超低硫清潔柴油生產運行方案的優化

簡建超，陳 剛，王 軍

(中國石化青島煉油化工有限責任公司，山東 青島 266500)

車用燃油的質量直接關系到汽車發動機的使用性、燃燒性及尾氣排放對大氣的污染性[1]。為了提高車用燃油質量，最大限度降低污染物排放對環境的影響，我國加快了車用燃油質量指標升級的速度。當前中國車用柴油Ⅵ質量標準要求柴油硫質量分數不大于10 μg/g，多環芳烴質量分數不大于7%，屬于超低硫清潔柴油，對改善空氣質量和提高車用柴油的安全性起到了積極作用[2]。

近幾年，國內煉油企業通過各種局部技術改造陸續完成了車用柴油質量升級，例如新增加氫精制反應器[3]，使用高加氫脫硫活性、高加氫脫芳烴活性的催化劑[4-6]，采用高苛刻度的選擇性加氫工藝等[7]。然而，在實現柴油產品質量升級目標的同時，企業的生產成本也相應提高，部分企業還存在催化劑使用壽命縮短、全廠能耗氫耗增加等問題。在此情況下，煉油企業結合工藝流程的優化，通過全廠生產方案的調整，來降低質量升級的運行成本，提高盈利能力，具有較重要意義。

1 生產超低硫柴油的困難及影響

某煉油廠柴油產品的主要生產裝置為4.1 Mt/a柴油加氫裝置和2.0 Mt/a加氫裂化裝置，其中柴油加氫裝置的柴油產品產量占煉油廠柴油總產量的94%左右，其原料為直餾柴油、催化裂化柴油(催化柴油)和延遲焦化汽柴油。在柴油產品質量升級至國Ⅵ標準的過程中，雖然通過增加一臺反應器降低體積空速[8]，可將精制柴油的硫質量分數降低至不大于10 μg/g，但產品質量不穩定，經常出現個別時間硫含量不合格的問題，分析發現其主要原因在于原料中少量存在于重組分的大分子硫化物較難脫除[9]。對此，該煉油廠對相關裝置的操作進行了調整：一方面降低上游裝置柴油的切割點，使常三線油的95%餾出溫度由378 ℃降低至不高于365 ℃，催化柴油的95%餾出溫度由365 ℃降低至不高于350 ℃；另一方面繼續提高柴油加氫裝置的反應器床層平均溫度，提高脫硫深度。

經過上述一系列操作調整之后，該煉油廠可穩定生產出硫質量分數低于10 μg/g的超低硫清潔柴油，但同時帶來其他幾個問題：①柴油加氫裝置提高反應深度之后，催化劑失活速率快速上升，導致催化劑使用周期不到兩年；②常三線油降低切割點之后，部分柴油組分被壓到了常壓蒸餾塔(簡稱常壓塔)塔底，與塔底重油一起經減壓蒸餾塔(簡稱減壓塔)加熱爐升溫后進入減壓塔，不僅導致裝置能耗增加，還影響減壓深拔效果，使渣油收率上升；③催化柴油降低切割點之后，催化裂化油漿產量增加，部分催化柴油組分與催化裂化油漿一起進延遲焦化裝置加工，而此部分催化柴油在焦化裝置較少發生反應，大部分與焦化蠟油一起經過加氫處理后再返回催化裂化裝置，在催化裂化裝置已經滿負荷運行的情況下影響了裝置的有效加工負荷。因此，雖然該煉油廠按照上述操作調整生產出了硫含量滿足國Ⅵ車用柴油標準的產品，但卻對全廠經濟效益、能源消耗及裝置長周期運行等產生了較大影響。

2 生產方案優化措施

2.1 常減壓蒸餾裝置增加常壓輕蠟油抽出流程

為了避免降低常三線油切割點對常減壓蒸餾裝置能耗和減壓深拔效果造成影響，結合煉油全流程優化模型測算分析，提出了在常壓塔下部新增加一條側線抽出的方案，從該側線抽出輕蠟油組分，從而降低常三線油的95%餾出溫度，同時也降低減壓塔加熱爐(簡稱減壓爐)和減壓塔的負荷。常壓塔共有51層塔盤，進料口在第6層塔盤，常三線油從第12層塔盤抽出。經核算，新增的輕蠟油側線從進料口和常三線之間的第9層塔盤抽出，進入汽提塔，氣相返回第10層塔盤。將原常三線油汽提塔改造為兩段，其中下半段作為常壓輕蠟油汽提塔，同時新增機泵、換熱器、控制閥及相關工藝管線。

增加常壓輕蠟油抽出側線后，常三線油和常壓輕蠟油的主要性質如表1所示。由表1可以看出，常壓輕蠟油的終餾點為420 ℃左右，密度(20 ℃)為870.1 kg/m3，其與減二線油合并后作為蠟油原料，滿足蠟油加氫和加氫裂化裝置的原料要求。以下將常壓塔新增輕蠟油側線抽出方案簡稱為常壓輕蠟油方案。

