劣質渣油高效轉化工程解決方案

江盛陽，吳 雷，范 聲，段 丹

(中國石化工程建設有限公司，北京 100101)

催化裂化是煉油工業中最重要的二次加工工藝之一，也是主要的重油輕質化加工過程。隨著國內加工原油重質化和劣質化趨勢日益明顯，催化裂化裝置的原料性質進一步變差，加工技術難度也不斷加大。因此，有必要對原料的重質化和劣質化程度不斷加重問題進行針對性研究，開發新的高效重油催化裂化工藝。

延遲焦化是國內劣質渣油加工最主要的技術之一，目前國內延遲焦化裝置的加工能力已超過100 Mt/a，石油焦的產率約為30%。延遲焦化裝置的原料油也逐年劣質化，其密度、殘炭和硫含量上升，導致石油焦產品的硫和金屬含量顯著增加，劣質高硫石油焦的出路問題亟需解決。另一方面，國內環保標準日益苛刻，2016年1月1日開始實施的《中華人民共和國大氣污染防治法》明文規定，禁止進口、銷售和燃用不符合質量標準的石油焦；而《石油焦(生焦)》(NB/SH/T 0527—2019)中規定普通石油焦的硫質量分數不大于3%。這意味著煉油廠生產的劣質高硫石油焦不能出廠，而國內延遲焦化裝置生產的石油焦中高硫石油焦占比很大，如果嚴格限制出廠，將對煉油廠劣質渣油的加工和經濟效益產生重大影響。

因此，可采用新的高效催化裂化重油轉化工藝部分替代重油延遲焦化工藝，以解決劣質重油轉化和環保要求日益嚴格之間的矛盾。為此，中國石化工程建設有限公司(SEI)根據豐富的工程經驗，開發了劣質渣油高效轉化成套工程技術，得到了技術可行、環境友好、收率高、能耗低、效益明顯的劣質渣油催化裂化工程解決方案。

1 劣質渣油高效轉化成套工程技術

1.1 沉降器防結焦技術

沉降器結焦主要是由于液相重組分高溫縮合、相分離和發生自由基反應引起的；原料性質、油氣流動狀況、油氣停留時間、沉降器操作溫度分布及催化劑濃度等因素對沉降器結焦有重要影響[1]。首先，沉降器結焦受反應油氣平均停留時間影響很大，而沉降器內部結構對反應油氣流動狀況和停留時間起著決定性的作用，沉降器內“死區”越多、油氣平均停留時間越長，就越容易結焦。反應油氣在常規結構沉降器稀相空間平均停留時間大于30 s[2]，導致沉降器內壁、旋風分離器筒體外壁及集氣室外壁結焦比較嚴重，甚至整個沉降器結滿焦炭。

SEI對沉降器結焦原理及防結焦技術進行系統研究，開發了粗旋風分離器(簡稱粗旋)-頂部旋風分離器(簡稱頂旋)直聯結構[3-4]和旋流式快速分離(簡稱旋流快分)結構[5-6]等防結焦技術。其中，全封閉旋流快分結構已成功應用于多套新建及改造裝置，該結構由旋流快分頭、封閉罩、直聯升氣管等部分組成，反應油氣經過提升管出口旋流快分頭分離出大部分夾帶的催化劑后，經承插式油氣集合管進入旋風分離器。封閉罩下部槽口上方設置密封蓋板，蓋板與料腿、封閉罩外壁及沉降器內壁之間留有間隙。防焦蒸汽通過間隙進入蓋板下部，使料腿夾帶的油氣通過槽口快速進入封閉罩內。全封閉旋流快分結構油氣平均停留時間小于0.5 s，降低了油氣在沉降器結焦的可能性，并且可減少非理想的二次裂化反應，提高目標產品的收率，大大增強裝置的抗波動能力，保證油漿的固含量維持在正常的范圍內。

針對劣質渣油原料，在全封閉旋流快分結構的基礎上，SEI進一步深入研究，開發了新型全封閉旋流快分結構，如圖1所示。該結構在密封蓋板下部增加防焦蒸汽環，避免了蓋板下部空間結焦[7]；同時，在旋風分離器的升氣管增添旋片，避免升氣管結焦的同時有利于提高旋風分離器的分離效率。

