双提升管催化裂化工艺技术浅析

刘 佩

(南京正大天晴制药有限公司，江苏 南京 210038)

流化催化裂化是重质原料油的主要炼制加工技术，是炼油行业的“五朵金花”之一。装置利用石油一次加工后的重质蜡油、渣油为原料，在高温催化剂的作用下，发生复杂的催化裂化反应，生产汽油和柴油等轻质油品、低碳烯烃产品。

我国自第一套流化催化裂化装置1965年在抚顺建成投产以来，通过50年来的发展，催化裂化工艺技术和催化剂开发始终在不断进步，技术日趋成熟[1]。催化裂化工艺技术在石油产品的二次深加工上具备以下优势：原料适应性广,从石油的二次加工馏分油到重质原料油均可加工；催化裂化催化剂的研发发展迅速，针对不同原料和不同目的产品的催化剂得以广泛运用，取得了良好效果；原料经催化裂化过程转化的深度大,轻质油品和液化气收率高；催化裂化装置投资较少，操作压力等级低,操作条件相对缓和；产品液化气中丙烯、丁烯、异丁烯等低碳烯烃利用价值高。从当前炼油工艺发展和炼油厂改造与建设情况来看，随着多产油品和低碳烯烃的工艺技术结合，催化裂化装置正逐步成为炼油—化工一体化的核心。

1 催化裂化工艺技术的现状与发展

1.1 催化裂化工艺技术面临的发展挑战

随着社会经济的发展，对催化裂化工艺技术提出了新的问题和挑战，主要有以下三方面：

(1)全球石油资源的紧缺，使得催化裂化装置的原料劣质化倾向严重，高硫高杂质的重质原料成为常态化；

(2)全球环境保护的要求越发严苛，要求石油炼制企业提供更加清洁高效的动力油品，对传统催化裂化工艺生产的油品质量提出了挑战；

(3)新能源的利用减少了油品的市场份额，要求炼化企业实行少产油品多产化工品的策略，以取得更好的经济效益，多产烯烃和高品质清洁油品的催化裂化工艺技术成为新的发展趋势。

因此，原有的催化裂化工艺技术已经不能满足现代经济社会的需求，国内外对催化裂化工艺技术和催化剂不断进行研究发展，提出很多新工艺技术和新型催化剂。

1.2 国内外催化裂化工艺技术的新发展

在催化裂化工艺技术发展上，国内外都有一些良好的技术应用实践。有以蜡油、常压渣油为原料，最大量生产汽油和液化气的MGG、ARGG等催化裂化工艺技术；有利用重油生产乙烯、丙烯的HCC、CPP、DCC等催化裂化工艺技术，“三烯”产率较常规催化裂化有大幅度提高；有多产液化气和轻柴油的MGD催化裂化工艺技术[2]。

在新的工艺技术发展趋势中，双提升管催化裂化(下文简称SFCC催化裂化，是由洛阳石化设备研究所、京润石化工程有限公司联合研发的专利技术)工艺技术具有独到之处，重油和轻油回炼采用不同的提升管反应区域，既适应了高含硫，高杂质的劣质重油加工，又实现了多产烯烃产品和高品质油品的市场需求，提高了催化裂化装置的生产灵活性。本文通过对SFCC催化裂化工艺技术的分析研究，对其优化运行、节能降耗及提高运行经济效益提出措施方案，并对该工艺技术的运行优势进行总结[3]。

2 SFCC催化裂化工艺技术特点和装置生产路线

2.1 SFCC催化裂化工艺技术特点

SFCC催化裂化工艺特点是采用了双提升管，实现了双反应系统：重油反应系统和轻油反应系统。重油反应系统包括重油提升管反应器、沉降器和重油分馏塔；轻油反应系统包括轻油提升管反应器和轻油分馏塔。重油提升管生成的粗轻油在重油分馏塔馏出后送至轻油提升管反应器回炼。

轻油提升管中部设催化剂分配器，利用轻油提升管待生催化剂相对较低的温度和相对较高的剩余活性，分别返回重油提升管、轻油提升管下部与再生催化剂混合，达到降低重油提升管、轻油提升管的起始温度，实现大剂油比、油剂低温接触的条件。通过以上工艺技术改进，重油提升管反应器以重油为原料，实现高剂油比、高反应温度的操作条件，取得较深的反应深度和较低的油气分压，降低干气产率，生产较多的丙烯及高辛烷值轻油；粗轻油进轻油提升管反应器回炼，在降低汽油烯烃含量和硫含量的同时增产丙烯。

