高苛刻度延遲焦化裝置摻煉催化裂化油漿的工業(yè)實踐

顧 承 瑜

(中國石化金陵分公司，南京 210033)

延遲焦化是當前煉油廠劣質(zhì)重油加工的重要手段，我國現(xiàn)有延遲焦化裝置100余套，總加工能力超過110 Mt/a，居世界第二位[1]。中國石化擁有30余套焦化裝置，加工能力超過40 Mt/a。隨著加工原料的日益劣質(zhì)化和環(huán)保要求的逐步提高，延遲焦化裝置作為煉油廠的“垃圾桶”，一方面可平衡煉化企業(yè)重油加工，處理最為劣質(zhì)的重油；另一方面也可處理催化裂化油漿、脫油瀝青、污油、浮渣等其他裝置難以處理的物料，具備一定的平衡和環(huán)保功能[2-3]。隨著聯(lián)鎖順控和密閉除焦等技術(shù)的應(yīng)用，延遲焦化裝置自身的安全環(huán)保技術(shù)水平得到了明顯改善，從而在新形勢下提高了延遲焦化工藝的生命力。

催化裂化油漿是催化裂化裝置較難轉(zhuǎn)化而外甩的副產(chǎn)物，一般外甩量為裝置處理量的3%～10%。催化裂化油漿的品質(zhì)差、芳香分含量高、灰分高，含有催化劑顆粒，目前主要的處理方式是作為燃料油調(diào)合組分和延遲焦化裝置的原料進行摻煉。因油漿中存在催化劑顆粒，會導(dǎo)致燃料噴嘴磨損，且由于燃料油消費稅提高，油漿作為燃料油的效益較差[4]。因此，油漿進入延遲焦化裝置摻煉，生產(chǎn)干氣、液化氣、汽油、柴油、蠟油和石油焦等產(chǎn)品，成為多數(shù)煉油廠催化裂化油漿處理的主要途徑[5-7]，具有相對較好的經(jīng)濟效益。

目前，延遲焦化裝置加工催化裂化油漿主要有兩種摻入方式：一種是將催化裂化油漿直接與減壓渣油混合，然后經(jīng)過換熱器、分餾塔、加熱爐等，最后進入焦炭塔進行生焦反應(yīng)；另一種是將催化裂化油漿單獨加熱至500 ℃左右，在加熱爐出口與渣油混合，然后進入焦炭塔反應(yīng)。前者只需少量改動即可利用現(xiàn)有裝置進行油漿摻煉，且油漿摻煉比例可靈活調(diào)節(jié)，但油漿固含量高時，存在換熱器易結(jié)垢、進料流量控制閥沖刷腐蝕、泵葉輪磨損等問題[8-11]；后者油漿不經(jīng)過換熱器和分餾塔，可避免催化劑沉積結(jié)垢問題，但需新建油漿加熱爐，受裝置空間和投資等限制，僅適用于部分有條件的裝置[12-13]。然而，由于催化裂化油漿中的短側(cè)鏈的芳香分含量高，熱反應(yīng)活性低，無論采用哪種摻煉方式，都需要提高催化裂化油漿在延遲焦化裝置的轉(zhuǎn)化深度，緩解催化裂化油漿在延遲焦化-蠟油加氫-催化裂化裝置間的“跑龍?zhí)住眴栴}[14]。

為發(fā)揮延遲焦化裝置加工催化裂化油漿的優(yōu)勢，提高摻煉催化裂化油漿的綜合效益，調(diào)研了國內(nèi)不同裝置催化裂化油漿的組成與性質(zhì)，采用重油微型熱反應(yīng)裝置，研究催化裂化油漿與減壓渣油的熱反應(yīng)產(chǎn)品分布差異，以及摻煉比例對產(chǎn)品分布的影響。針對摻煉催化裂化油漿的特點，對某延遲焦化裝置進行了提高焦化爐反應(yīng)苛刻度的技術(shù)改造，在高苛刻度延遲焦化裝置上進行了摻煉催化裂化油漿的工業(yè)實踐。

1 催化裂化油漿組成特點

催化裂化油漿是經(jīng)過高溫催化反應(yīng)的副產(chǎn)物，主要成分為一環(huán)至五環(huán)芳烴，其次為飽和烴，還含有一定量的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)。表1為加工不同原料催化裂化裝置油漿的主要性質(zhì)對比[7，15]。