圖1 新型防結焦全封閉旋流快分結構示意1—提升管； 2—汽提段； 3—料腿； 4—密封蓋板； 5—旋風分離器； 6—升氣管； 7—密封蒸汽環； 8—集氣室； 9—封閉罩； 10—旋流快分頭； 11—防焦蒸汽環； 12—槽口

1.2 原料油新型乳化-霧化技術

在重油催化裂化反應過程中，原料油霧化過程對整個反應起著重要的作用。由于劣質渣油組分重、黏度大，原料經霧化后液滴直徑為60～120 μm，所需汽化時間長。若通過乳化裝置使原料油與水形成油包水型乳化油，利用晶相顯微鏡(上海精密儀器公司，XSP-4C)對乳化原料油進行拍攝，發現經噴嘴霧化后的油滴中含有許多被油相包圍著的直徑為0.5～5 μm的水珠，如圖2所示。當加熱的油滴噴出時，乳化油進行一次霧化，由于水和油的沸點相差較大，水珠先汽化，體積急劇膨脹，產生了巨大壓力，瞬間把油滴爆開，使油滴霧化直徑降至5～10 μm，這一過程被稱為“微爆”或二次霧化。二次霧化大大提高了進料的分散性，增大了原料油和催化劑的接觸面積，提高了系統的熱傳遞效率、油滴汽化速率和輕質油收率。

圖2 乳化原料油滴的晶相顯微照片

就原料油的乳化技術而言，SEI與合作單位聯合開發了第一代和第二代乳化技術。其中，第一代乳化技術為“高速剪切乳化分散”技術，即在專用乳化劑作用下，通過連續重油乳化裝置將原料油和水高速剪切、分散成為乳化原料油[8]；第二代乳化技術則將“射流均勻分散理論”應用于重油的乳化分散，采用微納米技術將含乳化劑的水相分成微納米級液滴，并與原料油充分混合，從而制備微納米級乳化原料油[9]。

1.3 10 MPa等級蒸汽發生技術

劣質渣油催化裂化的蒸汽發生裝置具有產出蒸汽負荷大、熱能溫位高的特點，將催化裂化裝置蒸汽發生壓力等級由常規的4.0 MPa提高至10 MPa，有利于蒸汽逐級利用，降低裝置和全廠的能耗。10 MPa等級蒸汽發生技術主要集成了重疊式兩段不完全再生、密相床下行式外取熱器、高壓立式濕繞組型強制循環熱水泵和雙功能煙氣余熱鍋爐技術。

重疊式兩段再生為兩個再生器重疊布置，第一再生器(簡稱一再)貧氧操作，第二再生器(簡稱二再)富氧操作。含有過剩氧的二再煙氣通過分布板進入一再，與通入一再的主風混合，參與對高碳含量待生催化劑的燒焦，空氣中氧的利用最為合理，降低了燒焦的主風用量和主風機的功耗，燒焦效果好，特別適合于重金屬含量高(尤其釩含量高)的原料，可以有效抑制催化劑的水熱失活。由于煙氣中的CO含量較高，重疊式兩段再生技術把CO氧化產生的熱量轉移至后部的焚燒式CO余熱爐，大大改善了反應器-再生器系統和煙氣系統的熱量匹配和平衡，為10 MPa等級蒸汽發生奠定了基礎。

在常規外取熱器基礎上，利用Aspen Dynamics，ANSYS，CFX等軟件模擬和優化外取熱器流體力場、管束強度應力、爆管等對再生和能量回收系統的影響，并參考SEI豐富的外取熱器工程應用經驗，進一步開發和完善了10 MPa等級蒸汽發生密相床下行式外取熱器，最大程度上保證了裝置的安全平穩運行。下行式外取熱器具有多項優點：床層線速度小，管束沖刷磨損小；取熱負荷靈活可控，可0～100%調節；傳熱效率好，傳熱系數為350～600 W/(m2·K)；每組管束能單組去除；采用光管碳鋼材質，高機械可靠性設計，無管板、制造難度低；水循環系統采用強制循環，每組管束進水設有孔板，水流分布均勻。

