DCC工藝技術(shù)靈活性及其在化工型煉油廠的應(yīng)用

謝 朝 鋼

(中國石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083)

催化裂解(Deep Catalytic Cracking，簡稱DCC)是中國石化石油化工科學(xué)研究院(簡稱石科院)開發(fā)的重油催化裂化最大量生產(chǎn)丙烯的技術(shù)，它采用提升管加密相流化床串聯(lián)的組合式反應(yīng)器以及配套研制的改性擇形沸石催化劑，以重油為原料直接生產(chǎn)以丙烯為主的目的產(chǎn)物，屬國際首創(chuàng)[1]。

目前我國煉油工業(yè)面臨產(chǎn)能嚴(yán)重過剩、裝置開工率低、成品油消費增速放緩、新能源汽車發(fā)展迅猛等多重挑戰(zhàn)，因此煉油企業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整與轉(zhuǎn)型升級迫在眉睫。DCC技術(shù)[2]于1990年首次工業(yè)化后，已經(jīng)在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用，最大的1套4.6 Mt/a工業(yè)裝置已在沙特Rabigh煉化有限公司連續(xù)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)12 a。后來根據(jù)市場需求，開發(fā)了增產(chǎn)丙烯并降低干氣和焦炭生成量的增強型催化裂解(DCC-plus)技術(shù)[3]，也在國內(nèi)外進行了工業(yè)推廣，第一套DCC-plus工業(yè)裝置于2014年在中海油東方石化有限公司建成并投產(chǎn)。DCC及DCC-plus技術(shù)在化工型煉油廠建設(shè)和煉油企業(yè)向化工轉(zhuǎn)型過程中發(fā)揮了巨大作用。

以下將簡述DCC及DCC-plus工藝技術(shù)的特點，詳細介紹DCC裝置的原料適應(yīng)性和操作靈活性，以及DCC裝置在煉化一體化企業(yè)中的地位和作用。

1 工藝技術(shù)特點

眾所周知，催化裂化是重油轉(zhuǎn)化為汽油和柴油的技術(shù)。為了多產(chǎn)丙烯，必須將催化裂化生成的汽油再進一步轉(zhuǎn)化，汽油中的烯烴是丙烯的前身物[4-5]?；谶@個丙烯生成的反應(yīng)機理，在DCC裝置設(shè)計時，采用了提升管加密相流化床串聯(lián)的組合式反應(yīng)器，重油原料在提升管中進行一次裂化反應(yīng)生成含烯烴的汽油，汽油中的烯烴分子在串聯(lián)的密相流化床中進一步進行二次裂化反應(yīng)，生成大量丙烯。與催化裂化裝置相比，DCC裝置的乙烯產(chǎn)率增加了6.9倍，丙烯產(chǎn)率增加了3.5倍，丁烯產(chǎn)率也增加了81%[6]。

迄今為止，DCC技術(shù)已轉(zhuǎn)讓建設(shè)了國內(nèi)8套裝置、泰國1套裝置、沙特1套裝置、印度3套裝置，典型DCC工業(yè)裝置原料油性質(zhì)和烯烴產(chǎn)率列于表1。從表1可見：加工石蠟基重質(zhì)原料時，丙烯產(chǎn)率可以達到22.91%；加工中間基重質(zhì)原料時，丙烯產(chǎn)率可以達到18%以上；阿拉伯重質(zhì)油加氫后作原料時，丙烯產(chǎn)率可以達到19%～22%。

表1 典型DCC工業(yè)裝置原料油性質(zhì)及烯烴產(chǎn)率

DCC工藝的反應(yīng)系統(tǒng)由提升管和密相流化床串聯(lián)反應(yīng)器構(gòu)成。由于丙烯是重油一次裂化反應(yīng)和汽油中烯烴二次裂化反應(yīng)共同作用的結(jié)果，提升管反應(yīng)器為重油原料一次裂化生成丙烯和丙烯前身物的場所，流化床反應(yīng)器為汽油中烯烴二次裂化反應(yīng)的主要場所，二者對反應(yīng)環(huán)境的要求不同，在DCC工藝中無法實現(xiàn)提升管反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器的分區(qū)優(yōu)化控制，造成干氣和焦炭產(chǎn)率較高。因此，對DCC工藝進行了改進，開發(fā)出提升管反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器分區(qū)精準(zhǔn)控制的DCC-plus工藝，其反應(yīng)-再生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 DCC-plus反應(yīng)-再生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意[12]