表1 不同裝置催化裂化油漿性質(zhì)對比

不同來源催化裂化油漿的對比數(shù)據(jù)表明，與減壓渣油相比，催化裂化油漿具有密度大(通常大于1 000 kg/m3)，芳香分含量高，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量低，殘?zhí)康?，固含量?主要是催化劑)的特點。由于原油種類及催化裂化/裂解反應(yīng)條件、催化劑旋風(fēng)分離效果等存在較大差別，不同裝置副產(chǎn)的催化裂化油漿組成也具有一定的差異性。表1中不同催化裂化油漿的芳香分質(zhì)量分數(shù)從最低47.4%到最高88.4%，差別很大；H/C原子比最高為1.38，最低為1.03。由此可知，不同催化裂化油漿的反應(yīng)特性和產(chǎn)品分布也會存在一定差異。此外，文獻[16]報道，催化裂化油漿的微量法殘?zhí)颗c電爐法殘?zhí)看嬖谳^大差別，主要原因是兩種殘?zhí)繙y量方法的反應(yīng)溫度和油氣分壓不同，而油漿在測試溫度下的生焦率對油氣分壓較為敏感，導(dǎo)致催化裂化油漿的微量法殘?zhí)棵黠@小于電爐法殘?zhí)?。因此，參考催化裂化油漿殘?zhí)繒r應(yīng)明確測試方法。

2 催化裂化油漿反應(yīng)特性

為了考察催化裂化油漿的熱反應(yīng)特性，采用重油熱加工性能微反評價裝置[17]，分別在相同熱反應(yīng)條件下(500 ℃、2 h和500 ℃、4 h)進行金陵減壓渣油、金陵油漿和不同油漿摻煉比例(w，下同)下的熱反應(yīng)試驗，主要結(jié)果見表2。

表2 催化裂化油漿、減壓渣油及不同油漿摻煉比例下的熱反應(yīng)試驗結(jié)果

條件一(500 ℃，2 h)下的試驗結(jié)果顯示，盡管催化裂化油漿的殘?zhí)康陀跍p壓渣油，但相同反應(yīng)條件下，油漿的焦炭產(chǎn)率和氣體產(chǎn)率均明顯高于減壓渣油，純油漿的焦炭產(chǎn)率高達36.63%，摻煉油漿后減壓渣油的焦炭產(chǎn)率隨油漿摻煉比例的增大而不斷升高。條件二(500 ℃，4 h)下的評價結(jié)果顯示：增加反應(yīng)時間后，減壓渣油的產(chǎn)品分布變化很小，表明生焦反應(yīng)較為徹底；而催化裂化油漿的焦炭產(chǎn)率降低了3.07百分點，氣體產(chǎn)率和液體收率分別增加了0.54百分點和2.53百分點，摻煉油漿后減壓渣油的焦炭產(chǎn)率也較條件一時有所降低，表明高芳烴含量的催化裂化油漿發(fā)生斷鏈與縮合反應(yīng)需要更多的熱量和更高的反應(yīng)苛刻度。文獻[14]中的工業(yè)試驗結(jié)果亦表明，提高焦炭塔壓力、加熱爐出口溫度及裝置循環(huán)比等有利于提高催化裂化油漿的芳烴轉(zhuǎn)化率，但提高焦炭塔壓力和循環(huán)比將增加裝置焦炭產(chǎn)率，提高加熱爐出口溫度會加速焦化爐管的結(jié)焦。

3 焦化爐高苛刻度改造

如上所述，催化裂化油漿因芳香分含量高，熱反應(yīng)活性低，進延遲焦化裝置摻煉時需提高其反應(yīng)苛刻度，從而緩解油漿在裝置間的“跑龍?zhí)住眴栴}。為了提高延遲焦化裝置摻煉催化裂化油漿的轉(zhuǎn)化深度，同時確保裝置長周期運行，對某1.80 Mt/a延遲焦化裝置焦化爐進行了高苛刻度技術(shù)改造。在焦化爐輻射室入口增加6根爐管(Φ114 mm×8.56 mm，共6路進料)，焦化爐輻射進料先進入新增的6根爐管，再進入輻射室底部爐管，自下往上流動，最后從輻射室頂部出焦化爐，進入焦炭塔。通過增加輻射爐爐管的方式延長物料在爐管內(nèi)的反應(yīng)停留時間，從而可在不提高爐出口溫度的情況下，增加爐管內(nèi)物料的轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)苛刻度，有利于延緩高苛刻度下焦化爐爐管結(jié)焦。焦化爐改造前后的關(guān)鍵工藝參數(shù)與模擬結(jié)果如表3所示。

表3 焦化爐改造前后關(guān)鍵工藝參數(shù)與模擬結(jié)果

模擬結(jié)果顯示，增加輻射爐爐管后，焦化爐爐管內(nèi)430 ℃以上餾分停留時間由36 s延長至50 s，管內(nèi)裂化轉(zhuǎn)化率由8%提高至12%，同時由于增加了爐管吸熱面積，降低了爐管平均熱強度，爐管最高邊界層溫度由515 ℃降至508 ℃。因此，采用延長爐管內(nèi)反應(yīng)停留時間的方式，增加焦化爐管內(nèi)反應(yīng)給熱量，有利于提高摻煉油漿的轉(zhuǎn)化率，并在高苛刻度下控制焦化爐爐管結(jié)焦速率。

