残渣型船用燃料油连续调合工艺研究

李遵照，徐可忠，薛 倩，刘名瑞，王明星，李 雪，肖文涛，张会成

(1.中国石化大连石油化工研究院辽宁省船用燃料油重点实验室，辽宁 大连 116045；2.中国石油天然气集团公司科技管理部)

重质船用燃料油是用于大型中低速船用柴油机的燃料，也称为船用残渣型燃料油，通常是由直馏渣油、减压渣油构成，或与一定比例的轻组分混合而成[1-2]。2016年全球船用燃料油需求量为200 Mt左右，中国的船用燃料油市场需求约为15 Mt。

在重质船用燃料油的调合中，由于各组分油的黏度比较高，机械能作用主要不是形成涡流扩散，而是在剪切力作用下把被调合的物料撕拉成很薄的薄层，再通过分子扩散达到均匀混合[3]。

常用的油品调合工艺分为两种：油罐批量调合和管道连续调合。目前，国内残渣船用燃料油生产以间歇式罐式批量调合为主，生产效率低，能耗高，各组分油主要是通过搅拌混合，产品稳定性有待提高。英国JISKOOT公司报道了船用燃料油管道连续调合工艺及设备[4]，该工艺采用喷射混合器，对于组分油黏度差异大的油品难以取得较好的混合效果。目前，国内还未见有残渣型燃料油连续调合工艺应用的报道。

残渣型燃料油连续调合需要解决以下几个问题：一是针对黏度、闪点等非线性指标的预测模型研究；二是针对黏度差异大的组分油管道混合器和强化混合器开发；三是以低成本为目标的优化调合方法；四是连续在线调合工艺及设备的建立。

中国石化大连石油化工研究院在残渣型燃料油调合方面开发了以非线性指标预测模型为基础的燃料油优化调合方法[5-7]和燃料油连续优化调合工艺[8-9]，研制了燃料油连续高效均质调合装置[10]，取得燃料油调合管理系统软件著作权，为残渣型船用燃料油连续在线调合生产提供了研究基础。本课题开发船用燃料油连续调合管理系统、设计新型高效静态混合器，并在此基础上开发残渣型燃料油连续调合工艺，建立残渣船用燃料油在线调合小试装置，通过实验验证该装置生产残渣型船用燃料油的可行性，并探索残渣型船用燃料油稳定性测量方法。

1 船用燃料油在线调合管理系统简介

针对多组分的低成本调合、现有燃料油调合生产企业的数据管理等问题，开发了“燃料油在线调合管理系统”[9]。该系统可以实现对组分油及调合油性质数据的管理、利用组分油的性质生成调合方案、对调合方案进行控制输出等功能。其中，利用最小二乘支持向量机模型，对产品指标进行预测，为提供调合方案提供有力的支撑。将调合管理系统与控制系统结合，实现燃料油调合自动化或半自动化，提高生产效率，同时，利用控制系统对设备进行实时监控，不仅保证调合方案的稳定运行，还起到了安全防控的作用。

1.1 燃料油在线调合管理系统的架构

图1 燃料油数据管理软件架构

1.2 非线性指标的预测方法

由于现有非线性指标预测模型误差较大，不能满足预测调合重质船用燃料油精度的要求，因此选用最小二乘支持向量机(LS-SVM)工具建立非线性指标预测模型。最小二乘支持向量机回归的基本思想是：利用一种非线性映射φ将一个由n维输入数据xi和1维输出数据yi组成的训练样本集D={(xi，yi)|i=1，2，…，n}，从原空间映射到特征空间φxi，从而将低维特征空间的非线性回归问题转化为高维特征空间的线性回归问题。

1.3 低成本优化调合方法

建立调合模型研究的目的是为了降低调合成本，提高调合时效性。本研究建立的调合模型如式(1)所示。

(1)

限制条件采用国家标准《船用燃料油》(GB 17411—2015)中对残渣型燃料油规定的各项指标。

(2)

在限制条件(2)中，X=x1，x2…xi…xn，具体为一种调合方案，fi为关于某一项质量指标的预测模型。

在限制条件中，调合油品中各类物质的含量(例如硫含量、水含量及各种金属含量等)指标可采用线性预测模型计算，即可通过对各组分油的相应指标进行加权平均的方法直接获得。而黏度、密度、倾点及闪点等指标则需选用相关模型或者非线性指标预测方法进行计算。

