乙烯裂解焦油延遲焦化摻煉加工試驗與加工效益評估

陳遠慶 龔朝兵 王澤愛 丁書文

(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

惠州某乙烯廠乙烯工程項目二期(簡稱C2)和乙烯工程項目一期(簡稱C1)乙烯裝置分別副產乙烯焦油(又稱乙烯裂解重油)約100 kt/a，作為燃料時鍋爐廢氣排放超標，特別是SOx排放超標，需研究乙烯焦油在煉油裝置上加工的可行性。調研文獻資料得知，乙烯焦油的碳質量分數高，是制取碳質材料，如碳質吸附劑、碳黑等的優質原料；乙烯焦油中萘質量分數較高，可用于提取萘及萘系物。乙烯焦油因熱值較低，國內主要用作燃料油調和組分。文章探討了乙烯裂解焦油作延遲焦化裝置油漿加熱爐原料的可行性。

1 乙烯裂解焦油及催化油漿基本性質

乙烯焦油與催化油漿、焦化進料的性質見表1所示。

從表1可知：與二期催化油漿相比C2乙烯焦油的黏度、灰分和金屬質量分數低，硫和氮質量分數低，芳烴質量分數低，但膠質和瀝青質質量分數高，餾程范圍寬。

與減渣為主的焦化裝置進料相比，C2乙烯焦油的黏度、酸值、傾點和金屬質量分數低，硫和氮質量分數低，飽和烴質量分數低，但芳烴質量分數高，餾程中柴油餾分質量分數高。

表1 乙烯焦油與催化油漿、焦化進料的性質

續表1

2 乙烯裂解焦油與油漿摻混加工試驗

2.1 乙烯裂解焦油與二期催化油漿的相容性試驗

乙烯裂解焦油與二期催化油漿1∶4的配比料在90 ℃下攪拌2 h，然后移入分液漏斗中置于烘箱中，在100 ℃下恒溫30 h后分成上、下兩層，測量其密度和黏度，分析數據見表2。其互溶物在100 ℃下恒溫30 h后其上、下層油樣的黏度和密度差異很小，說明C2乙烯裂解焦油與二期催化油漿有較好的相容性。

表2 C2焦油與二期油漿及C2焦油與焦化進料的相容性試驗

2.2 乙烯裂解重油與催化油漿的摻混加工試驗

在總進料為3 kg/h、重油加熱爐出口溫度為500 ℃、焦炭塔塔頂表壓為210 kPa的條件下，C2乙烯焦油和二期催化油漿以35∶65的摻混料以及純二期催化油漿作為延遲焦化中試裝置的進料，進行中試試驗。試驗結果見表3。表3數據顯示：C2乙烯焦油和二期催化油漿35∶65的混合料與二期催化油漿單獨作焦化料相比，其焦炭產率降低10.16個百分點，焦化蠟油產率降低5.95個百分點，焦化柴油產率增加16.24個百分點。焦化氣體與焦化汽油(-150 ℃)產率大致相同，但注汽量不同，二期催化油漿作原料時注汽量為1.68%，乙烯焦油時催化油漿的混合料(35∶65)作原料時注汽量為3%。

表3 乙烯裂解焦油與催化油漿的延遲焦化反應結果

2.3 摻煉乙烯焦油時的加熱爐爐管結焦性試驗

為進一步確認C2乙烯焦油比二期催化油漿更易結焦堵管的結論，進行了以乙烯焦油為原料的加熱爐爐管結焦性試驗(試驗編號B1、B2、B3和B4)。在進料量3 kg/h、注汽量3%和加熱爐管出口設定溫度500 ℃(試驗編號B1)的條件下，加熱爐管380 ℃時進乙烯焦油原料并升溫，20 min后升至407 ℃，加熱爐管底部的熱電偶和連接焦炭塔的轉油線彎管處結焦完全堵塞，試驗被迫停止；轉油線彎管處堵塞物常溫下為固態，因脆而易呈粉末狀。

為再次證明C2乙烯焦油比二期催化油漿更易結焦堵管的結論，仍以乙烯焦油為原料，進行了逐漸加大進料條件苛刻度的試驗。將進料量提高至4 kg/h，注汽量提高至8%，加熱爐管出口設定溫度380 ℃(試驗編號B2)，380 ℃下進料2 h試驗正常：然后將注汽量降至3%(試驗編號B3)，進料2 h試驗仍正常；接著將加熱爐管出口溫度設定至500 ℃繼續進料(試驗編號B4)，從380℃升溫75 min時爐管堵管，從而停止試驗，此時爐管出口溫度升至480 ℃。

乙烯焦油延遲焦化結焦性試驗(結果見表4)表明：乙烯焦油雖然生焦量比二期油漿低，但其更易在爐管內結焦堵管，爐管溫度是影響結焦最主要的因素，可能與乙烯焦油在爐管中高溫下的熱聚合相關。

該現象與中國石油蘭州石化公司(以下簡稱蘭州石化)的生產實踐有相似性[1]。蘭州石化在1.2 Mt/a延遲焦化裝置上進行了乙烯裂解重油摻煉試驗，未對乙烯裂解重油進行預處理時，由于乙烯裂解重油與減壓渣油混合時有明顯的分層及凝聚現象，導致加熱爐爐管、冷換設備(如渣油-蠟油換熱器)、分餾塔塔底結焦傾向加劇，加工量下調(由摻煉前的52 t/h降至摻煉后的48 t/h)，且縮短裝置運行周期[2]。

