乙烯焦油加氢制芳烃技术开发及经济性分析

苏莹，贺来宾

乙烯焦油加氢制芳烃技术开发及经济性分析

苏莹，贺来宾

（中国石油化工股份有限公司化工事业部，北京 100728）

乙烯焦油作为乙烯生产过程中的一种主要副产品，其深加工利用研究得到越来越多的重视。通过对乙烯焦油多段加氢处理增产轻质芳烃技术进行研究与分析，从工艺流程优化、节能降耗等角度提出了优化方案，并对该技术的经济性指标进行了初步分析。结果显示：乙烯焦油加氢技术作为副产深加工和芳烃原料多样化的一项技术具有较好的经济性，具备良好的工业应用前景。

乙烯焦油；加氢；芳烃；经济性

乙烯焦油是乙烯裂解原料在蒸汽裂解过程中原料及产品的高温缩合产物，是乙烯生产过程中的一种副产品。裂解原料不同，乙烯焦油的产率也不同，一般约占乙烯产量的五分之一。乙烯焦油由于其高聚合性，无法直接进行化工利用。目前，国内的乙烯焦油主要用作燃料油、生产炭黑等初级利用，未充分体现资源的价值。乙烯焦油在205～300 ℃之间的裂解柴油馏段收率较高，将近60%，其中大部分是稠环芳烃，是增产BTX的优质原料。而同期国内芳烃市场行情较好，若能将乙烯焦油经过加氢处理，生产轻质芳烃原料，则能在提高乙烯焦油附加值的同时，为芳烃装置提供低成本的原料。

基于加氢处理增产芳烃原料的技术思路，在C9+等重质裂解汽油加氢处理及加氢裂解增产芳烃等技术基础上，上海院开发了乙烯焦油加氢处理增产芳烃技术。采用低温选择性加氢脱除乙烯焦油中聚合性组分，同时降低胶质，重点突破了高胶质、高含氮重质馏分油选择加氢技术；再经高温加氢脱 硫/脱氮、稠环选择性饱和等精制处理，重点突破了催化剂耐高胶质及稠环选择性饱和等关键性能，实现乙烯焦油升值，可用于切割汽油/柴油调和组分、分离高沸芳烃溶剂油或者增产BTX芳烃。本文以某公司实际的乙烯焦油为原料，研究了三段加氢增产BTX轻质芳烃技术的工艺过程和经济性。

1 工艺技术研究进展

1.1 反应原理

原料乙烯焦油含有大量易聚合组分，全组分完全定性分析存在较大困难，其中230 ℃下主要组分分布如表1所示，约占总原料量的67%。

表1 乙烯焦油230 ℃以下典型组成

加氢过程中发生的主要反应有：双烯烃加氢反应生成单烯烃；链烯基芳烃加氢为烷基芳烃；茚加氢生成茚满；单烯烃加氢反应为饱和烃；脱硫化物反应；脱氮化物反应；稠环芳烃选择性加氢饱和反应。

I段加氢作用为脱除聚合部分：

II段加氢作用为深度加氢，脱硫化物、氮化物，以及稠环芳烃选择性加氢饱和反应：

III段加氢作用为加氢裂解增产BTX芳烃：

1.2 工艺流程

乙烯焦油三段加氢的主要工艺流程如图1。

原料由一段反应进料泵与反应器循环物料混合后进入一段反应器顶部。反应器入口温度由循环冷却器调节控制，用循环量控制反应器的入口温度。来自界区外的新鲜氢气进入一段反应器顶部，自上而下通过催化剂床层，与液相充分接触。一段液相产物经二段进料增压泵升压，与氢气一起进入二段反应进出料换热器与二段反应产物进行换热，随后进入二段加热炉加热后进入二段反应器深度加氢。二段反应产物先用来预热进料后进入产物冷却器，冷凝冷却后进入产物分离罐进行分离，气相一小部分作为富氢尾气外排，大部分气相进入二段循环氢压缩机增压后循环使用。二段反应产物液相自压进入三段进出料换热器，经加热炉加热后进入三段加氢反应器。三段反应产物依次经过反应进出料换热器、产物空冷器、产物水冷器，之后进入产物分离罐。分离出的气相大部分作为循环氢气经压缩机增压后循环使用，少部分直接排放去燃料气管网或氢回收系统。三段产物分离罐液相出料进入汽提塔，分离其携带的轻质烷烃组分。汽提塔釜出料进入芳烃分馏部分，经分离可分别得到苯、甲苯、二甲苯等产物。

1-一段进料泵；2-进料加热器；3-一段反应器；4-一段循环泵；5-二段进料增压泵；6-二段进出料换热器；7-二段进料加热炉；8-二段反应器；9-二段产物冷却器；10-产物分离罐；11-二段循环氢压缩机；12-三段反应进出料换热器；13-三段进料加热炉；14-三段反应器；15-三段产物空冷器；16-三段产物水冷器；17-三段产物分离器；18-三段循环氢压缩机；19-汽提塔；20-塔顶冷却器；21-汽提塔回流罐。