10 MPa等級蒸汽外取熱器的配套循環熱水泵入口壓力為11.8 MPa，揚程為80 m，國內外的泵生產廠家均無滿足此參數要求的離心泵，因此SEI與沈陽鼓風機集團石化泵有限公司聯合開發了高壓立式濕繞組型強制循環熱水泵，該型泵的結構示意見圖3。

圖3 高壓立式濕繞組型強制循環熱水泵結構示意

劣質渣油催化裂化裝置生焦量大、蒸汽發生量大，占全廠蒸汽產出的負荷比大。若發生波動，則會對全廠動力系統產生巨大影響。雙功能煙氣余熱鍋爐技術可以兼顧裝置正常生產鍋爐和無煙氣條件下動力鍋爐的雙功能角色，在確保裝置運行良好彈性和效率的前提下，可以在煙氣中斷的條件下盡量提高補充風量、補充燃料和蒸汽發生負荷，降低對全廠動力系統的沖擊。

1.4 輕循環油(LCO)和重循環油(HCO)組分分離及加工技術

LCO和HCO組分分離及加工流程如圖4所示，分餾塔設置LCO抽出口和輕柴油抽出口，其中餾程200～250 ℃的LCO由分餾塔上部抽出，直接進提升管回煉，餾程250～360 ℃的輕柴油由分餾塔下部(輕柴油汽提塔)抽出，經加氫處理后返提升管回煉；設置油漿減壓拔頭，拔出的餾程320～360 ℃的HCO進渣油加氫裝置作稀釋油。LCO和HCO組分分離及加工技術采用中國石化石油化工科學研究院和SEI聯合開發的新一代LTAG技術[10]及渣油加氫-催化裂化雙向組合RICP技術[11]，通過該技術的實施可以有效降低裝置和全廠柴汽比，增大全廠輕質油收率，提高經濟效益。

圖4 LCO和HCO組分分離及加工技術工藝流程示意

1.5 吸收穩定綜合節能技術

吸收穩定綜合節能技術主要包括解吸塔低溫進料技術和降低吸收塔補充吸收劑用量技術。

解吸塔低溫進料技術：氣體壓縮機(簡稱氣壓機)壓縮富氣，將其冷卻至40 ℃后，經氣壓機出口的油氣分離器分離得到凝縮油；凝縮油進入解吸塔的溫度由65～70 ℃降至60 ℃。在此溫度下，解吸塔進料液體直接汽化率降低，在滿足液化氣中C2含量要求的前提下，可以減少解吸塔塔頂餾出氣體的量，從而降低吸收穩定系統內部循環的氣體流量和吸收-穩定系統的能耗。

降低吸收塔補充吸收劑用量技術：根據裝置液化氣收率和組成，利用Aspen Plus軟件進行模擬優化，將粗汽油進吸收塔位置適當下移，可以大幅降低吸收塔補充吸收劑用量，吸收效果和產品質量明顯改善，同時相關換熱器熱負荷、機泵負荷減少，使裝置的能耗降低[12]。

此技術已經在多套催化裂化裝置上成功應用，取得了良好的工業效果，可以降低裝置能耗12.54～20.91 MJ/t。

1.6 煙氣凈化組合技術

為達到煙氣超低排放要求，再生煙氣凈化采用低能耗、低物耗、低排放組合技術。其中，煙氣脫硝采用選擇性催化還原(SCR)工藝，并預留亞氯酸鈉(COA)低溫氧化脫硝工藝；脫硫采用循環流化床半干法脫硫工藝，除塵采用超細PPS纖維濾袋布袋除塵技術。通過煙氣凈化組合技術可以實現凈化煙氣中NOx、SO2、總懸浮顆粒物(TSP)的質量濃度分別不大于50，35，10 mg/m3，基本消除了二次污染，煙氣凈化系統無高含鹽廢水排放。

2 工業應用

2.1 防結焦技術的工業應用

全封閉旋流快分結構技術成熟可靠，已在中海石油煉化有限責任公司、中國石化上海石油化工股份有限公司、中化泉州石化有限公司、中國石化海南煉油化工有限公司和中國石油哈爾濱石化公司等多套催化裂化裝置上成功應用，解決了沉降器的結焦問題，多套裝置檢修過程中均未發現沉降器稀相結焦現象，如圖5所示。

圖5 全封閉旋流快分結構工業應用情況

新型防結焦全封閉旋流快分結構在中國石化荊門分公司2.8 Mt/a重油催化裂化裝置成功應用，油漿中固含量如圖6所示。由圖6可知，油漿中固體質量濃度穩定維持在小于1.0 g/L。

