乙烯焦油加氫制芳烴技術(shù)開發(fā)及經(jīng)濟性分析

蘇瑩，賀來賓

乙烯焦油加氫制芳烴技術(shù)開發(fā)及經(jīng)濟性分析

蘇瑩，賀來賓

（中國石油化工股份有限公司化工事業(yè)部，北京 100728）

乙烯焦油作為乙烯生產(chǎn)過程中的一種主要副產(chǎn)品，其深加工利用研究得到越來越多的重視。通過對乙烯焦油多段加氫處理增產(chǎn)輕質(zhì)芳烴技術(shù)進行研究與分析，從工藝流程優(yōu)化、節(jié)能降耗等角度提出了優(yōu)化方案，并對該技術(shù)的經(jīng)濟性指標進行了初步分析。結(jié)果顯示：乙烯焦油加氫技術(shù)作為副產(chǎn)深加工和芳烴原料多樣化的一項技術(shù)具有較好的經(jīng)濟性，具備良好的工業(yè)應用前景。

乙烯焦油；加氫；芳烴；經(jīng)濟性

乙烯焦油是乙烯裂解原料在蒸汽裂解過程中原料及產(chǎn)品的高溫縮合產(chǎn)物，是乙烯生產(chǎn)過程中的一種副產(chǎn)品。裂解原料不同，乙烯焦油的產(chǎn)率也不同，一般約占乙烯產(chǎn)量的五分之一。乙烯焦油由于其高聚合性，無法直接進行化工利用。目前，國內(nèi)的乙烯焦油主要用作燃料油、生產(chǎn)炭黑等初級利用，未充分體現(xiàn)資源的價值。乙烯焦油在205～300 ℃之間的裂解柴油餾段收率較高，將近60%，其中大部分是稠環(huán)芳烴，是增產(chǎn)BTX的優(yōu)質(zhì)原料。而同期國內(nèi)芳烴市場行情較好，若能將乙烯焦油經(jīng)過加氫處理，生產(chǎn)輕質(zhì)芳烴原料，則能在提高乙烯焦油附加值的同時，為芳烴裝置提供低成本的原料。

基于加氫處理增產(chǎn)芳烴原料的技術(shù)思路，在C9+等重質(zhì)裂解汽油加氫處理及加氫裂解增產(chǎn)芳烴等技術(shù)基礎(chǔ)上，上海院開發(fā)了乙烯焦油加氫處理增產(chǎn)芳烴技術(shù)。采用低溫選擇性加氫脫除乙烯焦油中聚合性組分，同時降低膠質(zhì)，重點突破了高膠質(zhì)、高含氮重質(zhì)餾分油選擇加氫技術(shù)；再經(jīng)高溫加氫脫 硫/脫氮、稠環(huán)選擇性飽和等精制處理，重點突破了催化劑耐高膠質(zhì)及稠環(huán)選擇性飽和等關(guān)鍵性能，實現(xiàn)乙烯焦油升值，可用于切割汽油/柴油調(diào)和組分、分離高沸芳烴溶劑油或者增產(chǎn)BTX芳烴。本文以某公司實際的乙烯焦油為原料，研究了三段加氫增產(chǎn)BTX輕質(zhì)芳烴技術(shù)的工藝過程和經(jīng)濟性。

1 工藝技術(shù)研究進展

1.1 反應原理

原料乙烯焦油含有大量易聚合組分，全組分完全定性分析存在較大困難，其中230 ℃下主要組分分布如表1所示，約占總原料量的67%。

表1 乙烯焦油230 ℃以下典型組成

加氫過程中發(fā)生的主要反應有：雙烯烴加氫反應生成單烯烴；鏈烯基芳烴加氫為烷基芳烴；茚加氫生成茚滿；單烯烴加氫反應為飽和烴；脫硫化物反應；脫氮化物反應；稠環(huán)芳烴選擇性加氫飽和反應。

