重質原油焦化和傳統減壓渣油焦化的對比研究

張 帆

（中油國際（蘇丹）煉油有限公司，蘇丹 喀土穆）

延遲焦化具有原料選擇范圍廣、工藝相對成熟、裝置投資成本低等特點，是目前世界上最重要的渣油加工工藝。隨著原油開采深度的加深，原油質量日益變差，高酸、高鈣、高黏度的劣質原油較多。煉油廠加工的原油重質化、劣質化趨勢越來越明顯，這些重質原油具有密度大、輕餾分含量少、硫含量高和酸值高等特點。考慮到原油輸送、加工難度、投資成本等多方面的因素，傳統加工路線已很難應對這些重質原油，重質原油直接焦化工藝路線已成為一些煉油企業首選的加工劣質原油的方案。本文主要介紹重質原油焦化裝置的特點，對重質原油焦化與傳統減壓渣油焦化的腐蝕類型、產品分布、加熱爐及焦炭塔運行情況、開工過程操作情況等方面進行比較。

1 重質原油焦化裝置的主要特點

重質原油的常壓餾出率低，直接用焦化工藝路線加工具有工藝流程短、投資少、能耗低、經濟效益好的特點。一般來講，重質原油的延遲焦化裝置設計具有以下特點。

1.1 裝置的配套工藝豐富

重質原油中鹽、鈣含量高，為延長裝置加熱爐的運行周期，需要對重質原油進行預處理，因此原油焦化裝置一般配有原油電脫鹽、脫鈣工藝。焦化瓦斯氣直接作為煉油廠燃料氣使用，為降低瓦斯中硫含量對加熱爐的影響，配有吸收穩定和干氣脫硫工藝；為降低焦化液化氣中的硫及硫醇含量，配有液化氣脫硫和脫硫醇工藝。這些配套工藝的應用，大大豐富了延遲焦化的工藝內涵，使其成為加工工藝更完備、工藝流程更精細、產品更豐富的直接加工原油的裝置。

1.2 重質原油酸值高，對裝置的工藝水平和抗腐蝕性能要求高

重質原油的加工難度主要體現在：①酸值高，對設備及管線腐蝕嚴重；②常壓石腦油、煤油、柴油的收率偏低，且柴油的酸值較高；③蠟油酸值高、難裂化，作催化裂化原料時輕質油收率偏低；④鈣含量高、金屬含量較高，給電脫鹽帶來困難。

選擇直接焦化工藝路線對重質原油進行加工，主要是利用焦化反應的高溫熱脫酸作用，降低焦化反應后的環烷酸腐蝕問題。焦化反應溫度在495～500℃之間，而石油羧酸熱穩定性差，可以有效破壞石油羧酸。中國石化石油化工科學研究院對蘇丹六區重質原油進行焦化中型試驗的結果表明，通過焦化反應，可以有效地降低焦化餾分油的酸值，脫酸率在95%以上。但如何解決焦化反應之前的高溫油環烷酸腐蝕問題，成為裝置設計和運行過程中的主要技術難點和重點。環烷酸腐蝕的主要規律為：當介質溫度在180℃以下時，環烷酸不發生腐蝕，以后隨溫度提高腐蝕逐漸增加，在270～280℃時達到最大，溫度再升高腐蝕又下降，到350℃附近腐蝕又急驟增加，420℃以上沒有環烷酸腐蝕。通過對比環烷酸腐蝕隨溫度變化的規律與焦化反應及各換熱段的溫度可以看出，直接加工重質原油的焦化裝置，自原油電脫鹽裝置之后，至焦化反應塔之前，所有高溫油流經的管線和設備都不同程度地存在著環烷酸腐蝕問題。這就對裝置的工藝水平和抗腐蝕性能提出了很高的要求。

1.3 分餾塔兼有常壓分餾塔的作用

原油焦化裝置不論采取何種流程設計，都是充分利用裝置的余熱，將首次進入分餾塔的原油加熱到365℃或更高一些，焦化原料油中的常壓組分在焦化分餾塔中被拔出，以降低焦化加熱爐負荷。同時由于焦化反應的熱脫酸作用，焦化餾分油的酸值較低，與在焦化分餾塔中蒸餾出的直餾餾分通過焦化分餾塔混合后，可降低原油焦化產品中石腦油、柴油、蠟油的酸值，有利于減輕對下游裝置的腐蝕。