双提升管催化裂化工艺技术的意义在于实现了重油和粗轻油分别进各自的提升管反应器进行反应，满足了重油原料的高含硫、高杂质的劣质化的要求，同时改善了汽油产品质量，降低汽油烯烃含量并提高了汽油辛烷值，同时实现了多产低碳烯烃产品[4]。

2.2 SFCC催化裂化工艺路线和优势

SFCC催化裂化原料主要有俄罗斯M100、常压渣油和减三、减四蜡油等重质原料油，产品主要为精丙烯、低硫高辛烷值汽油、轻柴油、石油液化气、甲基叔丁基醚(MTBE)和硫磺等。通过主装置和配套装置的结合，形成了完成的重质油加工系统，形成具有市场竞争力的产品结构及高标准的产品质量，其典型的工艺装置布局如下：

(1)主装置为催化裂化装置，采用SFCC双提升管、双分馏塔重油催化工艺技术，将重质原料油通过催化裂化反应并分离为汽油、柴油、液化气、干气、焦炭和油浆。

(2)配套气体分离装置，以反应生成的液化气为原料，通过精馏提取高纯度精丙烯，产品为纯度≥99.65%(V)的聚合级丙烯，副产品为纯度≥92%(V)的丙烷、混合碳四、干气。

(3)配套甲基叔丁基醚(MTBE)装置，以气体分馏装置产出的混合碳四为原料，与甲醇进行醚化反应生产纯度在99%以上的MTBE。

(4)配套干气制氢装置，装置采用轻烃水蒸汽转化造气+CO中温变换+变压吸附(PSA)氢提纯工艺路线，生产纯度为99.9%(V)的氢气，为加氢装置提供氢气来源。

(5)配套轻柴油加氢精制装置，生产合格的柴油调和组分。

(6)配套汽油加氢精制装置，通过汽油选择性加氢脱硫技术，生产低硫低烯烃高辛烷值汽油，精制后的汽油产品质量达到国Ⅴ以上标准。

(7)配套酸水汽提和硫磺回收装置，对产生的酸性水及气体脱硫后的酸性气进行综合处理，并在满足环保要求的前提下，回收化工产品-硫磺。

通过双提升管催化裂化装置与配套装置结合，实现了炼油、化工结合的技术路线，同时采用硫磺回收和废渣处理系统，实现装置清洁环保、高效优质的生产运行及可持续性发展。该工艺技术在轻油收率、产品质量、经济效益、环境保护等方面具有明显的竞争优势，有良好的经济效益和市场竞争能力[5]。

3 优化SFCC装置运行，提高经济效益的措施

SFCC催化裂化技术的核心是双提升管反应器，催化剂选择及反应操作条件优化决定了产品结构和分布的优化，以及轻质油品及低碳烯烃收率。通过操作实践分析，要实现目的产品的高质量、高收率，降低装置能耗，提高装置运行的经济效益，主要从以下几方面采取优化运行措施。

3.1 原料油性质的优化

催化裂化的原料来源广泛、性质复杂，具备炼制劣质重油的特点。加强对装置原料的管理，作好原料的优化配置尤为重要；同时在装置生产中作好原料油的跟踪分析，寻求最佳的工艺生产方案。既要降低原料成本又要具有良好的产品收率，同时还要保证装置的长周期稳定运行。原料油的性质组成对产品分布及轻质油的收率影响最为直接：沥青质和焦质含量高的重质原料油不易转化为轻质油品，其焦炭和油浆的生成量大；而饱和烃高、沥青质和焦质含量低的轻质原料油，其产品分布好、轻质油收率高。通过对原料油加工生产的跟踪分析后可以得出，有着较高轻质油收率得原料性质具有以下特点：原料油中的残炭含量低；四组分中饱和烃含量在50%以上，而胶质及沥青质含量在18%以下；原料油中的氢含量一般在12.5%以上[6]。

