性指標(biāo)的預(yù)測準(zhǔn)確性上仍存在很大優(yōu)化空間，若能有效提高生產(chǎn)方案的計(jì)算及產(chǎn)品指標(biāo)的預(yù)測可靠性，將對船用燃料油連續(xù)調(diào)和技術(shù)起到?jīng)Q定性的指導(dǎo)作用。

2）重質(zhì)油的計(jì)量準(zhǔn)確性。在連續(xù)生產(chǎn)過程中，能否確保產(chǎn)品性質(zhì)指標(biāo)合格，一方面取決于調(diào)和方案的可靠性，另一方面由泵、流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度來決定。重質(zhì)組分油的黏度較大，其流量的控制對設(shè)備要求較大，泵、流量計(jì)等設(shè)備能否滿足生產(chǎn)需求，是連續(xù)生產(chǎn)技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。

3）組分油混合效率及效果。船用燃料油最主要的工藝是將輕、重組分油進(jìn)行充分的混合，混合效率的提高，可以加強(qiáng)油品混合程度。高效混合的油品不僅從油品質(zhì)量上更加優(yōu)良，還能延長存儲周期，因此如何將黏度差異大的組分油充分混合是船用燃料油連續(xù)調(diào)和工藝技術(shù)中的創(chuàng)新點(diǎn)。

4）油品質(zhì)量的連續(xù)監(jiān)測。目前間歇罐式調(diào)和的產(chǎn)品采用取樣后送實(shí)驗(yàn)室分析的方式檢驗(yàn)質(zhì)量是否合格，耗時(shí)長，檢測人員數(shù)量多，延長了產(chǎn)品的銷售時(shí)間。若采用連續(xù)調(diào)和方式進(jìn)行生產(chǎn)，從方案計(jì)算到運(yùn)行都將質(zhì)量控制放到首位，產(chǎn)品采出前進(jìn)行黏度、密度等重要指標(biāo)的連續(xù)監(jiān)測，可大大提高生產(chǎn)效率，提高市場運(yùn)營效率。

隨著國際海運(yùn)市場的不斷發(fā)展，船用燃料油的市場需求將不斷擴(kuò)大。以目前罐式間歇性調(diào)和的生產(chǎn)模式來看，人工操作誤差大、生產(chǎn)周期長、方案試驗(yàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，若能從方案計(jì)算、指標(biāo)預(yù)測、生產(chǎn)控制、高效調(diào)和運(yùn)行等方面實(shí)現(xiàn)船用燃料油的連續(xù)調(diào)和生產(chǎn)，將大大降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率、提升油品質(zhì)量，是未來面向市場的優(yōu)良生產(chǎn)模式，也是未來高效智能化生產(chǎn)的新發(fā)展趨勢。