DCC-plus工藝與DCC工藝的相同之處為兩者均采用提升管加密相流化床串聯(lián)的反應(yīng)器型式，不同之處在于DCC-plus工藝增設(shè)了第二提升管將再生催化劑引入到流化床反應(yīng)器。經(jīng)過改進，DCC-plus工藝可以實現(xiàn)：①改變流化床反應(yīng)器內(nèi)的催化劑活性分布，為丙烯前身物二次裂化反應(yīng)提供更多、更“新鮮”的催化劑；②改變整個反應(yīng)器的溫度梯度分布，從而達到降低提升管入口油劑混合溫度和提升管出口溫度的目的，減少重油原料的過裂化反應(yīng)，即通過向流化床反應(yīng)器內(nèi)補充熱的再生催化劑的技術(shù)措施來實現(xiàn)分區(qū)精準(zhǔn)控制，以滿足重質(zhì)原料的一次裂化反應(yīng)和汽油餾分的二次裂化反應(yīng)對催化劑活性和反應(yīng)環(huán)境的不同要求，達到增產(chǎn)丙烯、同時降低干氣和焦炭產(chǎn)率的目的。

表2為DCC-plus與DCC中型試驗結(jié)果[12]。從表2可知，無論是加工中間基VGO原料，還是加工中間基VGO摻減壓渣油原料，DCC-plus與DCC相比，丙烯產(chǎn)率大幅提高，分別提高了1.67百分點和2.88百分點，而干氣和焦炭產(chǎn)率大幅下降，分別下降了4.08百分點和7.19百分點。DCC-plus裝置的經(jīng)濟效益明顯優(yōu)于DCC裝置。

表2 DCC-plus與DCC中型試驗結(jié)果[12]

第一套1.2 Mt/a DCC-plus工業(yè)裝置于2014年2月在中海油東方石化有限公司(簡稱東方石化)建成并投產(chǎn)，之后中海油大榭石化有限公司(簡稱大榭石化)2.2 Mt/a、大慶龍油石化有限公司(簡稱龍油石化)2.3 Mt/a、泰國IRPC公司1.5 Mt/a和印度HRRL公司2.3 Mt/a等大型DCC-plus工業(yè)裝置相繼開工。目前還有1套4.0 Mt/a和1套3.2 Mt/a的DCC-plus裝置分別在山東裕龍石化有限公司和大榭石化建設(shè)中，另有多套裝置正處在可行性研究和設(shè)計階段。

泰國IRPC公司在其0.9 Mt/a DCC裝置連續(xù)運轉(zhuǎn)20 a后又建設(shè)了1套1.5 Mt/a DCC-plus裝置，在該企業(yè)化工型煉油廠建設(shè)中DCC技術(shù)起到了關(guān)鍵作用。大榭石化以2.2 Mt/a DCC-plus裝置為核心建成了6.0 Mt/a原油加工規(guī)模的化工型煉油廠，該裝置加工50%常壓渣油與50%加氫裂化尾油的混合原料，其乙烯產(chǎn)率達到5.6%，丙烯產(chǎn)率達到21.5%；現(xiàn)在正在擴建成12.0 Mt/a原油加工規(guī)模的化工型煉油廠，另建1套3.2 Mt/a DCC-plus裝置。同一家企業(yè)建設(shè)多套DCC裝置，表明DCC技術(shù)得到了用戶的充分認(rèn)可。

