炼厂优化加工的思路和对策

2018-04-13郑文刚

当代石油石化 2018年8期

关键词：渣油炼厂重整

郑文刚

（中国石油化工集团公司炼油事业部，北京100728）

目前，我国炼油行业经过快速发展，面临产能过剩，柴油消费见顶，市场竞争剧烈的局面。同时，产品质量升级步伐加快、节能环保要求日趋严格，炼厂只有综合运用各种优化手段，挖潜增效，才能提高竞争能力。

1 炼厂生产过程中存在的主要问题

目前，不同炼厂在生产过程中存在的问题不同，综合大部分炼厂情况，共性问题如下。

1.1 原油性质波动大，不利于装置稳定、优化运行

大部分炼厂缺乏原油调合设施，由于原油品种多，且到厂不均匀，造成原油性质波动大，对长周期稳定和优化运行不利。

1.2 加工高含硫原油存在瓶颈

部分炼厂由于设备材质未升级，常减压、催化裂化硫含量设防值低，造成原油选择困难，炼厂不得不采购低硫中间基调和高含硫中间基、环烷基原油，导致原油成本偏高。部分低硫渣油进延迟焦化或渣油加氢加工，降低了炼厂的效益。

1.3 重油加工不优化

由于满足渣油加氢进料要求的原油可选范围有限，在生产实际中，为了保证装置长周期运行，掺渣率往往低于设计值，造成部分渣油进焦化，损失效益。和渣油加氢配套的重油催化生产运行方案不优化，造成催化剂金属污染失活、水热失活严重，产品分布不理想。大部分常减压装置都没有达到减压深拔的标准，导致延迟焦化进料残炭约20%，减压渣油TBP切割点只有540～545℃，重蜡油进延迟焦化生焦，损失效益。油浆没有较好的深加工路线，出厂的不含税价很低，甚至是负值。

1.4 连续重整开工不足

目前，连续重整是炼厂效益最好的装置之一，但受原油加工量、原油成本限制，部分炼厂连续重整不能满负荷运行。

1.5 用氢成本高，节氢潜力较大

以氢气利用率为95%的炼厂为例，若吨原油耗纯氢10.03 kg，按11 000元/吨纯氢计算，吨原油用氢成本110元，超过了外购燃动和辅材的总费用。目前，大部分炼厂燃料气中H2含量超过 20%（v），少数炼厂燃料气中H2含量超过35%，氢气利用率低于90%。氢气系统优化往往注重含氢气体回收，较少关注源头优化、很少开展梯级利用、更没有深入思考氢回收装置是否设置合理。

1.6 柴油消费见顶，出厂困难

柴油消费见顶下滑，同时质量升级加快。为了满足十六烷值和多环芳烃含量的要求，催化柴油的后路加工是关键。近年来，涌现了LTAG[1]、FD2G、RLG、MHUG-Ⅱ、催化柴油制PX原料、催化柴油调船用燃料油等技术，但仍存在技术适用性、成熟度等问题。

1.7 汽油质量升级进一步加快，航空煤油产能和规划需求之间的缺口较大

国Ⅵ B乙醇汽油不能调入MTBE，芳烃、烯烃、蒸汽压指标进一步降低。短时间内MTBE装置改造为叠合装置、新建烷基化装置等压力较大。航空煤油产能和规划需求之间的缺口较大，受冰点限制，靠提高干点的措施增产手段有限，需规划建设或改造装置，把部分直馏柴油转化成航空煤油。

1.8 存在重视局部利益，牺牲全局利益的问题

炼厂之间在原油、产品出厂等方面存在资源分配不优化的问题。炼厂内部存在多目标优化，目标之间相互影响，影响整体效益。如提高装置分离效率和降低能耗；提高单装置液收、轻收、高价值产品收率和提高全厂效益；降低催化裂化剂耗和提高转化率的目标相互影响。如有些炼厂只要求增加催化汽油收率，却不考虑由此而付出的代价；有的只考核装置的生产成本，如能耗、剂耗，而不考核边际效益。