2 残渣型船用燃料油在线调合工艺

燃料油在线调合工艺是集合燃料油调合管理软件、燃料油调合控制器、燃料油检测装置、静态管道混合器、以及高效剪切单元形成的工艺流程。燃料油调合管理软件根据组分油性质、价位和调合油性质，采用低成本优化调合方法进行计算和预测，形成调合方案，并将方案中各组分的比例输出给调合控制器，控制器对调合组分油的油泵开度进行控制。调合组分从组分油储罐中输出后经阀门系统输出到下一步调合工艺，其中根据监测油品温度，来控制油品是否需要经过换热器来调整温度，若不需要调整温度，则直接进入到管道混合器，经管道混合器出来后的油品送入高效剪切单元处理后进入调和油罐。其中在静态混合器出口和剪切混合单元出口设置在线黏度监测装置，根据黏度在线监测结果，在调合管理系统对各组分油的比例进行调整，以达到调合方案要求。

2.1 新型高效静态混合器

图2 新型静态混合器结构示意

目前管道静态混合器大多侧重于管道径向油品的混合，很少解决管道轴向油品配比不均的问题。本研究开发了一种新型管道混合器，其结构示意如图2所示。该混合器由嵌套的内筒和外筒组成，内筒内部有不同管径的螺旋管道，外部有涡轮叶片。混合油品流经预混合室、轴向螺旋管道、后混合室和径向涡轮流出，油品在螺旋管道内流动时，产生反推作用力，驱动内筒上的涡轮旋转，叶轮上的叶片对油品再进一步进行剪切、研磨，最终使各组分油混合均匀。

2.2 在线调合工艺

在燃料油在线调合管理系统、高效静态混合器和剪切混合单元研究的基础上，开发了残渣型燃料油在线调合工艺(见图3)，该工艺针对生产残渣型燃料油的组分油的特点，采取管道静态混合器分步降黏、高效剪切混合、流量、温度、黏度等在线计量、实时反馈及调整的思路。

图3 残渣型燃料油在线调合工艺流程示意

具体工艺路线如下：

(1)利用燃料油在线调合系统根据组分油的性质，计算出调合方案，操作人员根据实际的市场需求选定最优的调合方案后，确定并输出，输出的方案通过控制系统对设备进行控制。

(2)在对各组分油流量进行设定和各设备满足启动条件后，启动装置，控制系统启动各个组分油泵，连接的各阀门打开并处于自动调节状态。组分油从储罐中泵出，其流量按照燃料油调合系统计算得出的流量进行定量，在各组分油输送管线上均设置有调节阀，通过调节阀门开度，保证各组分油严格按照燃料油在线调合系统软件确定的流量配比进行混合。

(3)其中渣油或重油等稠油先与调合用稀油(黏度较稠油低的组分油)一起进入管道混合器进行稀释混合，然后再与其它组分进入主管道混合器进行充分混合。

(4)混合后的燃料油进入高效剪切混合单元，在该单元中预混合的物流与回流物流在高效混合罐中进一步混合，输出的物流通过高效剪切泵进行研磨、分散、剪切，且高效剪切泵后的物流经离心泵，部分回流至高效混合罐，进一步优化燃料油质量，延长储存周期。

(5)经过高效剪切混合单元的燃料油直接输送至储罐或配送单元。

(6)调合结束后，使用轻质组分油依次经过泵、阀门、管道混合器、高效剪切混合单元等设备，达到冲洗线路及设备的目的，为下一次设备再启动提供安全保障。

重质船用燃料油的组分油大多性质差距较大，尤其黏度对生产工艺的影响较大。对黏度较大的组分油进行泵送时，采用分步式降黏的方法，先将黏度最大的组分油与某一稀油在管道混合器中混合，降低黏度后，再与其它组分油一同进入主管道混合器混合。

燃料油从管道混合器预混合后，为了进一步提高油品性质，设置了剪切混合单元，该单元采用了一个具有回流线路的高效混合罐，通过将预混合新鲜物料与混合后的物料在高效混合罐中的混合、输出、再回混的过程，使各组分物流混合得更加充分，并且在高效混合罐后设有高效剪切泵，高效剪切泵中流体在转子磨齿与定子磨齿在高速旋转下的相对运动，使被加工物料在自重、离心力等复合的作用下，通过其可变环状间隙时，受到强大的剪切力、摩擦力和高频震动，达到分散、粉碎、均质、混合的目的。

3 残渣型燃料油在线调合装置及实验

3.1 小试设备简介

为了验证上述工艺，建立了一套残渣型燃料油在线调合小试装置，该设备可实现撬装化，占地面积小。应用了自主研发的燃料油在线调合管理系统、高效静态混合器和剪切混合单元，能够实现从计算调合方案、控制生产设备到连续调合生产、形成合格产品的全部生产过程。装置处理量为240 Lh，能够实现2～4种组分油的调合。