1.4 加工原料靈活性高

傳統延遲焦化裝置除加工常、減壓渣油以外，還可加工煉油廠各種高密度油漿、脫油瀝青等非常規油，被稱為煉油廠的“垃圾處理廠”。加工重質原油的焦化裝置興起以后，改變了人們對傳統延遲焦化裝置的觀念和認識，延遲焦化裝置在煉油廠加工工藝中的地位也有了很大的提升，但重質原油焦化裝置作為“垃圾處理廠”的作用卻并沒有因此而消弱。重質原油焦化裝置除加工重質原油外，還可大比例摻煉常壓渣油、減壓渣油或適量摻煉煉油廠各種高密度、高黏度非常規重油，且摻煉過程中對裝置加熱爐運行的負面效應比傳統減壓渣油焦化裝置更小，原料處理的靈活性更高。

1.5 重質原油深度脫鹽、脫鈣難度大，電脫鹽裝置實際運行效果差

重質原油深度脫鹽、脫鈣，可以減輕因水解而形成的分餾塔頂HCl腐蝕，降低加熱爐結焦前體物的生成速率，延緩加熱爐結焦。但由于重質原油密度大，原油中的環烷酸鈉、環烷酸鈣及其它油溶性有機鈣化合物又是天然的乳化劑，使油水混合形成穩定的乳化液，造成油水分離困難和電脫鹽處理過程不穩定，脫鹽、脫鈣、脫水效率差。

2 傳統延遲焦化原料和重質原油焦化原料的性質比較

減壓渣油是傳統的延遲焦化原料，原油中所含的硫、氮、膠質、瀝青質及金屬雜質，絕大部分都殘留和濃縮在減壓渣油中。表1是國內幾種傳統焦化原料油的性質。表2為國內外主要重質原油的性質。

表1 國內幾種傳統焦化原料油的性質

表2 重質原油的性質

對比表1、表2可以看出：重質原油的密度與減壓渣油相接近，黏度總體比減壓渣油略低；減壓渣油殘炭高，金屬含量高，膠質和瀝青質含量高；重質原油酸值高，鈣含量高。

通過分析重質原油的直餾餾分收率及性質，可更清晰地看出重質原油作為焦化原料時的特點。表3是蘇丹六區重質原油的直餾餾分收率及其性質。

從表3可以看出，重質原油中重餾分多，常、減壓渣油收率高，常壓渣油收率達到85.98%，減壓渣油收率達到64.38%，小于500℃餾分油收率為35.62%，正是由于這部分組分的存在，使重質原油焦化的操作和產品性質有別于傳統的減壓渣油焦化。

表3 蘇丹六區重質原油的直餾餾分收率及其性質

3 重質原油焦化與傳統渣油焦化的主要差異

以重質原油為原料的焦化裝置主要應對一些輸送成本高、加工難度大、常減壓拔出率較低的劣質原油。重質原油焦化裝置自設計到運行過程中都與傳統焦化裝置存在一定的差異。

3.1 腐蝕類型

減壓渣油是原油減壓蒸餾中的最終餾分，集中了原油中70%左右的硫。對于加工減壓渣油的焦化裝置，腐蝕類型主要包括高溫硫腐蝕、低溫硫化氫腐蝕以及其它一些焦化裝置存在的常規腐蝕。高溫硫腐蝕從240℃開始，溫度越高腐蝕越強，到480℃達到最高點。而對于直接加工重質原油的焦化裝置，就目前的狀況來看，其加工的一般都是高酸值、高鈣的劣質原油，所以環烷酸腐蝕為最主要的腐蝕類型，又因其直接加工原油，所以原油蒸餾裝置和焦化裝置的一些常規腐蝕也會經常遇到，而且情況更加復雜。表4為兩種焦化裝置的主要腐蝕類型及腐蝕發生的主要部位。

表4 減壓渣油焦化與重質原油焦化的腐蝕類型對比

重質原油焦化裝置的環烷酸腐蝕一般通過材質升級的方式預防；對于低溫硫腐蝕，一般通過在分餾塔頂部揮發線注入中和劑、緩蝕劑來降低塔頂冷凝器的腐蝕。分餾塔塔頂循環系統的溫度較低，塔頂循環油中水含量高，為降低對頂循環換熱器的腐蝕，也可以考慮在塔頂循環系統注入中和劑和緩蝕劑。