表1 常三線油和常壓輕蠟油的主要性質

2.2 延遲焦化裝置調整柴油切割點

該煉油廠生產平衡過程中存在蠟油資源不足的問題，為滿足催化裂化裝置滿負荷加工要求，延遲焦化裝置的柴油95%餾出溫度一直按不高于310 ℃控制，高于310 ℃的焦化柴油重組分則壓入焦化蠟油中進催化裂化裝置加工。而與直餾柴油相比，焦化柴油重組分的裂化性能較差，并不是好的催化裂化原料。

在常減壓蒸餾裝置增加常壓輕蠟油抽出流程之后，催化裂化的原料量得到補充，此時可通過適當提高焦化柴油切割點，達到優化催化裂化裝置原料性質的目的。當將焦化柴油95%餾出溫度由310 ℃提高至340 ℃以上時，多產焦化柴油6 t/h左右，減少的催化裂化原料由常壓輕蠟油補充。在催化裂化裝置加工負荷不變的情況下，原料的裂化性能提高，汽油和液化氣產量增加，每月增產汽油1 119 t，少產柴油1 191 t。

2.3 柴油加氫裝置原料優化

催化柴油在柴油加氫裝置加工時比在加氫裂化裝置加工時可減少氫耗約150 m3/t。實施常壓輕蠟油方案前，為滿足車用柴油產品多環芳烴指標要求，柴油加氫裝置原料中摻煉催化柴油的量不能大于60 t/h，其余約25 t/h催化柴油需要進加氫裂化裝置加工，導致全廠氫耗較高。實施常壓輕蠟油方案后，柴油加氫裝置混合原料的終餾點大幅降低，性質得到明顯改善，精制柴油的多環芳烴含量也相應減少。因此可將柴油加氫裝置摻煉催化柴油的量提高到70 t/h以上，使加氫裂化裝置加工催化柴油的比例降低，全廠氫耗相應減少。表2為柴油加氫裝置原料優化前后原料及產品性質的變化情況。由表2可以看出，柴油加氫裝置原料優化后，密度(20 ℃)由851.6 kg/m3降低至847.7 kg/m3，95%餾出溫度由359.7 ℃降低至340.1 ℃，多環芳烴的質量分數由17.2%降低至15.4%；精制柴油產品的十六烷指數由51.3提高至52.2，多環芳烴的質量分數由6.7%降低至4.4%。

表2 柴油加氫裝置原料優化前后原料及產品性質的變化情況

2.4 催化裂化裝置減少油漿產量

為滿足國Ⅵ柴油硫含量和出口柴油色度指標要求，需要將催化柴油95%餾出溫度降低至350 ℃以下，使得部分重柴油組分進入油漿中，導致油漿收率增加。油漿進入延遲焦化裝置后，部分生成低價值的焦炭和干氣，部分未反應組分隨焦化蠟油一起經蠟油加氫裝置處理之后又返回催化裂化裝置，在催化裂化-延遲焦化-蠟油加氫裝置之間循環。實施常壓輕蠟油方案后，由于常三線油終餾點大幅度降低，柴油加氫裝置原料性質得到明顯改善，因此將催化柴油95%餾出溫度提高至360 ℃左右，減少油漿產量約4 t/h，從而減少生焦并降低能耗。

2.5 蠟油加氫和加氫裂化裝置負荷調整

將抽出的常壓輕蠟油并入減二線蠟油，部分作為加氫裂化裝置原料，部分隨混合蠟油經加氫處理后作為催化裂化裝置原料，可以達到減產柴油、增產汽油，進一步降低柴汽比的目的[10]。例如將抽出的30 t/h常壓輕蠟油并入減二線油，其中約20 t/h作加氫裂化裝置原料，約10 t/h作蠟油加氫處理裝置原料，此時柴油加氫裝置的負荷相應減少。經測算，在此情況下全廠每月增產汽油6 020 t，少產柴油9 130 t。

2.6 提高減壓深拔程度、降低渣油收率

實施常壓輕蠟油方案后，從常壓塔抽出30 t/h常壓輕蠟油，致使常壓塔塔底重油進入減壓蒸餾系統的流量相應減少，減壓蒸餾系統負荷降低。經生產優化模型測算，調整減壓蒸餾系統操作后，減壓塔全塔壓降降低，優化了減壓深拔運行參數，使減壓塔的減壓深拔效果得到提高。圖1為減壓渣油中高于538 ℃餾分含量的變化趨勢。由圖1可以看出：在2019年6月常減壓蒸餾裝置實施新增輕蠟油側線抽出改造前，減壓渣油中高于538 ℃餾分的質量分數平均為7%左右；2019年8月完成改造后，其降低至5.5%左右，減壓渣油收率減少約0.45百分點。經測算，在此情況下全廠每月增產汽油1 732 t，少產石油焦1 349 t。