3.2 实验结果

采用燃料油在线调合装置，针对3种组分油开展调合生产180 cSt船用燃料油的实验，通过燃料油在线调合管理系统计算得到低成本调合配方，然后控制3种组分油的体积流量，通过两级管道静态混合器分步降黏，然后通过剪切混合单元对混合的油品进行剪切和研磨，最终产品通过黏度计的在线测量结果进行反馈。

表1为生产180 cSt船用燃料油的两种低成本调合配方及操作条件。由表1可以看出，方案一稠油占比高，因其目的是生产运动黏度(50 ℃)接近180 mm2s的船用燃料油；方案二稠油占比稍(50 ℃)低，稀油占比提高，因其目的是生产运动黏度(50 ℃)低于180 mm2s的船用燃料油。

表1 生产180cSt船用燃料油的两种调合配方

燃料油的稳定性采用梯度黏度法[11-12]进行测量，图4为残渣型燃料油产品稳定性测量装置示意。装置为一个长50 cm的老化管，上部为进样口，下部为出样口，中部和底部设置有上层取样口和下层取样口。将待测燃料油加入该装置中密封，并在120 ℃条件下加速老化10 h，然后分别从上层取样口和下层取样口取样并测定两者的运动黏度和密度，计算上层样品和下层样品的运动黏度差和密度差，以此来表征燃料油的稳定性。当上下层样品的运动黏度差不超过5 mm2s时，调合燃料油的稳定性较好；当运动黏度差在5～10 mm2s时，调合燃料油的稳定性处于边界状态，具有不稳定趋势，需要进一步考察；当运动黏度差超过10 mm2s时，调合燃料油的稳定性较差。

图4 残渣型燃料油稳定性测量装置

测量了上述装置生产的船用燃料油的运动黏度、密度和产品稳定性，并与采用磁力搅拌方式得到的调合油进行对比，结果列于表2。从表2可以看出，采用在线连续调合方式得到的调合结果与磁力搅拌方式得到的调合结果相当，方案一调合得到的船用燃料油的运动黏度(50 ℃)为170 mm2s左右，方案二调合得到的船用燃料油的运动黏度(50 ℃)为130 mm2s左右，并且从稳定性评价数据上来看，采用在线调合装置生产的产品，黏度差和密度差相对较小，说明混合更充分，稳定性更好，因此本研究开发的在线连续调合小试设备可生产不同规格的船用燃料油。

表2 在线连续调合和搅拌调合的产品数据对比

4 结 论

(1)开发了船用燃料油在线管理系统、设计了新型高效静态混合器，并在此基础上开发了残渣型燃料油在线调合工艺。

(2)建立的残渣船用燃料油在线调合小试装置，能够实现调合方案生成、连续在线生产。试验表明，采用小试装置生产的船用燃料油产品与搅拌法生产的产品性能接近，稳定性更好，比传统残渣型燃料油生产方式效率提高。

[1] Doust A M，Rahimi M，Feyzi M.Effects of solvent addition and ultrasound waves on viscosity reduction of residue fuel oil[J].Chemical Engineering and Processing：Process Intensification，2015，95：353-361

[2] Ghanavati M，Shojaei M J，Ramazani A S A.Effects of asphaltene content and temperature on viscosity of Iranian heavy crude oil：Experimental and modeling study[J].Energy & Fuels，2013，27(12)：7217-7232

[3] 闫昆.渣油降黏及船用燃料油的调合[D].青岛：中国海洋大学，2015

[4] Jiskoot J J，Jiskoot M A.Apparatus for mixing liquid in a pipeline：The United Kingdom，GB2357710B[P].2003-03-12

[5] 刘名瑞，肖文涛，张雨，等.最小二乘支持向量机在重质燃料油调合中的应用[J].石油化工自动化，2017，53(1)：33-36

[6] 李遵照，刘名瑞，程亚松，等.非石油基油品对渣油掺稀降黏效果及掺稀模型研究[J].石油炼制与化工，2017，48(1)：38-42

[7] 李明，李遵照，郑希琨，等.渣油掺稀降黏实验及模型[J].油气储运，2017，36(8)：924-929

[8] 薛倩，刘名瑞，张会成.低凝点180号船用燃料油的调合[J].石油炼制与化工，2015，46(12)：77-80

[9] 薛倩，张雨，刘名瑞，等.煤焦油沸腾床加氢制备180号船用燃料油调合组分[J].石油炼制与化工，2015，46(10)：88-92

[10] 薛倩，肖文涛，刘名瑞，等.一种管道混合器：中国，ZL2014 10793396.X[P].2016-07-13

[11] 刘名瑞，项晓敏，张会成，等.梯度黏度法研究重质船用燃料油稳定性[J].石油炼制与化工，2015，46(11)：96-100

[12] 薛倩，刘名瑞，张会成，等.重质船用燃料油稳定性评价方法[J].炼油技术与工程，2016，16(8)：48-51