3.2 催化剂的选择运用

近年来，催化裂化催化剂的开发研究发展迅速，有多产油品的、有多产烯烃的，还有种类繁多的各类催化助剂，不同的产品方案选择适合的催化剂尤为重要。配合SFCC催化裂化工艺技术选择不同的催化剂，更加能够实现该工艺技术的生产灵活性：可选择多产油品的催化剂或多产烯烃的催化剂；如多产丙烯，还可选择在催化剂中掺入一定比例的丙烯助剂[7]。

在装置运行操作中，确保反应系统内催化剂保持一定的高活性，才能保证装置有良好的轻质油品的收率。图1列出了催化剂活性和轻质油收率的关系图，从中可以看出，催化剂活性维持在60～70之间比较有利于提高装置的轻质油收率。在生产过程中，一般通过持续不断地向反应系统均匀补充新鲜催化剂，保持一定催化剂置换速率维持催化剂的高活性；控制反应系统蒸汽使用量，防止催化剂发热裂崩及水热失活，降低催化剂失活速度[8]。

图1 催化剂活性和轻质油品收率关系Fig.1 Relationship between cataly and light oilyield

3.3 工艺操作条件的优化

SFCC催化裂化装置的原料性质变化大，不确定因素多，通过优化装置的工艺操作来提高轻质油收率是一个不可或缺的手段。以下是在工艺操作上采取的一些行之有效的方法措施。

3.3.1 反应温度控制

一定的反应温度是保证原料油进行催化裂化反应进行的必备条件，具有较高稳定的反应起始温度，有利于提高催化反应深度；特别是有利于重质原料的反应裂化，提高装置的轻质油收率。通过操作实践证明，控制反应温度不低于510 ℃，有利于提高催化反应的深度，保证轻质油转化反应。同时将蒸汽预提升改为干气作为预提升气，稳定了提升管反应的起始温度，且温度从蒸汽预提升的平均625 ℃升高至平均635 ℃。具有较高稳定的反应起始温度，有利于提高催化反应深度。特别是有利于重质油的反应裂化，提高装置的轻质油品和烯烃收率[9]。

图1 使用干气预提升前后反应起始温度对比Fig.1 Comparison of initial reaction temperature before and after dry gas pre lifting

3.3.2 剂油比的控制

剂油比的高低说明了原料油的反应空间的多少，由于原料油分子要进入催化剂的微孔内表面进行催化裂化反应，因此，催化剂提供的越多，则原料油越容易裂化为小分子的轻质油品。催化剂提供的多则要求剂油比高，在操作上通过严格控制好烧焦温度、原料油预热温度和反应温度来控制调节剂油比。通过总结，炼制劣质重油的同时要保证轻质油品和烯烃产品的收率，剂油比要求控制在10以上[10]。

3.3.3 原料喷嘴的雾化效果

原料油在反应器内雾化效果的好坏，决定了原料油能不能同催化剂充分接触，原料油分子能否进入催化剂微孔内顺利进行催化裂化反应。如原料油雾化效果差，则导致催化裂化反应不能顺利进行，原料油的热裂化反应严重，产品中焦碳、气体的量大，轻质油收率低；同时造成反应器结焦加剧，给装置的稳定运行造成隐患。为了取得良好的雾化效果，作了以下优化调整：(1)提高原料油预热温度，使之控制在200 ℃左右，降低原料油的粘度以利于雾化。(2)全开喷嘴器壁阀，减少截流量。(3)保证喷嘴进料管压力不低于0.6 MPa，使进料保持雾化流速。(4)控制原料雾化蒸汽量与进料量的比值在4%左右。通过以上的优化调整，使原料油的雾化效果得到明显改善，减少了油品的二次反应，降低了焦碳、气体的产量，提高了轻质油品和烯烃产品的收率[11]。

3.4 节能降耗，降低生产成本

重油催化裂化装置的节能降耗，主要从两个方面着手进行：一是发挥装置能量回收系统的作用，充分利用装置的剩余能源，二是优化生产工艺，尽可能降低能源消耗。

3.4.1 烟气余热能源的充分利用

在催化裂化装置上，先通过烟机做功对烟气的压力能进行回收利用，再通过余热锅炉对烟气热能进行回收利用。要对烟气余热能源进行充分利用，一是要优化主风机组运行，提高烟机效率，改善主风机的操作条件,使主风机的操作工况尽量靠近设计点，降低主风机组电耗；二是要优化余热锅炉运行，改善炉管与烟气换热工况，进一步提高换热效率，多产蒸汽。通过对烟气余热能源的充分回收利用，可以进一步降低装置的能源消耗。

