多產清潔汽油的總工藝流程研究和選擇

鞠林青，周亞松，徐春明

（1.中國石油大學（北京）化學工程學院，北京102249；2.中國寰球工程公司）

多產清潔汽油的總工藝流程研究和選擇

鞠林青1，2，周亞松1，徐春明1

（1.中國石油大學（北京）化學工程學院，北京102249；2.中國寰球工程公司）

以規劃新建12 Mt/a加工沙特中質原油的大型煉油廠為例，采用PIMS線性規劃模型，以最大化多產清潔汽油為主要目的，比較了方案1（常壓渣油加氫脫硫＋重油催化裂化）和方案2（渣油加氫脫硫＋重油催化裂化＋加氫裂化）兩種核心總工藝流程。結果表明，在正常的加工模式下，方案1的汽油產量可達到4.474 4 Mt/a，遠高于方案2的4.051 6 Mt/a。在方案1的基礎上，通過催化裂化輕汽油醚化、液化氣的烷基化以及副產的苯與催化裂化干氣中的稀乙烯合成乙苯等措施進一步增產汽油，可增產汽油組分0.718 Mt/a，同時通過優化汽油池中各調合組分的比例，使混合汽油產品性質滿足GB 17930—2013清潔汽油產品質量指標要求。

大型煉油廠 清潔汽油 總工藝流程 渣油加氫脫硫 線性規劃

2012年，我國汽車產、銷量雙雙突破1 900萬輛，石油表觀消費量達到503 Mt，較2011年增長5.6%，其中，原油進口量為269 Mt，對外依存度達到58.8%；成品油表觀消費量為277 Mt，同比增長5.2%；汽油表觀消費量達到86.841 Mt，同比增長12.3%，預計2020年我國汽油需求量將達到110 Mt［1-2］。隨著我國原油對外依存度的提高和汽車的普及，如何利用有限的原油資源，選擇合適的總工藝流程，多產優質的清潔汽油產品已成為煉油項目必須面對的主要問題之一。本文以規劃新建的12 Mt/a燃料型煉油廠為例，設計加工沙特中質原油，采用PIMS（Process Industry Modeling System）線性規劃軟件，以最大化多產優質清潔汽油為主要目的，對煉油總加工流程進行研究和選擇。

1 規劃研究的基準

規劃研究的大型煉油廠考慮設計加工儲量和產量豐富的中東高硫原油，選擇有代表性的沙特中質原油進行核算，其主要性質見表1（來自Chevron原油數據庫）。從表1可以看出，沙特中質原油具有高硫含量、中等金屬含量和中等殘炭的典型中東原油特點，而且可以通過中東其它輕質原油和重質原油的調合得到類似性質的混合油。

清潔汽油產品以GB 17930—2013標準中規定的汽油牌號92號和95號，以及相應的質量指標

表1 沙特中質原油的主要性質

渣油的加工采用加氫技術路線，實現渣油全部轉化的目標，該模式具有原油資源利用率高、輕油收率高、高油價體系下經濟效益好等特點［3-4］，控制渣油加氫裝置的進料中殘炭小于18%、金屬（Ni＋V）質量分數小于150μg/g；處理后的催化裂化裝置進料要求硫質量分數小于0.3%、金屬（Ni＋V）質量分數小于15.0μg/g、殘炭小于5.5%，裝置設計為多產汽油模式，對煙氣進行濕法脫硫脫硝；催化裂化汽油的深度脫硫擬采用S-Zorb技術，該技術具有脫硫效率高、辛烷值損失小、能耗低等特點［5］，脫硫精制后催化裂化汽油的硫質量分數控制在小于15μg/g、辛烷值RON損失小于1.5。所有方案中都包含常（減）壓蒸餾、油品加氫精制、石腦油異構化和連續重整以及芳烴分離、制氫、硫磺回收聯合裝置等，其中制氫裝置的原料和全廠燃料補充都采用天然氣；硫磺回收裝置的設置按照3系列（分別為總能力的50%）Claus＋2系列（按總能力的70%設置）尾氣處理模式。

