生產滿足國Ⅴ排放標準汽油的技術路線及其效益分析

曾宿主，解增忠，許友好

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

生產滿足國Ⅴ排放標準汽油的技術路線及其效益分析

曾宿主，解增忠，許友好

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

考察了2.0 Mt/a蠟油FCC裝置采用MIP工藝/常規FCC工藝結合S Zorb、烷基化與MTBE工藝生產滿足國Ⅴ排放標準汽油時的成本與效益。結果表明：MIP工藝相比常規FCC工藝可以增產汽油，顯著降低成本，提升經濟效益；煉油企業在汽油質量升級過程中雖然增加了大量成本，但是由于技術進步帶來的成本經濟效益優勢的增加可以很大程度上彌補成本的增加。

汽油升級 MIP FCC S Zorb 烷基化 成本 效益

我國汽油質量升級按照汽油標準的發展以及相應的生產工藝不同可以分為4個階段。第一個階段：低辛烷值含鉛汽油階段。1959—1991年，FCC裝置作為主要的汽油生產裝置，主要加工直餾蠟油餾分，直接生產合格汽油，汽油池辛烷值低(研究法辛烷值大于66即可滿足要求)，對硫含量與烯烴含量以及芳烴含量不作要求，此階段主要以提高汽油辛烷值為主。第二階段：無鉛化汽油階段。1991—1999年，1999 年制定了“GB 17930—1999車用無鉛汽油”強制性國家標準，對硫、烯烴、芳烴和苯等有害物質的含量規定了限值。此階段由于對汽油硫含量、烯烴含量等指標限制較寬松，FCC汽油不需要經過加氫處理即可直接作為汽油調合組分。第三階段：FCC汽油加氫與降烯烴階段。2000—2009年，對“GB 17930—1999”標準陸續進行3次修改，主要要求降低硫含量和控制烯烴含量。從2005年7月1日起實施的標準已將指標修改為硫質量分數不大于500 μg/g，烯烴體積分數不大于35%。2006年我國又頒布了“GB 17930—2006車用汽油”國家標準，規定從2009年12月31日起車用汽油硫質量分數降低到150 μg/g以下，烯烴體積分數不大于30%。由于進一步對汽油硫含量與烯烴含量提出較嚴格要求，FCC汽油加氫技術逐步推廣，典型的FCC降烯烴降硫工藝如多產異構烷烴的FCC工藝(Maximizing Iso-Paraffins Process，簡稱MIP工藝)獲得長足發展，此階段由于FCC汽油加氫處理過程中辛烷值損失，汽油池辛烷值不足問題開始顯現，汽油生產企業開始關注FCC-汽油加氫工藝組合以降低辛烷值損失，同時大量的MTBE工藝裝置開始建成投產。第四階段：FCC-汽油加氫組合工藝階段。2011年5月頒布的“GB 17930—2011車用汽油”國家標準，規定從2012年1月31日起，車用汽油硫質量分數降低到50 μg/g以下，烯烴體積分數不大于25%；2013年12月頒布的“GB 17930—2013車用汽油”國家標準，規定從2018年1月1日起全國實行國Ⅴ汽油排放標準，要求車用汽油硫質量分數降低到10 μg/g以下，烯烴體積分數不大于24%。對硫含量的嚴格要求對FCC汽油處理工藝提出了很高的要求，FCC汽油吸附脫硫(S Zorb)工藝[1-2]因其操作成本與能耗低以及出色的辛烷值保持能力在諸多具備生產滿足國Ⅴ排放標準汽油的FCC汽油處理技術中具有領先優勢。大量研究結果表明，FCC汽油烯烴含量低可以顯著降低加氫處理過程辛烷值損失，MIP工藝[3-4]因其較高的重油轉化深度和較高的汽油辛烷值、較低的汽油烯烴含量，相比常規FCC工藝在應對滿足國Ⅴ排放標準汽油生產中體現出顯著技術優勢[5-6]。煉油企業在降低成本與獲取更大經濟利益的驅動下，紛紛采用MIP與S Zorb相結合的工藝形式進行滿足國Ⅴ排放標準汽油的生產。當汽油硫含量標準已經提高到質量分數不大于10 μg/g時，未來汽油標準的發展重在烴類組成的控制與調變上，烷基化技術、芳構化技術等氣體深加工技術將會得到迅速發展。煉油企業為了汽油質量升級，一方面不斷研發并改進新技術，一方面投入資金針對FCC裝置實施MIP改造并新建一系列S Zorb裝置、汽油選擇性加氫裝置、MTBE裝置、烷基化裝置等，有必要針對汽油質量升級的成本與技術進步帶來的經濟效益進行分析。