3.4.2 充分利用分馏系统低温位热能

重油催化裂化装置的分馏系统作用是对反应油气进行冷却精馏分离，在产品冷却分离过程中，分馏塔底油浆系统的低温位热能可以加以利用。由于油浆里含有催化剂颗粒，油浆蒸汽发生器运行中结垢严重，换热效率下降，造成分馏塔底热量不能充分回收利用。在生产过程中，可以在油浆系统增设阻垢剂注入系统，能有效降低油浆系统的结垢堵塞。实践表明，使用油浆阻垢剂后，油浆换热效果能保持稳定，蒸气发生量没有下降趋势，油浆换热器的良好换热效率可以保证充分利用油浆余热，降低了装置能耗，增加经济效益。

3.4.3 降低装置生焦量，降低加工损失率

催化装置的能耗中催化烧焦占了很大一部分，降低装置生焦量对能耗的降低可谓至关重要。为了进一步降低生焦量，采取了以下措施：进一步提高待生催化剂的汽提效果，减少待生催化剂携带油气量；减少油品的二次反应，降低生焦量和干气量；保持系统内催化剂的活性和抗金属污染性，提高重质油品转化率，减少生焦量。通过优化操作，使催化烧焦能耗得以进一步控制，减少了装置能耗，有效地控制了装置的加工损失率。

4 SFCC催化裂化工艺技术的运用优势

4.1 装置的原料适应性强

SFCC催化裂化的剂油比可以提高到10以上，有利于增加重油裂化深度，提高了装置轻质油收率和产品选择性，可以加工品质差的重质原料油。重质原料油市场供应充足且价格便宜，可有效降低生产成本，增加经济效益。

4.2 适应加工高含硫原料

常规催化裂化的原料硫含量需要控制在6000 mg/kg以下才能够保证汽油中硫含量低于500 mg/kg；采用SFCC技术后，改善了产品硫分布，有利于加工高含硫原料，在原料硫含量达到8000 mg/kg时仍能将汽油的硫含量控制在500 mg/kg以下(不经过汽油脱硫精制)。

4.3 增加高附加值产品产量

SFCC催化裂化采用双提升管技术，主提升管用于重油裂化，副提升管用于轻油裂化。轻油提升管可多产丙烯、液化气，减少了低价值副产品油浆、干气的收率。与常规催化装置相比较，其中丙烯收率由4.7%提高到10%左右，而干气收率由6%下降至4.5%，装置经济效益得以显著提升。

4.4 实现“宜油则油，宜化则化”的市场策略

SFCC催化裂化工艺技术具有良好的生产灵活性，化工产品市场好，可以采用多产烯烃的生产方案(如可以采取汽油、液化气回炼等)；油品市场好，则采取多产汽油的生产方案，增强了企业的抗风险能力。

4.5 生产高品质的清洁汽油

SFCC催化裂化通过轻油提升管对汽油产品进行优化改质，生产的汽油辛烷值RON在93以上，烯烃含量小于20(V%)，经加氢精制后硫含量可以控制在10 mg/kg以下，达到国Ⅳ、国Ⅴ标准；调和少量的MTBE后，可升级达到97#汽油标准。

5 结 论

双提升管催化裂化工艺采用了双提升管反应器技术，实现了重油和粗轻油分别进各自的提升管反应器进行反应，其优势在于原料适应性强，可加工高含硫、高杂质的劣质重油原料；满足生产劣质重油原料的同时，改善了油品质量，降低了汽油烯烃含量并提高了汽油辛烷值，并实现了多产低碳烯烃的产品方案。双提升管催化裂化工艺技术运用了油化结合的技术路线，在生产方案上可以实现油品和化工产品的兼顾，实现“宜油则油，宜化则化”的市场战略。该工艺技术在轻油收率、产品质量、经济效益、环境保护等方面具有明显的竞争优势，有良好的经济效益和市场竞争能力。