2 煉油廠的總加工流程安排

煉油廠的汽油組分主要來自催化裂化和催化重整裝置，因此在總流程安排中以最大化的單系列催化裂化裝置和連續重整裝置為基準，規劃了兩個方案。

方案1以催化裂化裝置多產催化裂化汽油為核心，采用常壓蒸餾＋常壓渣油加氫脫硫＋重油催化裂化的核心總工藝流程。渣油加氫裝置的進料量為6.03 Mt/a，進料硫質量分數為4.15%、殘炭為10.76%、金屬（Ni＋V）質量分數為87.26μg/g、瀝青質質量分數4.3%，裝置按3系列設計，要求單系列可分別換劑、最少保證兩系列在線運行，反應器設計體積空速為0.35 h－1、催化劑壽命按12個月考慮；催化裂化裝置設計采用最大汽油產率（按49%考慮）方案。方案1的全廠總加工流程示意見圖1。

方案2以連續重整裝置多產重整汽油為核心，采用固定床渣油加氫（RDS）＋重油催化裂化（RFCC）＋蠟油加氫裂化（HCR）的核心加工流程。部分常壓渣油和減壓渣油作為渣油加氫裝置原料，裝置進料量為3.96 Mt/a，進料硫質量分數為4.87%、殘炭為16.3%、金屬（Ni＋V）質量分數為133.1μg/g、瀝青質質量分數為6.5%，按2系列設計，要求單系列可分別開、停工，設計體積空速為0.18 h－1、催化劑壽命按11個月考慮；加氫裂化裝置設計采用多產優質中間餾分為主的全循環模式，通過副產的重石腦油量來平衡連續重整裝置的進料，核算后重整裝置規模按照2.40 Mt/a考慮，相應的再生能力為4.5 t/h。方案2的總加工流程示意見圖2。

圖1 方案1的總加工流程示意

圖2 方案2的總加工流程示意

3 結果與討論

3.1 主要工藝裝置的安排和規模對比

表2列出了兩個方案中的主要工藝裝置及其規模。由表2可見，方案1的原油蒸餾僅有常壓部分，其常壓渣油直接作為渣油加氫裝置的原料，除了伊朗重油因金屬含量較高以外，該流程基本上可以加工所有的中東原油，原油適應性好；渣油加氫裝置和重油催化裂化裝置的規模分別為6.0 Mt/a和4.9 Mt/a，達到了世界級規模。方案2采用小減壓模式的常減壓蒸餾裝置，通過調節常壓渣油和減壓渣油的比例來控制渣油加氫裝置進料的性質，滿足生產的需要；減壓蠟油的加工采用全循環加氫裂化的模式，以多產石腦油、噴氣燃料和柴油中間餾分為主，平衡石腦油的產量以滿足最大化2.4 Mt/a連續重整裝置進料的要求；由于增加了加氫裂化裝置，相對增加了渣油加氫裝置的進料苛刻度，對加工的原油有了一定程度的限制，但加氫裂化裝置有利于根據市場需要靈活調節汽油、噴氣燃料和柴油產品產量，有利于生產高品質的柴油，以及其尾油可用于生產潤滑油組分或作為乙烯裂解原料等。

表2 兩種方案的主要工藝裝置及其規模Mt/a

3.2 汽油池的組成和混合汽油性質

表3和表4列出了兩個研究方案的汽油池組分和混合汽油的性質。從表3和表4可以看出：兩個方案的混合汽油性質均滿足清潔汽油GB 17930—2013的質量指標要求，其中方案1的汽油產量達到4.474 4 Mt/a，汽油池中的催化裂化汽油和重整汽油所占體積比例分別為54.77%和25.24%，異構化油和MTBE合計為19.99%，同時催化裂化汽油精制后的硫質量分數控制在15 μg/g以下即可符合調合要求；而方案2的汽油產量為4.051 6 Mt/a，汽油池中的催化裂化汽油和重整汽油所占體積比例分別為41.17%和33.54%，異構化油、加氫裂化輕石腦油和MTBE合計占25.29%，各調合組分的比例較為理想。但從整個項目多產清潔汽油的角度選擇，則方案1為最優模式，汽油產品質量收率（以加工原油量為基準）達到37.28%、體積收率為45.17%。