圖6 2.8 Mt/a重油催化裂化裝置油漿固含量曲線

2.2 原料油乳化技術的工業應用

2018年，SEI開發的第一代乳化技術在中國石化湛江東興石化有限公司0.5 Mt/a催化裂化裝置上進行了工業試驗。投用第一代乳化技術前，進行空白試驗標定；投用第一代乳化技術后，進行試驗標定，結果如表1所示。由表1可知，乳化試驗的液相產物總收率提高了1.82百分點，其中液化氣收率提高0.55百分點，汽油收率提高1.47百分點，焦炭產率降低0.14百分點，油漿收率降低1.65百分點。液化氣中丙烯質量分數增長0.85百分點，裝置能耗降低57.29 MJ/t。

表1 第一代乳化技術在0.5 Mt/a催化裂化裝置上應用的產品收率 w，%

SEI開發的第二代乳化技術在中國石化荊門分公司2.8 Mt/a重油催化裂化裝置上進行工業應用，標定結果如表2所示。由表2可以看出，第二代乳化技術投運后，在MIP+LTG工藝中，當原料殘炭為6.55%、反應溫度為540 ℃時，汽油收率提高了0.46百分點，液化氣收率提高了0.66百分點，柴油產率降低了2.12百分點。由于催化裂化產品中，高氫含量產品(液化氣、汽油)的收率顯著提高，受氫平衡限制，低氫含量產品(油漿、焦炭)的產率也略有上升。裝置柴汽比明顯下降，柴油反應更加充分，產品分布改善明顯。

表2 第二代乳化技術在2.8 Mt/a重油催化裂化裝置應用的產品收率 w，%

綜上，第一代乳化技術和第二代乳化技術的工業應用結果表明，原料乳化技術對劣質渣油的高效轉化有重要作用，可以顯著增強其催化裂化反應效果，改善產品分布，提高高價值產品收率，提高裝置經濟效益。

2.3 10 MPa等級蒸汽發生技術工業應用

2020年6月，10 MPa等級蒸汽發生技術在中國石化荊門分公司2.8 Mt/a重油催化裂化裝置成功應用，系統平穩運行，產生蒸汽的溫度、壓力和流量波動很小，如圖7所示。

圖7 2.8 Mt/a重油催化裂化裝置10 MPa等級蒸汽流量、溫度和壓力的變化趨勢

雖然10 MPa等級蒸汽過熱溫度為520 ℃，高于常規4.0 MPa等級蒸汽過熱溫度(420 ℃)，蒸汽過熱所需顯熱增加，但由于水的蒸發潛熱隨其壓力增大而降低，催化裂化裝置發生10 MPa等級蒸汽和發生4.0 MPa等級蒸汽時蒸汽流量基本相當。另一方面，產生10 MPa和4.0 MPa等級蒸汽的能耗分別為3 851.856 MJ/t和3 684.384 MJ/t，因此，與發生4.0 MPa等級蒸汽相比，發生267～300 t/h的10 MPa等級蒸汽可降低能耗133.978～150.725 MJ/t。中國石化荊門分公司2.8 Mt/a重油催化裂化裝置設計能耗為1 536.556 MJ/t，則該裝置能耗可以降低8.7%～9.8%，節能效果十分顯著。

2.4 煙氣凈化組合技術工業應用

煙氣凈化組合技術在中國石化荊門分公司和中國石化清江石油化工有限責任公司已成功應用，凈化煙氣中污染物含量如表3所示，實現了超低排放的目標。

表3 煙氣凈化組合技術運行結果

3 結 論

SEI成功開發了劣質渣油高效轉化工程解決方案，集成了沉降器防結焦技術、原料油新型乳化-霧化技術、10 MPa等級蒸汽發生與能量回收技術、LCO和HCO組分分離及加工技術、吸收-穩定綜合節能技術和煙氣凈化組合技術。

采用劣質渣油高效轉化工程解決方案，可對劣質渣油原料進行高效催化裂化轉化，部分替代渣油延遲焦化，解決其高硫、低附加值石油焦產品的出路問題；同時，還可以提高催化裂化裝置的液體產品收率，降低裝置能耗，推動國內重質、劣質渣油原料催化裂化加工技術的提升，進一步突破原料加工瓶頸，提升煉油廠的經濟效益。另外，再生煙氣凈化組合技術能從本質上改善催化裂化排放煙氣的潔凈度，基本消除高含鹽廢水的二次污染，改善企業周邊乃至總體大氣環境，具有重要的社會效益。