I段加氫作用為脫除聚合部分：

II段加氫作用為深度加氫，脫硫化物、氮化物，以及稠環(huán)芳烴選擇性加氫飽和反應：

III段加氫作用為加氫裂解增產(chǎn)BTX芳烴：

1.2 工藝流程

乙烯焦油三段加氫的主要工藝流程如圖1。

原料由一段反應進料泵與反應器循環(huán)物料混合后進入一段反應器頂部。反應器入口溫度由循環(huán)冷卻器調(diào)節(jié)控制，用循環(huán)量控制反應器的入口溫度。來自界區(qū)外的新鮮氫氣進入一段反應器頂部，自上而下通過催化劑床層，與液相充分接觸。一段液相產(chǎn)物經(jīng)二段進料增壓泵升壓，與氫氣一起進入二段反應進出料換熱器與二段反應產(chǎn)物進行換熱，隨后進入二段加熱爐加熱后進入二段反應器深度加氫。二段反應產(chǎn)物先用來預熱進料后進入產(chǎn)物冷卻器，冷凝冷卻后進入產(chǎn)物分離罐進行分離，氣相一小部分作為富氫尾氣外排，大部分氣相進入二段循環(huán)氫壓縮機增壓后循環(huán)使用。二段反應產(chǎn)物液相自壓進入三段進出料換熱器，經(jīng)加熱爐加熱后進入三段加氫反應器。三段反應產(chǎn)物依次經(jīng)過反應進出料換熱器、產(chǎn)物空冷器、產(chǎn)物水冷器，之后進入產(chǎn)物分離罐。分離出的氣相大部分作為循環(huán)氫氣經(jīng)壓縮機增壓后循環(huán)使用，少部分直接排放去燃料氣管網(wǎng)或氫回收系統(tǒng)。三段產(chǎn)物分離罐液相出料進入汽提塔，分離其攜帶的輕質(zhì)烷烴組分。汽提塔釜出料進入芳烴分餾部分，經(jīng)分離可分別得到苯、甲苯、二甲苯等產(chǎn)物。

1-一段進料泵；2-進料加熱器；3-一段反應器；4-一段循環(huán)泵；5-二段進料增壓泵；6-二段進出料換熱器；7-二段進料加熱爐；8-二段反應器；9-二段產(chǎn)物冷卻器；10-產(chǎn)物分離罐；11-二段循環(huán)氫壓縮機；12-三段反應進出料換熱器；13-三段進料加熱爐；14-三段反應器；15-三段產(chǎn)物空冷器；16-三段產(chǎn)物水冷器；17-三段產(chǎn)物分離器；18-三段循環(huán)氫壓縮機；19-汽提塔；20-塔頂冷卻器；21-汽提塔回流罐。

三段加氫反應的主要工藝條件見表2。

表2 乙烯焦油加氫的工藝參數(shù)

以原料流量12 500 kg·h-1（原料組成見表1）、年操作時間8 000 h的10萬t·a-1乙烯焦油加氫制BTX裝置為計算依據(jù)，原料消耗量及各產(chǎn)物的產(chǎn)量如表3所示。

表3 界區(qū)進/出工藝物料總平衡表

注1：BTX芳烴產(chǎn)品中含苯1.471萬t·a-1，甲苯2.422萬t·a-1，二甲苯1.269萬t·a-1。

1.3 工藝技術(shù)分析

由上文描述可知，乙烯焦油加氫制芳烴的流程略長，需要經(jīng)過3步加氫反應，所需設(shè)備數(shù)量偏多，需從流程優(yōu)化和設(shè)備優(yōu)化角度入手，降低裝置總體投資。

從物料投入產(chǎn)出角度考慮，影響該技術(shù)經(jīng)濟性的主要是氫氣的消耗與芳烴收率。而氫氣消耗是重質(zhì)芳烴或多環(huán)芳烴轉(zhuǎn)化為單環(huán)芳烴必需的過程。芳烴收率是表征催化劑性能的主要指標，同時也影響氫氣消耗量。