2 原料適應(yīng)性

由于DCC工藝是在催化裂化反應(yīng)-再生催化劑連續(xù)循環(huán)操作模式的基礎(chǔ)上開發(fā)的，原則上催化裂化裝置所能加工的原料都可以在DCC裝置加工。但與傳統(tǒng)催化裂化技術(shù)主要生產(chǎn)汽油和柴油等液體產(chǎn)品不同，DCC技術(shù)的主要目的產(chǎn)品是丙烯。丙烯產(chǎn)率的高低，直接關(guān)系到DCC裝置的經(jīng)濟性，丙烯產(chǎn)率越高，其經(jīng)濟性越好。

一般來說，原料油的氫含量和飽和烴含量越高，其催化裂解的丙烯產(chǎn)率越高。對于不同烴族組成的原料油，其中的鏈烷烴催化裂解生成丙烯的反應(yīng)性能最優(yōu)，環(huán)烷烴次之，而芳烴最差。而且，隨著鏈烷烴組分沸點的升高，其轉(zhuǎn)化率增加，丙烯產(chǎn)率也明顯增加[13]。將原料油的性質(zhì)與丙烯產(chǎn)率進行關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)不同原料油的丙烯產(chǎn)率與其密度、族組成、氫含量、相對分子質(zhì)量等性質(zhì)密切相關(guān)[14]。

現(xiàn)有DCC工業(yè)裝置加工的原料包括：①石蠟基、中間基和環(huán)烷基蠟油及其摻渣油和二次加工油的混合油，加工性質(zhì)最差的遼河蠟油時丙烯產(chǎn)率可以達到15.6%；②石蠟基常壓渣油、加氫和不加氫的中間基常壓渣油以及加氫的阿拉伯常壓渣油，加工大慶常壓渣油時丙烯產(chǎn)率最高可以達到24.6%；③重油摻直餾柴油和加氫催化裂化柴油，直餾柴油的摻煉比例最高達到50%，加工60%加氫俄羅斯常壓渣油和40%加氫俄羅斯直餾柴油的混合原料時丙烯產(chǎn)率可以達到18.5%。

3 操作靈活性

DCC工業(yè)裝置在實際生產(chǎn)過程中顯示出很大的靈活性，無論是加工原料的調(diào)整，還是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整，都能很好地適應(yīng)市場的變化。

中國化工集團下屬的沈陽石蠟化工有限公司和大慶中藍石化有限公司DCC裝置的設(shè)計原料都為大慶常壓渣油，但后來由于大慶油斷供就直接加工100%未加氫俄羅斯常壓渣油；龍油石化DCC裝置的設(shè)計原料為加氫常壓渣油，但實際加工的是加氫的常壓渣油和直餾柴油的混合油，直餾柴油摻煉比例最高達到50%；揚州石化有限責(zé)任公司還進行了全原油催化裂解工業(yè)試驗。

根據(jù)市場需求變化和實際生產(chǎn)要求，DCC裝置可以在烯烴方案和油品方案之間進行切換操作。表3列出了中國石化濟南分公司(濟南煉化)和中國石化安慶分公司(安慶石化)DCC裝置和東方石化DCC-plus裝置操作切換過程中的工業(yè)運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)[8-9，15-16]。從表3可知：與烯烴方案相比，按油品方案操作時，濟南煉化的丙烯產(chǎn)率減少31.7%、裂解石腦油產(chǎn)率增加54.1%，安慶石化的丙烯產(chǎn)率減少20.0%、裂解石腦油產(chǎn)率增加37.7%；東方石化前期由于化工裝置建設(shè)滯后，采用了油品方案操作，后期化工裝置建成后恢復(fù)了烯烴方案操作，與油品方案相比，烯烴方案操作時丙烯產(chǎn)率增加125.8%、裂解石腦油產(chǎn)率減少37.4%、裂解輕油產(chǎn)率減少20.0%。由此可見，DCC裝置的產(chǎn)品分布調(diào)整非常靈活，操作彈性比較大。