2 炼厂优化加工的思路和对策

针对上述问题，建议在原油采购、原油调和与加工、加工方案制定、装置操作、产品结构优化、产品调和、氢气利用、燃料、蒸汽动力系统等方面深入开展优化增效工作。从降本和增效两方面入手，一方面降低原料和生产成本，降低吨油成本；另一方面优化产品结构，提高吨产品价值。具体思路如下。

2.1 原油采购和加工优化

原油采购的品种和数量、采用何种加工方案是炼厂加工优化的首要问题。尽管原油成本在加工成本中占比最大，但并不意味着原油成本越低，效益越好，需综合考虑操作成本、产品结构及长周期运行风险等因素。线性规划（LP）及炼油全流程优化（Petro-SIM桌面炼油厂）模型是目前解决该类优化问题的主要工具。LP模型求得优解后，可以获得边际油种和影子价格、产品盈利能力和灵敏度分析等，而桌面炼油厂模型则可根据动力学模型更加准确地计算产品分布和产品性质。

LP模型和桌面炼油厂模型需要相互配合。应用LP模型解决原油、库存、装置负荷、产品配合约束等问题，应用桌面炼厂模型解决加工流程优化、装置操作优化、产品调和优化等问题。LP需要准确的装置子模型才能较好地反映原料和操作条件变化后，产品收率和性质的变化。国际上通常用动力学模型生成LP模型所需数据[2]，国外先进公司的LP模型带有详细的装置子模型，国内企业的LP模型在这方面差距较大。

2.2 原油调和

进常减压装置原油性质如API、硫、酸值、水含量稳定是炼厂优化加工的重要保障。应用原油调和技术[3]，稳定原油性质，有利于常减压及后续装置平稳运行。也为常减压及后续装置实施先进控制（APC）和在线实时优化（RTO）等调优手段创造条件。

2.3 加工流程优化

炼厂的加工流程中重油平衡、石脑油平衡、柴油平衡、氢气、燃料、酸性气系统平衡对炼厂盈利能力影响很大。不少炼厂在装置设防值以及上述平衡方面存在瓶颈，从而限制了加工原油的品种和数量，提高了原油成本，有的可能影响开工负荷，最终影响盈利能力。因此，在规划阶段，要十分重视加工流程优化。

2.4 重油加工路线优化

重油加工路线优化是炼厂提高经济效益的关键。首先是催化裂化、固定床渣油加氢、沸腾床、浆态床渣油加氢、溶剂脱沥青、延迟焦化、沥青的原料优化。其次是这些装置的操作条件优化。原则是能进催化掺渣的原料不去其他装置；延迟焦化的原料尽可能劣质化；饱和烃和芳烃含量高的劣质渣油进溶剂脱沥青，通过该装置，一方面产出优质的渣油加氢原料，另一方面劣质化延迟焦化原料；渣油加氢原料要控制金属和残炭含量；沸腾床和浆态床可以加工劣质渣油，为此原料要适当劣质化；根据重油平衡和效益测算情况，决定沥青的产量。

建议炼厂应用Petro-SIM桌面炼油厂模型，对重油加工路线开展效益测算对比，据此动态调整重油加工路线。如渣油去焦化、溶剂脱沥青以及产沥青的效益对比；降低渣油加氢掺渣比，长周期运行和渣油加氢高苛刻度运行，缩短运行周期的效益对比等。

重油走脱炭路线的炼厂，建议开展减压深拔改造，提高减压拔出率。延迟焦化要在高苛刻度、短烧焦周期工况下运行。如焦化要提高加热炉出口温度、降低循环比和降低焦炭塔压力。目前，焦化加热炉在附墙燃烧、炉管在线清焦、转油线保温、低循环比、焦化分馏塔洗涤段改造提高洗涤效果等方面都有成熟的技术可以应用。溶剂脱沥青主要是要优化溶剂组成及抽提操作条件（温度和溶剂比），在考虑脱油沥青流动性的基础上，提高脱沥青油收率。

重油走加氢路线的炼厂，建议优化渣油加氢运行周期。在确定运行周期后，再优化催化剂级配、优化原料和操作苛刻度的匹配关系。在一个运行周期内尽可能提高渣油脱杂质能力，使得压降、热点、高换结垢等情况平稳变化。渣油加氢加强原料中Fe、Ca含量的监控，控制反应器压降的上升。