1 車用汽油生產技術路線及其工業應用

MIP工藝將常規的FCC工藝的直管提升管改為串聯變徑提升管反應器，分為兩個反應區：第一反應區以裂化反應為主，反應溫度高，油氣和催化劑接觸時間短，生成較多的烯烴，第一反應區的結構以及預提升段的結構與常規的提升管反應器相似；第二反應區增加異構化和選擇性氫轉移反應，從而提高汽油中的異構烷烴含量，或者將來自第一反應區油氣中的烯烴裂化為低碳烯烴[7-8]。MIP工藝已大范圍地推廣應用，目前共有67套工業裝置正常運轉，總加工能力為105.05 Mt/a，全國MIP和FCC裝置數(含在建裝置)和加工量對比列于表1。從表1可以看出，中國石化FCC汽油約有69.95%來自MIP裝置，中國石油FCC汽油約有33.13%來自MIP裝置。

表1 中國FCC裝置數量和加工能力統計

2007年，中國石化從美國康菲公司買斷了S Zorb技術，并進行消化吸收再開發，形成了新一代S Zorb技術，生產周期和運行穩定性均大幅度提高。S Zorb吸附脫硫工藝因其操作成本與能耗低以及出色的辛烷值保持能力，在諸多具備生產滿足國Ⅴ排放標準汽油的FCC汽油處理技術中具有優勢。國內首套S Zorb裝置于2007年6月建成，到2013年，國內在建及投用的裝置共計26套。S Zorb裝置在各煉油企業分布及加工能力列于表2。2013年，中國石化S Zorb裝置實際處理量為12.21 Mt/a，占中國石化總的汽油脫硫率的67.42%。

表2 S Zorb裝置在各煉油企業的分布及加工能力

2 汽油生產方案設計

由于我國車用汽油池中FCC汽油約占70%左右，在探討車用汽油生產途徑時一定要以FCC裝置為基礎，由此車用汽油生產可分成兩條途徑：一是MIP、汽油脫硫、烷基化和醚化工藝組合；二是FCC、汽油脫硫、烷基化和醚化工藝組合。為了比較不同汽油生產方案的經濟效益，設計5種方案進行研究。

方案1：FCC-S Zorb。以2.0 Mt/a直餾蠟油為原料，采用常規FCC工藝生產汽油，FCC汽油經過S Zorb裝置處理生產滿足國Ⅴ排放標準汽油的調合組分，液化氣經過氣體分離裝置分離得到丙烯后，剩下的液化氣外銷，FCC柴油經過加氫處理調合普通柴油。

方案2：FCC-S Zorb-烷基化。在方案1的基礎上，液化氣經過氣體分離裝置分離得到丙烯后，剩下的混合C4液化氣作為烷基化裝置原料。

方案3：FCC-S Zorb-烷基化-MTBE。在方案1的基礎上，經過氣體裝置剩余的混合C4液化氣作為MTBE裝置原料，其未反應的液化氣作為烷基化裝置原料。

方案4：MIP-S Zorb-烷基化。在方案2的基礎上，采用MIP工藝加工2.0 Mt/a直餾蠟油，混合C4液化氣采用烷基化技術生產烷基化汽油。

方案5：MIP-S Zorb-烷基化-MTBE。在方案3的基礎上，采用MIP工藝加工2.0 Mt/a直餾蠟油，混合C4液化氣采用MTBE與烷基化技術進行深加工以增產汽油。

分別針對以上5種方案，采用工藝裝置長期運行可靠數據進行模擬計算，依據原油價格80美元/bbl(1 bbl≈159 L)、100美元/bbl以及2013年上半年市場均價3個價格體系分別計算各方案的經濟效益，其中80美元/bbl、100美元/bbl價格為石化行業工程評估價格。

3 MIP和FCC工藝產物分布及汽油性質

MIP技術改造前后的FCC產物分布及汽油性質變化見表3。從表3可以看出，MIP工藝可以顯著提高總液體收率，提高FCC汽油產量，其汽油也具有更高的辛烷值、更低的烯烴含量與硫含量。

表3 采用MIP技術改造前后的FCC產物分布及汽油性質的變化

相對于FCC汽油，MIP汽油在烯烴含量大幅降低的情況下，RON有所增加(除個別裝置外)，MON明顯地增加，尤其在以多產丙烯和汽油方案生產時，MIP汽油的RON和MON均增加近2個單位，產物硫含量與原料硫含量之比降低約為30%～50%，且苯含量較低[5，9]。

MIP和FCC工藝的氣體產物作為烷基化裝置、MTBE裝置和疊合裝置的原料，可以生產更多高辛烷值、低烯烴含量的汽油，以滿足對更高品質汽油的需求。MIP和FCC工藝產物液化氣組成和產率、烷基化汽油產率和MTBE產率列于表4。采用S Zorb技術處理MIP和FCC汽油后的辛烷值與烯烴含量預測值見表5。由于MIP汽油具有烯烴含量與硫含量低的特性，在經過S Zorb工藝處理生產滿足國Ⅴ排放標準汽油時，辛烷值損失更小。