表3 方案1的汽油池組分和混合汽油的產量和性質

表4 方案2的汽油池組分和混合汽油的產量和性質

3.3 進一步增產汽油的措施

3.3.1 催化裂化輕汽油醚化 方案1具有催化裂化汽油比例高的特點，雖然混合汽油中的烯烴體積分數為22.5%，滿足清潔汽油標準中小于24%的要求，但汽油產品整體的質量升級趨勢是低硫、低烯烴、低芳烴、低苯的方向，同時混合汽油的氧質量分數為0.60%，離2.7%的指標限制還有相當大的差距，因此考慮催化裂化輕汽油醚化，就是利用輕汽油中的C5/C6叔碳烯烴與甲醇醚化反應，生成高辛烷值的TAME和HXME含氧化合物，具有增加汽油總量、降低烯烴含量、提高汽油辛烷值、降低蒸氣壓等多項優點。按照催化裂化汽油組分和適當的烯烴轉化率核算后，以整體的催化裂化汽油總量為基準，醚化后的催化裂化汽油總量增加了73 kt/a、辛烷值提高1.5個單位、氧含量增加1.48%，相當于將73 kt/a的甲醇轉化為高辛烷值的汽油組分。

3.3.2 煉油廠副產的液化氣深加工 隨著國內天然氣工業的快速發展以及液化氣進口量的增加，煉油廠副產的液化氣作為民用燃料的地位和價格在逐步下降，如何將這部分副產的輕端氣體產品變為市場需求量大的汽油組分也是需要綜合考慮的問題。一般情況下，液化氣轉化成汽油的主要工藝路線有烷基化、芳構化、丁烯疊合以及間接烷基化工藝（丁烯疊合＋疊合油加氫）等，項目規劃研究中考慮了常用的烷基化工藝和芳構化工藝。

烷基化工藝中主要發生異構烷烴與烯烴的加成反應。為了提供和擴大烷基化的原料量，分別安排了催化C4餾分的選擇性加氫和飽和C4餾分的異構化裝置［6］，設計了0.35 Mt/a的催化裂化C4選擇性加氫裝置，目的是將MTBE反應之后的C4餾分中的二烯烴除去，以減少烷基化過程中的酸消耗量，同時將1-丁烯異構轉化成2-丁烯，提高烷基化油的辛烷值；飽和C4餾分（來自全廠的輕烴回收裝置和烷基化之后分離出的正構C4組分）異構化的主要目的是在臨氫的工況下將正構C4轉化為異構C4。采用HF酸或H2SO4烷基化之后，可產0.49 Mt/a優質的無烯烴、無芳烴且低蒸氣壓的烷基化油，其研究法辛烷值約為95、密度為705 kg/m3。

液化氣芳構化工藝以大連理工大學、中國石油石油化工研究院等單位合作開發的Nano-forming工藝為代表［7］，該工藝采用納米分子篩芳構化催化劑和固定床反應工藝將C4餾分轉化為高辛烷值汽油組分，已于2012年5月在河南濮陽恒潤石化公司0.20 Mt/a工業裝置上成功投用。采用該技術，預計C5及以上液相產物收率可達到47%以上，因此可增產0.295 Mt/a汽油組分，其研究法辛烷值約為95、芳烴體積分數為44%、烯烴體積分數小于1%。

因此，從液化氣生產汽油的量來看，選用技術成熟且國內外應用廣泛的烷基化工藝較好，但從技術國產化、工藝復雜程度上看，選用國內的芳構化工藝較好。本項目研究中采用烷基化工藝。

3.3.3 重整苯產品的利用 在規劃研究中，連續重整裝置的進料按照常規的C6及C6以上石腦油餾分考慮，并設置了苯抽提單元，這樣可擴大重整原料的數量，多副產廉價的氫氣，同時可更加有效地控制汽油池中苯的含量，且苯產品可作為化工原料外賣。在國外的流程規劃研究中，為了多產汽油且降低苯含量，法國AXENS公司曾推出了Benfree專利技術，即將重整油輕端抽出后與重整氫氣直接加氫反應，加氫后的輕汽油再重新回到重整生成油體系，流程簡捷，除增加一個加氫反應器外，基本上不增加其它設施，這樣可增加約108 kt/a的汽油產量。在方案1的混合汽油中，芳烴體積分數僅為27.8%，離上限40%的差距較大，因此可充分考慮重油催化裂化干氣中副產的稀乙烯和抽提出來的苯產品，采用中科院大連化學物理研究所等單位開發的稀乙烯與苯氣相烷基化反應和多乙苯與苯液相烷基轉移反應的成熟技術。本項目的催化裂化干氣產量達到了164.5 kt/a，其中的乙烯體積分數為13.5%，該干氣不需進行特殊凈化，可直接與芳烴抽提出來的苯合成乙苯，產量約為155 kt/a，這些乙苯在價格高時可作為化工產品出廠，在價格低或銷路不暢的情況下，直接作為高辛烷值汽油調合組分，其辛烷值大于100、密度為870 kg/m3。