3.2 產品分布

由于原料性質存在差異，減壓渣油焦化和重質原油焦化在產品分布上有明顯的區別，同時焦化裝置循環比的不同對焦化裝置產品分布也有較大的影響。表5是高酸值的蘇丹原油焦化和國內某減壓渣油焦化的產品分布比較。由表5可以看出：相同循環比（0.2）情況下，重質原油焦化的中間組分收率較高，尤其是柴油組分收率達到了45.57%，汽油、柴油收率總和達到了64.31%，總液體收率為78.84%，焦炭產率較低，為16.78%。而減壓渣油焦化的焦炭產率較高，富氣收率高，總液體收率較低。

表5 減壓渣油焦化與蘇丹原油焦化產品分布比較 w，%

延遲焦化的產品性質受原料影響很大。以重質原油為原料的焦化裝置，其分餾塔兼有常壓分餾塔的功能，因此，其產品可認為是常壓餾分與焦化反應物餾分混合后的產物。常壓餾分的存在改善了焦化產品的性質。

3.3 加熱爐及焦炭塔的運行狀況

3.3.1 加熱爐運行狀況 焦化加熱爐爐管的結焦主要來自于重油中的膠質、瀝青質的縮合反應。以蘇丹六區重質原料油的加工為例，該原油中的膠質、瀝青質質量分數總和為13.87%，常壓蒸餾拔出率為14.02%，假設常壓蒸餾后的膠質、瀝青質仍完全存在于焦化分餾塔塔底油中，在不考慮焦化循環油所占分餾塔塔底油比例的情況下，可大概計算出膠質、瀝青質在其常壓渣油中的質量分數為17.2%左右，此含量仍遠遠低于一般的減壓渣油中的膠質、瀝青質含量。這個結果說明，利用重質原油作焦化原料時，其加熱爐的結焦傾向遠低于減壓渣油作原料的焦化裝置加熱爐。

對重質原油焦化而言，焦化分餾塔塔底溫度一般控制在365℃左右，并未將減壓餾分拔出（以蘇丹六區原油為例，減壓拔出組分占原油的21.6%，參見表3），而是與焦化塔的塔底循環油混合后直接進焦化加熱爐，這就大大增加了焦化加熱爐的冷油流速，同時減壓餾分提前在爐管中部分汽化，大大提高了加熱爐爐管的湍流速度，有利于管內邊界油膜層破裂，增大了結焦前體物的脫落速率，即降低了加熱爐的結焦速率。相反，對于加工減壓渣油的加熱爐，原料在爐管中的汽化率低，加之原料黏度高，邊界油膜層厚度較厚，結焦前體物生成速率高，而脫落速率低，所以其加熱爐爐管的結焦傾向性更高。

綜上所述，加工重質原油的焦化加熱爐的運行效果會明顯優于加工減壓渣油的加熱爐。從實際運行結果來看，減壓渣油焦化加熱爐的主要結焦部位是加熱爐輻射爐管和轉油線，某些減壓渣油焦化加熱爐甚至出現了對流爐管結焦的現象，裝置滿負荷生產時，開工周期很難維持到2～3年，有些裝置在開工不到1年后，就被迫低負荷生產或者停工燒焦，且在裝置停工清焦時，轉油線結焦靠燒焦不能完全清除，需要借助高壓清洗設備。而重質原油焦化加熱爐的實際運行情況則明顯優于減壓渣油焦化加熱爐，以蘇丹重質稠油焦化加熱爐為例，該焦化系統由兩套1.0Mt/a焦化裝置組成，表6是該焦化系統投產至今加熱爐運行效果總結。從表6可以看出，重質原油焦化的加熱爐在運行中不存在嚴重的結焦情況。就目前情況來看，加熱爐結焦問題已不是裝置長周期運行的主要瓶頸。

表6 蘇丹稠油焦化加熱爐運行情況總結

3.3.2 焦炭塔運行狀況 以表3、表5數據為參考，在循環比為0.2的情況下，定量計算加工量為100t/h時重質原油和減壓渣油焦化焦炭塔內的油氣流速情況。對于重質原油焦化，焦化氣、液體產品的總收率為83.22%，假設常壓餾分（14.02%）在分餾塔內完全脫除，焦炭塔內油氣組成的質量流量為（83.22%－14.02%）×100t/h＝69.20t/h，循環油氣流量為20t/h，焦化反應塔內的油氣質量流量為88.64t/h。對于減壓渣油焦化，焦塔內油氣組成即焦化氣、液產品的流量總和為71.04t/h，循環油氣流量為20t/h，減壓渣油焦化反應塔內的油氣質量流量為91.04t/h。從以上數據分析來看，相同狀況下加工重質原油（重質原油常壓拔出率15%左右）和減壓渣油的焦炭塔內油氣質量流量大體相當。