從裝置運行成本角度考慮，影響該技術(shù)經(jīng)濟性的主要因素是反應熱的回收和氫烴比的優(yōu)化。

1）由于乙烯焦油的三段加氫反應均為放熱反應，在設(shè)置了反應進出料換熱器等熱聯(lián)合流程后，該技術(shù)基本無需外部供熱，但是反應熱仍有大量低溫余熱未能回收，若能充分利用發(fā)生蒸汽或與后續(xù)產(chǎn)物分餾系統(tǒng)熱聯(lián)合，則可降低操作成本。

2）氫烴比主要表征的是反應系統(tǒng)的氫氣分壓，當氫烴比增大，氫氣的分壓升高。提高氫烴比有利于重芳烴和非芳烴的轉(zhuǎn)化，因為氫氣分壓增高有利于烯烴的加氫并消耗脫烷基和非芳烴裂解生成的烯烴，促進重芳烴脫烷基和非芳烴裂解反應的進行。輕烴比影響循環(huán)氫壓縮機的功率，降低氫烴比可以降低壓縮機功率，但是較低的氫油體積比會影響催化劑的穩(wěn)定性，加速催化劑結(jié)焦失活。輕烴比的優(yōu)化受催化劑性能及芳烴進料組成限制，特別是受原料中的非芳烴含量限制，較高的非芳烴加氫裂解會消耗更多的氫氣，需要較高的氫烴比。參考柴油加氫工藝技術(shù)，可以考慮提高反應壓力，降低氫油比，維持氫分壓要求；同時也可以考慮高效的混合設(shè)備，將氫氣以小分子形式盡量均勻地分散在油相中，增大反應的利用率，以此達到降低氫油比的目的。當然，上述兩種方法均需要提高一定的設(shè)備投資，在綜合經(jīng)濟評估下獲取最優(yōu)化。

2 經(jīng)濟性分析

2.1 裝置投資分析

同樣以10萬t·a-1乙烯焦油加氫制芳烴裝置為例，設(shè)備投資主要包括2～3臺壓縮機、2臺加熱爐、3臺加氫反應器、3臺空冷器以及容器、換熱器、泵等設(shè)備。其中壓縮機投資約占比設(shè)備投資的43%～46%，加熱爐約占比25%，反應器約占比8%～10%，空冷器約占比15%，其余設(shè)備約占比4%～9%。裝置投資還包括儀表、閥件等配件的采購和裝置安裝費用。粗估10 萬t裝置的總體投資約為1.2億元。降低裝置投資，可以從以下幾個方面考慮：

1）縮減壓縮機數(shù)量，例如二段或三段反應器可以共用一臺壓縮機，采用反應系統(tǒng)并聯(lián)或者串聯(lián)的方式?？紤]二段和三段而非一段二段共用壓縮機的理由為，一段加氫反應主要是脫除易聚合部分，壓縮機進料為氫氣，二段加氫反應深度脫硫脫氮，循環(huán)氫中S、N濃度高，一段催化劑無法耐受，所以一段壓縮機與二段三段壓縮機不能共用。

2）減少加熱爐數(shù)量，上文提及乙烯焦油3步加氫反應均為放熱反應，如能采用高效的反應進出料換熱器，則完全可以取消加熱爐，僅設(shè)置一臺開工加熱爐，供二段或三段加氫共用。