3.4 進一步增產汽油的效果

綜上所述，在方案1生產4.474 4 Mt/a汽油產品的基礎上，通過催化裂化輕汽油醚化、液化氣的烷基化工藝以及苯產品的利用，可分別增產汽油73，490，155 kt/a，合計為0.718 Mt/a，全廠的汽油產量可達到5.192 4 Mt/a，汽油質量收率（以加工原油量為基準）可達到43.27%。全廠的汽油調合組分生產流程見圖3，各調合組分的體積比例分別為：催化裂化汽油占48.46%、重整汽油占21.79%、烷基化油占14.36%、乙苯占2.55%、MTBE占2.90%，汽油池的混合汽油性質為：研究法辛烷值94.47、硫質量分數8μg/g、烯烴體積分數17.4%、芳烴體積分數26.7%、苯體積分數0.4%、氧質量分數0.66%以及蒸氣壓53 kPa，可滿足GB 17930—2013清潔汽油產品質量要求。

圖3 全廠的汽油調合組分生產流程

4 結 論

在12 Mt/a加工沙特中質原油的大型煉油廠規劃中，通過分析研究，選定方案1（常壓渣油加氫脫硫＋重油催化裂化）作為最大化生產清潔汽油的流程，渣油加氫和重油催化裂化裝置規模達到了世界級水平，且原油資源利用率高，汽油產量可達到4.474 4 Mt/a；再通過催化裂化輕汽油醚化、液化氣的烷基化以及副產的苯與催化裂化干氣中的稀乙烯合成乙苯等措施進一步增產汽油，可增產汽油組分0.718 Mt/a，汽油總產量達到5.192 4 Mt/a，同時通過優化汽油池中各調合組分的比例，使混合汽油產品性質滿足GB 17930—2013清潔汽油產品質量指標要求。

［1］龔金雙.2012年我國石油市場特點分析及2013年展望［J］.國際石油經濟，2013，21（1/2）：70-74

［2］戴家權，郭一凡.中國經濟發展面臨的風險和模式轉變途徑及對國內石油市場的影響［J］.國際石油經濟，2013，21（3）：13-20

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［6］徐春明，楊朝合.石油煉制工程［M］.4版.北京：石油工業出版社，2009：507-515

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SELECTION OF REFINING CONFIGURATION FOR MAXIMIZING CLEAN GASOLINE PRODUCTION

Ju Linqing1，2，Zhou Yasong1，Xu Chunming1
（1.College of Chemical Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249；2.China Huanqiu Contracting&Engineering Corp.）

The grass-root large-scale refinery with a capacity of 12.0 Mt/a processing Saudi Arab medium crude is studied for maximizing clean gasoline production by PIMS linear programming mode.Two typical refining configurations of Case 1（the combination of ARDS＋RFCC）and Case 2（the combination of RDS＋RFCC and VGO HCR）are compared.The results show that the Case 1 with 4.474 4Mt/a gasoline production is better than the Case 2 with 4.051 6 Mt/a gasoline.Based on Case 1 selected，more gasoline with the production of 0.718 Mt/a can be further increased by FCC light fraction etherification，LPG alkylation and ethylbenzene synthesis of benzene and thin ethylene in RFCC.And clean gasoline product meeting the GB 17930—2013 standard can be obtained by optimization of blending ratio of the gasoline pool components.

large-scale refinery；clean gasoline；refining configuration；residue hydrodesulfurization；linear programmin g

2013-09-02；修改稿收到日期：2013-12-09。

鞠林青，高級工程師，博士研究生，主要從事煉油廠的總體規劃設計工作。

鞠林青，E-mail：julinqing＠hqcec.com。