圖1 減壓渣油中大于538 ℃餾分含量的變化趨勢

2.7 優化蒸餾塔加熱爐操作降低能耗

為達到565 ℃以上的渣油減壓深拔切割點，要求減壓爐出口溫度較高，一般需控制在420 ℃以上。在實施常壓輕蠟油方案時，可通過適當提高常壓塔加熱爐(簡稱常壓爐)出口溫度增加常壓輕蠟油抽出量，從而降低減壓塔系統負荷，同時適當降低減壓爐出口溫度，減少減壓爐燃料消耗，并減緩減壓爐爐管及減壓塔填料結焦，有利于常減壓蒸餾裝置的長周期運行。

利用流程模擬軟件對常減壓蒸餾裝置的操作工況進行模擬[11-12]，以當前數據為基準，測算提高常壓爐出口溫度并同步降低減壓爐出口溫度時減壓渣油收率和加熱爐負荷的變化情況。表3為常壓爐和減壓爐分別在4種不同工況時的數據。由表3可以看出，將常壓爐出口溫度由365 ℃提高至369 ℃，并根據過汽化油量增加常壓輕蠟油抽出量，在保持減壓深拔效果不變的情況下，減壓爐出口溫度降低了2 ℃，此時常壓爐和減壓爐的負荷合計降低了1.9 MW。降低減壓爐出口溫度還有利于減緩減壓爐爐管及減壓塔洗滌油段填料結焦。

表3 常壓爐和減壓爐不同工況數據對比

3 實施效果

3.1 柴油產品質量提升

通過實施一系列生產優化方面的調整措施，柴油加氫裝置的精制柴油產品的硫質量分數穩定控制在8 μg/g以內，同時十六烷指數約提高1，多環芳烴質量分數約降低2百分點，柴油產品質量得到較大幅度提升。

3.2 催化劑使用壽命延長

自2019年8月實施優化方案以來，柴油加氫裝置兩臺反應器的提溫速率較低。圖2和圖3分別為裝置運行23個月以來兩臺反應器的平均反應溫度和溫升的變化情況。其中第一反應器(R101)的溫升穩定在80 ℃左右，催化劑失活速率平均為每月0.74 ℃，第23個月時催化劑平均溫度離設計的末期使用溫度還有25 ℃左右的提溫空間，可以繼續運行33個月以上；第二反應器(R102)的溫升控制在不低于5 ℃，催化劑失活速率平均為每月0.71 ℃，第23個月時催化劑平均溫度離設計的末期使用溫度還有20 ℃左右的提溫空間，可以繼續運行至少28個月。據此計算，柴油加氫裝置催化劑的更換周期可由此前的2年延長至4年以上。

圖2 R101平均反應溫度和溫升隨運行時間的變化■—平均反應溫度； ●—反應器溫升。圖3同

圖3 R102平均反應溫度和溫升隨運行時間的變化

3.3 產品結構優化

實施優化措施后，常減壓蒸餾裝置減壓深拔的效果得到改善，減壓渣油收率降低約0.45百分點；部分柴油組分轉化為蠟油原料進加氫裂化和加氫處理裝置加工，降低全廠柴汽比；催化裂化裝置進料中的循環物料減少，提高了裝置有效加工負荷。經測算，全廠每年合計增產汽油約107 kt，柴油產量相應減少。扣除裝置加工費用后，每增產1 t汽油可增效300元，全廠全年增加效益3 210萬元。

3.4 能耗、氫耗降低

通過優化調整常減壓蒸餾裝置的常壓爐和減壓爐出口溫度，在減緩減壓爐爐管及減壓塔洗滌油段填料結焦的同時每年可節省燃料氣約1 200 t，減少燃料費用約490萬元；通過優化柴油生產方案，增加柴油加氫裝置原料中催化柴油的比例，減少加氫裂化裝置加工的催化柴油量，全廠氫氣消耗降低1 500 m3/h，全年氫耗費用減少1 260萬元。

4 結 論

柴油質量升級對企業經濟效益及長周期運行等方面產生較大影響，結合全廠總加工流程對生產方案進行了優化，新增常壓塔抽出輕蠟油流程，提高了全廠生產方案優化調整的靈活性。在此基礎上，通過對常減壓蒸餾、延遲焦化、催化裂化、柴油加氫、蠟油加氫、加氫裂化等多套裝置的操作參數進行一系列優化調整，取得了提升柴油產品質量、延長催化劑使用壽命、優化產品結構、降低全廠能耗和氫耗的優化效果，提高了全廠經濟效益。