根據以上各表數據計算相同狀況下原油焦化裝置和減壓渣油焦化裝置焦炭塔內氣相線速，結果如表7所示。因缺乏該蘇丹原油350℃以下窄餾分組成詳細數據，在計算焦炭塔內富氣、汽油和柴油組成時，將蘇丹原油初餾點～165℃時直餾油組分計入汽油組分，而將165～240℃、240～350℃直餾油組分計入柴油組分，并假設其常壓餾分在分餾塔內能完全脫除。由表7可知：在相同的操作條件下，加工量為100t/h時，原油焦化裝置焦炭塔內氣相線速為0.117m/s；減壓渣油焦化裝置焦炭塔內氣相線速為0.130m/s，略高于原油焦化裝置焦炭塔內的氣相線速。這與二者的產品分布有直接關系，原油焦化裝置雖然焦炭產率低，汽油、柴油收率較高，但富氣收率低，且汽油、柴油收率的一部分來自于原油的直接蒸餾；減壓渣油焦化富氣收率是原油焦化裝置的2倍以上，富氣體積流量占整個油氣流量的比例較大（約1/3）。綜合來看，原油焦化裝置焦炭塔內的氣相線速略低于減壓渣油焦化裝置。

表7 原油焦化裝置、減壓渣油焦化裝置的焦炭塔內氣相線速計算結果

3.4 開工過程的操作情況

3.4.1 減壓渣油焦化開工特點 減壓渣油是原油深拔以后的殘留油，在開工的各階段恒溫過程中，很少有輕組分拔出，所以工藝上一般采用蠟油－渣油開工方案，即先引入蠟油循環升溫，在爐出口350℃恒溫以后改為渣油進料，其主要優點是脫除輕組分的時間短，開工循環過程中，加熱爐出口350℃時輻射進料離心泵容易投運。蒸汽往復泵高溫運行時間短，有利于安全運行。減壓渣油焦化開工中存在的主要問題是在切換四通閥以后，調整操作難度較大。調整操作過程中的缺點如下：①切換四通閥后，受焦炭塔溫度影響，焦化反應不完全，蠟油量大，油氣進分餾塔后，大量蠟油進入分餾塔底，導致分餾塔塔底液面高，加熱爐負荷變大，由于此時對流室流量較小，對流油易超溫；②側線回流建立困難；③對流油溫度高，進入分餾塔底部致使分餾塔底部超溫；④蠟油外送量大，蠟油泵超負荷運行，造成部分換熱器超溫；⑤切換四通閥以后的調整時間較長，加熱爐波動大，容易造成爐管結焦。3.4.2 重質原油焦化開工特點 重質原油焦化開工過程可簡單歸納為三個部分：①重質原油的低溫循環（150，200，250℃），主要進行裝置儀表調試，脫水；②重質原油300℃和350℃循環，主要拔出常壓餾分；③升溫至460℃或更高，切換四通閥，裝置調整操作。

為確保加熱爐輻射進料泵的運行，通常爐出口重質原油350℃循環時間長，以保證常壓餾分完全脫除。重質原油焦化開工的優點為：①開工過程簡單，無需柴油、蠟油循環，開工成本低；②由于常壓餾分的存在，分餾側線循環易建立，切換四通閥后操作調整較快；③開工過程中，加熱爐運行波動小，對流段不超溫。

4 結束語

重質原油焦化和常規減壓渣油焦化，從設計到裝置實際運行，都或多或少存在差異。現階段，我國加工重質原油的焦化裝置不多，可借鑒的經驗較少，在裝置實際運行過程中，重質原油焦化裝置主要套用或借鑒常規減壓渣油焦化裝置的經驗。在實際操作和運行過程中，應區別分析、對待兩種不同焦化的問題和現象，切忌將減壓渣油的加工經驗和操作模式生搬硬套。掌握重質原油焦化和減壓渣油焦化的異同點，對重油焦化裝置的操作和管理人員具有重要的意義。