催化裂化的优化方向是提高掺渣能力，优化产品分布，提高汽油辛烷值桶收率。建议重油催化设计时要优选再生器结构，选择适应原料残炭大于3.5%的再生形式，如逆流两段再生，在牺牲部分能效和操作性能的情况下，尽可能做大装置掺渣能力；优选提升管出口快分形式，避免非计划停工；优选原料碰嘴，提高雾化性能，降低生焦和干气收率；优化原料预热温度、再生器密相温度、提升管出口温度等操作条件，优化反应苛刻度。催化剂配方要具备较好的抗V、Fe污染性能，较好的重油裂化性能以及较低的生焦选择性，较高的汽油选择性，如应用气相超稳分子筛等。

油浆的深加工有多种工艺路线，目前正在研究油浆脱固措施，一旦突破，则油浆的深加工效益显著。

2.5 石脑油加工优化

石脑油优化加工的原则是“宜烯则烯，宜芳则芳，宜油则油”。少数油化一体化炼厂建设了石脑油吸附分离装置，同时优化了乙烯和重整原料。有些炼厂建设了轻烃回收系统，轻石脑油供乙烯，重石脑油供重整。由于重石脑油初馏点提高，明显减少了无效组分进重整，为重整提高处理量和优化操作创造了较好的条件。

石脑油加工已经步入分子炼油领域，原料表征以及动力学模型均较成熟。建议利用原油评价、LP模型和Petro-SIM桌面炼油厂模型，优化不同石脑油的加工方案，如重整原料初馏点、干点、重整苛刻度、重整、PX和歧化加工负荷、歧化进料比例、C7芳烃和C9芳烃调和汽油的量优化，对比分析不同石脑油加工路线的经济性。

连续重整装置的优化方向是提高处理量，提高反应温度和降低氢油比。连续重整在高负荷、高苛刻度下遇到的主要问题是四合一炉负荷高、重整反应器催化剂贴壁、待生催化剂炭含量高，再生负荷高、重整生成油干点高，胶质含量高，造成成品汽油干点超；白土更换频率高等。

针对四合一炉加热炉负荷不足的问题，可以通过4个反应器入口温度的调整，优化四合一炉各加热炉负荷，同时也可以适当降低氢油比。有炼厂通过加热炉的改造，更换部分加热炉火嘴，成功消除了瓶颈[4]；针对待生催化剂炭含量高的问题，优化控制重整原料的初馏点和干点，实现重整原料的清晰切割，减少重整原料中无效和不利的组分，如C5烷烃、C6烷烃、甲基环戊烷以及重组分等；操作上也可优化水氯平衡、反应温度、氢油比和再生烧焦。针对生成油干点和胶质高的问题，在二甲苯塔后增设分离塔，该塔塔顶和侧线调和汽油，塔底调和柴油。增设该塔后，连续重整就可以提高原料干点到172～174℃，反应温度也可以提高至525℃以上；针对白土更换频繁问题，目前已有非临氢和临氢2种技术实现烯烃饱和，大大降低白土更换频率或完全不用白土。

2.6 氢气系统优化

炼厂用氢不优化主要表现在氢气利用率不高，氢源和氢阱的匹配不优化。

现有的氢气平衡表是简单的产耗平衡表，从中很难发现深层次问题。应对氢气流量计进行温度、压力和分子量校正；统计氢源的供氢流量、压力、氢气组成（特别是甲烷的含量）、去向和去量，除产氢装置外，临氢装置高低分气也是氢源。氢阱要列出反应器入口氢气组成和压力要求、循环氢压缩机的流量、压比和功耗；列出现有管网的压力等级、氢源和氢阱的匹配；列出现有氢气回收或提纯装置的产能、回收率、氢纯度、原料和产品的来源和去向以及操作费用。在上述基础上，根据氢气夹点理论[5]，确定氢气系统的夹点及夹点处氢气纯度。根据氢气夹点理论，如果把夹点之上的氢气回收提纯，那么氢回收装置不仅没有必要，而且还造成浪费。如连续重整氢气进PSA回收提纯，而一般企业的氢气夹点纯度都小于92%，因此，不仅没有必要，而且还造成PSA尾气氢排放损失。而把夹点之下的氢气回收提纯，则可节约氢气，如部分炼化一体化企业，催化干气回收了富乙烯气后返回炼厂做燃料，在经济合理的情况下，可考虑回收催化干气中的氢气。