表4 MIP和FCC產物液化氣組成和產率、烷基化汽油產率和MTBE產率

表5 MIP和FCC汽油經S Zorb工藝處理后的辛烷值及烯烴含量預測

將表3和表4不同工藝所生產的汽油量進行累加，同時對其烯烴和辛烷值進行簡單地加和計算，可以推導出途徑一(MIP+S Zorb+烷基化+MTBE)和途徑二(FCC+S Zorb+烷基化+MTBE)的調合汽油產率和性質，結果見表6。從表6可以看出，途徑一可以直接生產95號滿足國Ⅴ排放標準車用汽油，且汽油產率高，而途徑二只能生產92號國Ⅴ排放標準車用汽油，且汽油產率低。同時要開發更先進的烷基化技術滿足未來車用汽油質量升級的需求。

4 不同汽油生產方案經濟效益分析

分別針對5種方案進行模擬計算，各方案的物料衡算結果見表7，不同汽油生產方案裝置加工能力見表8。由表7和表8中方案1～方案3的對比可知，烷基化與MTBE工藝可大幅增產汽油，提高汽油池辛烷值，降低汽油池烯烴與芳烴含量；對比方案2和方案4可知，MIP工藝相比常規FCC工藝可以增產汽油，其液化氣烴類組成有利于提高烷基化汽油產量；對比方案3與方案5可知，在FCC工藝、烷基化工藝以及MTBE工藝生產汽油時，MIP工藝相對于常規FCC工藝，可以增產汽油77.6 kt/a，增產丙烯36.1 kt/a，增產高附加值產品38.0 kt/a。

表7 不同汽油生產方案的物料衡算結果 kt

表8 不同汽油生產方案的裝置加工能力 kt/a

采用80美元/bbl、100美元/bbl以及2013年上半年市場均價3個價格體系分別計算各方案的經濟效益，結果見表9。對比方案1、方案2以及方案3可知，針對FCC液化氣采用烷基化工藝與MTBE工藝，可以增加經濟效益，其中MTBE裝置對經濟效益的貢獻高于烷基化裝置；對比方案2與方案4可知，MIP-S Zorb-烷基化方案相比FCC-S Zorb-烷基化方案經濟效益高出約191元/t；對比方案3與方案5可知，FCC結合烷基化與MTBE工藝生產汽油時，MIP相對于常規FCC經濟效益高出約195元/t，說明技術進步在汽油質量升級過程中可大幅度提升煉油企業的經濟效益。

表9 不同汽油生產方案下的經濟效益

5 汽油生產成本分析

以方案3與方案5為例說明汽油質量升級過程的成本。汽油質量升級成本主要包括S Zorb裝置、MTBE裝置、烷基化裝置操作費用、投資折舊、其它成本(人力、維修、社區服務、排污以及技術許可等)、S Zorb處理FCC汽油辛烷值損失成本等，具體情況如表10所示。在汽油質量升級過程中，以常規FCC為例，需要增加成本232.46元/t，而采用MIP改造可降低成本61.70元/t。方案5比方案3的經濟效益高出約195元/t，除了因為降低成本獲利61.71元/t外，由于MIP工藝總的液體收率高，生產汽油產量高、汽油辛烷值較高，其液化氣產量高且組成更適合生產烷基化汽油等方面因素可獲利約133元/t。

表10 汽油質量升級成本分析

6 結 論

MIP工藝結合S Zorb工藝在生產滿足國Ⅴ排放標準汽油時，相比常規FCC工藝可以顯著增加汽油產量與提高經濟效益，烷基化與MTBE等液化氣深加工工藝可以進一步增產汽油與提升經濟效益。汽油質量升級過程也是不斷增加成本的過程，針對常規FCC汽油采用S Zorb工藝處理，結合烷基化以及MTBE工藝需要付出約232元/t的成本，而采用MIP工藝可以降低成本61.71元/t，因為技術的進步相對常規FCC可以多獲利約195元/t。這充分說明在汽油質量升級過程中雖然增加了大量成本，但技術進步創造的效益大幅度彌補了成本的增加，如果考慮S Zorb工藝在生產滿足國Ⅴ排放標準汽油時相比其它汽油選擇性加氫工藝具有的成本優勢與辛烷值保持優勢，技術進步創造的效益還將進一步提升。

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TECHNICAL ROADMAP AND BENEFIT ANALYSIS FOR NATIONAL PHASE V GASOLINE PRODUCTION

Zeng Suzhu， Xie Zengzhong， Xu Youhao

(SINOPEC Research Institute of Petroleum Processing， Beijing 100083)

The cost and benefit of producing national phase V gasoline in a 2 Mt/a VGO FCC unit using MIP or conventional catalytic cracking technology with S Zorb， alkylation and MTBE technologies are analyzed. Compared with the conventional catalytic cracking， MIP technology has higher gasoline yield， lower production cost， resulting in a better benefit. Although gasoline quality upgrading increases the cost of refinery， it can be compensated through technological advances largely.

gasoline quality upgrades； MIP； catalytic cracking； S Zorb； alkylation； cost； benefit

2015-01-19； 修改稿收到日期： 2015-03-21。

曾宿主，碩士，高級工程師，主要從事煉油廠流程優化與評估工作。

解增忠，E-mail：xiezz.ripp@sinopec.com。