表3 DCC/DCC-plus裝置烯烴方案和油品方案切換操作的工業(yè)運轉(zhuǎn)結(jié)果

4 化工型煉油廠的應(yīng)用實例

目前主流化工型煉油廠的流程有3類：第1類以加氫裂化為核心，最大化地為重整裝置提供原料，以對二甲苯為主要目的產(chǎn)品，如浙江石油化工有限公司、恒力石化股份有限公司等；第2類以催化裂解為核心，重油直接轉(zhuǎn)化成烯烴，以丙烯為主要目的產(chǎn)品，如大榭石化、東方石化、龍油石化、泰國IRPC公司和沙特Rabigh煉化公司等；第3類是原油直接裂解，如ExxonMobil公司開發(fā)的原油蒸汽裂解、Aramco公司開發(fā)的原油制化學(xué)品以及石科院開發(fā)的原油催化裂解等工藝。

選取4個典型煉化一體化企業(yè)煉油裝置的產(chǎn)品分布進行對比，結(jié)果列于表4。其中，油品率是指汽油、柴油和噴氣燃料的總產(chǎn)量占原油加工量的比例，而化學(xué)品率是指丙烯、芳烴和乙烯原料的總產(chǎn)量占原油加工量的比例。從表4可知：重油加工以催化裂化為核心時，其油品率達62.9%，而化學(xué)品率僅為21.3%；兩個以加氫裂化為核心的煉化一體化企業(yè)，其油品率分別為49.7%和45.1%，而化學(xué)品率分別達到37.6%和46.0%；而重油加工以DCC-plus為核心時，其油品率可以低至16.0%，化學(xué)品率可以大幅增加至67.3%。

表4 4個典型煉化一體化企業(yè)煉油裝置的產(chǎn)品產(chǎn)量對比

上述結(jié)果顯示出DCC在煉化一體化企業(yè)少產(chǎn)油品、增產(chǎn)化學(xué)品的特點，說明其在化工型煉油廠建設(shè)中能發(fā)揮重要作用。據(jù)此提出了一個以DCC為核心的全化工型煉油廠流程，如圖2所示。其設(shè)計原則為：宜烯則烯、有芳則芳、減油增化，通過做大、做優(yōu)DCC裝置，使煉化一體化企業(yè)的化學(xué)品率達到最大值，甚至不出油品。

圖2 以DCC為核心的全化工型煉油廠流程示意

對于國內(nèi)市場，以DCC為核心的化工型煉油廠流程具有以下優(yōu)勢：①現(xiàn)有煉油廠可以通過對催化裂化裝置改造來實現(xiàn)，可以實現(xiàn)存量資產(chǎn)的增值；②可以多產(chǎn)化工原料，且種類豐富，有利于后續(xù)化工利用；③走出一條中國特色的非石腦油蒸汽裂解的低成本烯烴生產(chǎn)路線。

5 結(jié) 論

(1)在我國煉油能力日益過剩、成品油需求增長放緩、替代能源迅猛發(fā)展等多重壓力下，減產(chǎn)油品、多產(chǎn)化工原料及化學(xué)品是未來煉油廠轉(zhuǎn)型的發(fā)展方向。

(2)DCC和DCC-plus技術(shù)具有丙烯產(chǎn)率高、原料適應(yīng)性強、產(chǎn)品調(diào)整靈活等特點，大榭石化2.2 Mt/a DCC-plus 裝置加工50%常壓渣油與50%加氫裂化尾油的混合原料，其乙烯產(chǎn)率達到5.6%，丙烯產(chǎn)率達到21.5%；東方石化DCC-plus裝置進行了油品方案和烯烴方案兩種生產(chǎn)模式的切換操作，與油品方案相比，烯烴方案操作時丙烯產(chǎn)率增加125.8%，裂解石腦油產(chǎn)率減少37.4%，裂解輕油產(chǎn)率減少20.0%。

(3)DCC及DCC-plus技術(shù)在國內(nèi)外得到工業(yè)推廣應(yīng)用，其技術(shù)可靠性、原料適應(yīng)性、操作靈活性以及裝置大型化和長周期運轉(zhuǎn)效果都已得到工業(yè)驗證。

(4)以DCC裝置為核心的化工型煉油廠流程，其油品率可以低至16.0%，而化學(xué)品率高達67.3%，表明DCC技術(shù)是構(gòu)建新一代全化工型煉油廠具有競爭力的技術(shù)選擇。