2.2 能耗及操作費用分析

本工藝中主要消耗的公用工程為循環(huán)水、電、蒸汽和燃料氣4種。

4種公用工程消耗見表4。由表4可以看出，電單位耗量最高，占72.06%，燃料氣和循環(huán)冷卻水單位耗量占比分別為22.37%和5.57%。

表4 公用工程消耗一覽表

2.3 生產(chǎn)成本估算

計算10萬t規(guī)模乙烯焦油加氫制BTX裝置的操作費用、原料、產(chǎn)品的市場價格和費用見表5，公用工程費用見表6。

表5 原料及產(chǎn)品市場價格和費用

從表6可以看出，費用成本除原料外，公用工程消耗里電的費用最高，約占公用工程消耗費用的60%。消耗電的設(shè)備主要是兩臺壓縮機，其次是泵和空冷器。蒸汽由于僅在開工工況使用，操作費用忽略不計。補充氫消耗量每年接近0.48萬t，操作費用每年達6 674萬，主要是重質(zhì)芳烴加氫所需氫氣消耗量很高，其次是需要適量的排放烴來控制循環(huán)氫的濃度。按照10年折舊期計算，裝置每年折舊費用1 200萬元，每年從操作費用角度盈余將近8 239萬。

表6 公用工程消耗費用

對于有氫氣回收系統(tǒng)的裝置，排放烴中的富氫尾氣可以進行經(jīng)濟有效的回收，可降低整體裝置的運行成本。

如果將二段和三段反應產(chǎn)物空冷器和水冷器的余熱進行回收或用于發(fā)生低壓蒸汽，則能獲得更大的經(jīng)濟效益。低壓蒸汽通常作為熱源，用于保溫伴熱，也可通過螺桿膨脹機用來發(fā)電，是節(jié)能降耗的優(yōu)選途徑。

3 結(jié) 論

隨著國內(nèi)石油化工行業(yè)的迅猛發(fā)展，乙烯裝置副產(chǎn)乙烯焦油的產(chǎn)量不斷增加，原料資源充足，利用空間巨大。乙烯焦油加氫增產(chǎn)芳烴工藝可在提升現(xiàn)有乙烯裝置副產(chǎn)利用率的同時，為芳烴裝置提供廉價的芳烴原料資源。經(jīng)過初步分析，乙烯焦油加氫增產(chǎn)芳烴技術(shù)具有良好的經(jīng)濟效益，開展乙烯焦油加氫利用對于乙烯行業(yè)進一步增強綜合競爭力、實現(xiàn)升級轉(zhuǎn)型和提質(zhì)增效，并同時解決未來裂解焦油的出路和環(huán)保問題具有重大意義。

［1］張爽，潘高峰.乙烯焦油的綜合利用途徑[J]. 山東化工，2015，44（19）：52-53.

［2］劉志剛，曹志濤，李學，等. 乙烯焦油的綜合利用技術(shù)進展[J]. 煉油與化工，2012，23（5）：4-5.

［3］李朝恩，郝曉娟. 綜合利用乙烯焦油的技術(shù)經(jīng)濟分析[J]. 石油化工技術(shù)經(jīng)濟，1993（2）：39-44.

［4］鄭均林，徐璇，祁曉嵐，等. 劣質(zhì)重芳烴資源及其化工產(chǎn)品轉(zhuǎn)化技術(shù)[J]. 化工進展，2017，36（10）：3665-3673．

Technology Progress and Economy Analysis on Hydrogenation of Ethylene Tar to Aromatic

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（Sinopec Chemical Department, Beijing 100728, China）

As a major by-product of ethylene production, ethylene tar has been paid more and more attention to the research of its deep processing and utilization. The production technology of light aromatics by ethylene tar multi-stage processing was studied and analyzed, the optimization scheme was proposed from the perspective of process optimization and energy saving, and the economic indexes of the technology were analyzed. The results showed that ethylene tar hydrogenation technology as a by-product deep processing and aromatic feedstock diversification technology had good economic performance and industrial application prospects.

Ethylene Tar; Hydrogenation; Aromatic; Economy analysis

2021-05-17

蘇瑩（1975-），男，北京市人，高級工程師，1997年畢業(yè)于天津大學有機化工專業(yè)，研究方向：石油化工生產(chǎn)技術(shù)的管理和開發(fā)。

TQ014

A

1004-0935（2021）12-1904-04