以純乙烯焦油作焦化原料時，降低注汽量、提高爐管溫度有助于提高焦化效果，但因爐管結焦嚴重，爐管溫度未能提升至500 ℃。B2、B3和B4中的焦炭塔塔頂內溫度在443 ℃左右，比正常時的449 ℃低6 K。

表4 乙烯焦油結焦性試驗

3 乙烯裂解焦油焦化加工的技術經濟分析

3.1 可行性分析

惠州某煉油廠兩套催化裂化裝置共產催化油漿0.28 Mt/a，為改變催化油漿作為燃料油低價外銷的現狀，該煉油廠利用國內首創的“油漿單獨加熱、爐后混煉”的工藝技術加工催化油漿，催化油漿經油漿加熱爐加熱后進入現有的延遲焦化焦炭塔進行生焦。其流程示意見圖1。該設施于2019年10月開工，油漿加熱爐出口溫度控制在500 ℃，油漿進料量30 t/h，運行平穩。檢修周期大約為一年。乙烯裂解焦油如果進延遲焦化加工，可進油漿爐與油漿摻混加工，油漿可適當外銷，不影響全廠加工流程。

蘭州石化對乙烯裂解重油加注穩定劑、膠溶劑并采用混合器進行均勻混合[3-4]，有效緩解了延遲焦化裝置摻煉乙烯裂解重油時出現的換熱器、管線及加熱爐的結焦現象，自2017年11月30日起，乙烯裂解重油進焦化裝置加工進入工業試生產階段。工業運行結果表明,延遲焦化裝置運行周期達到一年以上(2018年4月檢修完運行至2019年4月)。摻煉期間順利解決了乙烯焦油原料帶水問題及動態混合器機封泄漏等問題。

圖1 油漿單獨加熱-爐后混煉流程示意

3.2 經濟性分析

延遲焦化裝置穩定摻煉乙烯裂解重油需要增加配套的穩定劑、膠溶劑加注設施、混合設備及相應流程，由于延遲焦化加工負荷存在不均衡性及油漿加熱爐加工負荷限制，按照加工C2乙烯裂解焦油50 kt/a計算，預計投資在1 000萬元左右，折舊為每年100萬元(10年折舊)。穩定劑加注量300 μg/g，穩定劑單價為9萬元/t；膠溶劑注入量900 μg/g，膠溶劑單價為19萬元/t。穩定劑年消耗15 t，膠溶劑年消耗45 t，年助劑消耗金額為：15×9+45×19=990萬元。

焦化裝置新建的油漿加熱爐標定燃料動力消耗如下：燃料氣單價為3 786元，消耗0.78 t/h；3.5 MPa蒸汽單價為208.21元，消耗2.25 t/h；1.0 MPa蒸汽單價136.52元，消耗2.4 t/h；電單價0.62元/kWh，消耗357 kWh/h；循環水單價0.32元，消耗64 t/h。油漿加熱爐燃動成本為158.5元/t。

油漿加熱爐摻煉乙烯裂解焦油后，年運行時間按照8 400 h計算，處理乙烯裂解焦油約6 t/h，增加的運行成本為：(1 000 000+9 900 000)/50 000+158.5=376.5元/t。

按照公司內部測算價格，焦化干氣的價格為3 620元/t，焦化液化氣價格為3 233元/t，焦化汽油價格為3 235元/t，焦化柴油價格為3 805元/t，焦化蠟油價格為2 830元/t，焦炭價格為900元/t，燃料油價格為1 315元/t。根據表3的反應結果， 1 t乙烯焦油進延遲焦化加工可產生的效益為：(3 805×0.162 4-2 830×0.059 5-900×0.101 6)×100/35-1 315×1=-291.837元，說明乙烯裂解焦油進油漿爐加工的效益低于催化油漿。延遲焦化通過油漿爐加工催化油漿為515.13元/t，其作油漿加熱爐原料時的效益為：515.13-291.837=223.293元/t；但比油漿加熱爐摻煉乙烯焦油時的燃動和折舊成本376.5元/t低，加工效益為：223.293-376.5=-153.207元/t，其加工效益主要取決于柴油與蠟油的相對價差及燃料油的售價[5]。

4 結語

C2乙烯焦油與二期催化油漿和焦化裝置進料有較好的相容性。C2乙烯焦油和二期催化油漿35∶65的混合料與二期催化油漿單獨作焦化料相比，焦炭降低約10個百分點，焦化蠟油降低約6個百分點，焦化柴油增加約16個百分點。相同條件下，乙烯焦油比二期催化油漿更易結焦堵塞爐管，爐管溫度是導致爐管結焦堵管最重要的因素，可能與乙烯焦油在爐管中高溫下的熱聚合相關。

根據同類裝置的運行經驗，需要增設穩定劑、膠溶劑的加注和混合設施，可確保延遲焦化裝置長周期運行(運行1年以上)。乙烯裂解焦油作油漿加熱爐原料相比作燃料油效益為223.293元/t，但比油漿加熱爐摻煉乙烯裂解焦油時的燃動和折舊成本低，綜合加工效益為-153.207元/t。