氢气系统优化的原则是氢源和氢阱要根据流量、压力和纯度情况，按照压力、纯度梯级利用的要求进行匹配。炼厂受限于装置逐步改造，并没有根据这些原则从整体上很好地优化氢气系统。表现是氢气“高质低用”或“低质高用”，如柴油加氢、汽油加氢、航空煤油加氢使用99%的纯氢；乙烯氢含有较高浓度的甲烷，却补充入渣油加氢、加氢裂化；航空煤油、汽油、柴油、蜡油、渣油加氢以及加氢裂化装置循环氢纯度和氢油比普遍控制较高，造成含氢气体量大，氢气含量高。建议用动力学模型和非线性整数规划相结合的方法来解决氢源和氢阱的匹配问题。

氢气管网在数学上使用超结构建模，并使用非线性规划算法求解，其中临氢装置反应器模型可采用简化或机理模型。优化的目标函数是单位纯氢的产氢装置原料成本＋产氢装置操作费用＋临氢装置操作费用＋氢回收装置操作成本总和最小。在目标函数中，要加入产品质量、设备、工艺和流程约束。

2.7 燃料、蒸汽和动力系统优化

燃料、蒸汽和动力系统优化需要运用整体优化的方法解决。国外咨询公司有一种优化的方法是对每套工艺装置进行夹点分析，并建立全厂蒸汽动力系统模型（含锅炉、燃料、发电机及经济评价），然后采用Total Site技术，给出全厂公用工程夹点[6]。在此基础上提出各装置发汽或用汽的优化方案，基本原理是工艺物流发生压力等级更高的蒸汽，工艺物流用压力等级更低的蒸汽，直到蒸汽和工艺物流换热温差达到或接近夹点温差，再用全厂蒸汽动力系统模型评估全厂蒸汽平衡，优化燃料结构和用量，优化热电比，使得效益最大化。最后给出技术改造的路线图，对系统和装置需要改造的部分列出时间节点，细化每个改造方案。蒸汽动力系统模型也可以实时在线运行，根据煤、天然气、燃料气、液化气不同的等热值价格、不同锅炉、汽机的效率、不同的热电比等实时调整燃料、动力和汽机系统运行模式，实现燃料成本最优。

2.8 降低柴油产量，增产汽油和航空煤油

国内成品油消费市场，决定了当前和今后炼厂的产品结构优化方向是压减柴油、增产汽油和航空煤油。

催化柴油芳烃和氮含量高、密度大、十六烷值低，加氢精制困难，是柴油池中性质最差的组分。目前，催化柴油的加工有多种技术，如部分催化柴油掺入渣油加氢、蜡油加氢、加氢裂化；应用LTAG、FD2G、RLG、催化柴油制PX原料、催化柴油调和船用燃料油等技术。2020年后，船用燃料油硫含量将小于0.5%，视船用燃料油的价格，可调入部分催化柴油，降低柴油产量。对于催化加工量占原油加工量30%及以下的炼厂，柴汽比要降到1.0以下，要进一步考虑直馏柴油的转化。通过柴油和航煤清晰切割，常减压和加氢裂化装置可以增产航煤，降低柴油产量。通过柴油切轻，压入蜡油进催化裂化或加氢裂化，可以进一步降低柴油产量。

汽油增产主要以建设烷基化装置、提高重油转化深度、优化催化产品分布、优化石脑油加工路线为主，催化柴油和直馏柴油的转化为辅。S-Zorb装置优化操作对降低催化汽油的RON损失很重要，生产上主要优化反应温度、氢油比、吸附剂循环量、吸附剂硫差、吸附剂活性来降低RON损失。

航空煤油增产主要措施是依靠技术进步，建设直馏柴油转化装置产航煤，现有装置可以提高常一线、加氢裂化航空煤油的干点以及优化加氢裂化催化剂级配；提高常一和常二线分离精度以及加氢裂化航空煤油和加氢裂化柴油的分离精度。