4 工業(yè)應(yīng)用效果分析

為了考察高苛刻度延遲焦化裝置摻煉油漿的效果，對裝置改造前后的運行數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析。為提高對比數(shù)據(jù)的代表性，統(tǒng)計數(shù)據(jù)均采用月度平均值，對比工況加工的減壓渣油和催化裂化油漿來自相同的上游裝置，原料性質(zhì)相近，焦化爐出口溫度、裝置循環(huán)比和焦炭塔壓力相同。

4.1 爐管壁溫

焦化爐管壁溫度是監(jiān)測爐管結(jié)焦狀況的主要依據(jù)，管壁熱偶溫升速率能反映爐管的結(jié)焦速率。為了全面監(jiān)測關(guān)鍵爐管結(jié)焦情況，從焦化爐出口起向內(nèi)第8根爐管上設(shè)置了10支壁溫?zé)犭娕?。采用有效管壁熱電偶測量結(jié)果的平均值作為監(jiān)測指標，以盡量消除負荷波動、火焰飄散、熱電偶誤差等因素的干擾，統(tǒng)計了改造前后一個清焦周期內(nèi)的爐管壁溫變化情況，結(jié)果如圖1所示。由圖1可見，因改造后爐管平均熱強度和爐膛溫度降低，爐管壁溫的總體溫升趨勢較改造前有所緩解，表明焦化爐高轉(zhuǎn)化率條件下，爐管結(jié)焦速率可得到有效控制，未出現(xiàn)升溫速率加快的情況。

圖1 改造前后的爐管壁溫變化情況

為了考察裝置產(chǎn)品分布變化情況，統(tǒng)計了原料性質(zhì)相近情況下改造前后1個月的產(chǎn)品分布數(shù)據(jù)，對比結(jié)果如表4所示。由表4可見，改造后焦化爐出口轉(zhuǎn)化率由8%提高至12%，裝置石油焦收率降低了1.1百分點，干氣產(chǎn)率增加了0.4百分點，液化氣和汽油收率均增加了0.2百分點，重蠟油收率增加了0.3百分點，柴油和輕蠟油收率變化較小。這是因為在生焦反應(yīng)后期，裂化反應(yīng)以短側(cè)鏈的斷鍵為主，因此產(chǎn)生的主要是小分子組分。

表4 改造前后的裝置產(chǎn)品分布

4.2 產(chǎn)品質(zhì)量

石油焦的揮發(fā)分含量是反映延遲焦化裝置原料“吃干榨盡”程度的重要指標。在相同原料條件下，石油焦的揮發(fā)分含量越低，代表原料的熱轉(zhuǎn)化程度越高，通常石油焦中的氫含量也隨之降低。統(tǒng)計對比了改造前后1個月的石油焦性質(zhì)數(shù)據(jù)，結(jié)果列于表5。由表5可見，改造后石油焦揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)較改造前降低2.1百分點，表明原料的熱轉(zhuǎn)化程度有所提高，高苛刻度條件有利于油漿的深度轉(zhuǎn)化。

表5 改造前后的石油焦性質(zhì)

5 結(jié) 論

針對延遲焦化裝置摻煉催化裂化油漿時油漿轉(zhuǎn)化率低，容易在裝置間“跑龍?zhí)住钡膯栴}，采用重油微型反應(yīng)裝置，研究了催化裂化油漿的熱反應(yīng)特性。在工業(yè)延遲焦化裝置上進行了高苛刻度摻煉催化裂化油漿的工業(yè)實踐。

(1)盡管催化裂化油漿的殘?zhí)康陀跍p壓渣油，但在相同反應(yīng)條件下，油漿的焦炭產(chǎn)率和氣體產(chǎn)率均高于減壓渣油，純油漿在500 ℃、2 h反應(yīng)條件下焦炭產(chǎn)率高達36.63%。反應(yīng)時間由2 h延長到4 h后，減壓渣油的產(chǎn)品分布變化很小，而催化裂化油漿的焦炭產(chǎn)率降低了3.07百分點，表明催化裂化油漿熱反應(yīng)需要更多的熱量和更高的反應(yīng)苛刻度。

(2)焦化爐高苛刻度改造后，爐管壁溫的總體溫升趨勢較改造前有所緩解，爐管結(jié)焦速率得到了有效控制。改造后焦化爐出口轉(zhuǎn)化率由8%提高至12%，裝置石油焦收率降低了1.1百分點，干氣產(chǎn)率增加了0.4百分點，液化氣和汽油收率均增加了0.2百分點，在生焦反應(yīng)后期，產(chǎn)生的主要是小分子組分。

(3)焦化爐高轉(zhuǎn)化率條件下，石油焦揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)較改造前降低2.1百分點，表明原料的熱轉(zhuǎn)化程度提高，高苛刻度條件有利于油漿的深度轉(zhuǎn)化。