三段加氢反应的主要工艺条件见表2。

表2 乙烯焦油加氢的工艺参数

以原料流量12 500 kg·h-1（原料组成见表1）、年操作时间8 000 h的10万t·a-1乙烯焦油加氢制BTX装置为计算依据，原料消耗量及各产物的产量如表3所示。

表3 界区进/出工艺物料总平衡表

注1：BTX芳烃产品中含苯1.471万t·a-1，甲苯2.422万t·a-1，二甲苯1.269万t·a-1。

1.3 工艺技术分析

由上文描述可知，乙烯焦油加氢制芳烃的流程略长，需要经过3步加氢反应，所需设备数量偏多，需从流程优化和设备优化角度入手，降低装置总体投资。

从物料投入产出角度考虑，影响该技术经济性的主要是氢气的消耗与芳烃收率。而氢气消耗是重质芳烃或多环芳烃转化为单环芳烃必需的过程。芳烃收率是表征催化剂性能的主要指标，同时也影响氢气消耗量。

从装置运行成本角度考虑，影响该技术经济性的主要因素是反应热的回收和氢烃比的优化。

1）由于乙烯焦油的三段加氢反应均为放热反应，在设置了反应进出料换热器等热联合流程后，该技术基本无需外部供热，但是反应热仍有大量低温余热未能回收，若能充分利用发生蒸汽或与后续产物分馏系统热联合，则可降低操作成本。

2）氢烃比主要表征的是反应系统的氢气分压，当氢烃比增大，氢气的分压升高。提高氢烃比有利于重芳烃和非芳烃的转化，因为氢气分压增高有利于烯烃的加氢并消耗脱烷基和非芳烃裂解生成的烯烃，促进重芳烃脱烷基和非芳烃裂解反应的进行。轻烃比影响循环氢压缩机的功率，降低氢烃比可以降低压缩机功率，但是较低的氢油体积比会影响催化剂的稳定性，加速催化剂结焦失活。轻烃比的优化受催化剂性能及芳烃进料组成限制，特别是受原料中的非芳烃含量限制，较高的非芳烃加氢裂解会消耗更多的氢气，需要较高的氢烃比。参考柴油加氢工艺技术，可以考虑提高反应压力，降低氢油比，维持氢分压要求；同时也可以考虑高效的混合设备，将氢气以小分子形式尽量均匀地分散在油相中，增大反应的利用率，以此达到降低氢油比的目的。当然，上述两种方法均需要提高一定的设备投资，在综合经济评估下获取最优化。

2 经济性分析

2.1 装置投资分析

同样以10万t·a-1乙烯焦油加氢制芳烃装置为例，设备投资主要包括2～3台压缩机、2台加热炉、3台加氢反应器、3台空冷器以及容器、换热器、泵等设备。其中压缩机投资约占比设备投资的43%～46%，加热炉约占比25%，反应器约占比8%～10%，空冷器约占比15%，其余设备约占比4%～9%。装置投资还包括仪表、阀件等配件的采购和装置安装费用。粗估10 万t装置的总体投资约为1.2亿元。降低装置投资，可以从以下几个方面考虑：

1）缩减压缩机数量，例如二段或三段反应器可以共用一台压缩机，采用反应系统并联或者串联的方式。考虑二段和三段而非一段二段共用压缩机的理由为，一段加氢反应主要是脱除易聚合部分，压缩机进料为氢气，二段加氢反应深度脱硫脱氮，循环氢中S、N浓度高，一段催化剂无法耐受，所以一段压缩机与二段三段压缩机不能共用。

2）减少加热炉数量，上文提及乙烯焦油3步加氢反应均为放热反应，如能采用高效的反应进出料换热器，则完全可以取消加热炉，仅设置一台开工加热炉，供二段或三段加氢共用。

2.2 能耗及操作费用分析

本工艺中主要消耗的公用工程为循环水、电、蒸汽和燃料气4种。

4种公用工程消耗见表4。由表4可以看出，电单位耗量最高，占72.06%，燃料气和循环冷却水单位耗量占比分别为22.37%和5.57%。

表4 公用工程消耗一览表

2.3 生产成本估算

计算10万t规模乙烯焦油加氢制BTX装置的操作费用、原料、产品的市场价格和费用见表5，公用工程费用见表6。

表5 原料及产品市场价格和费用

从表6可以看出，费用成本除原料外，公用工程消耗里电的费用最高，约占公用工程消耗费用的60%。消耗电的设备主要是两台压缩机，其次是泵和空冷器。蒸汽由于仅在开工工况使用，操作费用忽略不计。补充氢消耗量每年接近0.48万t，操作费用每年达6 674万，主要是重质芳烃加氢所需氢气消耗量很高，其次是需要适量的排放烃来控制循环氢的浓度。按照10年折旧期计算，装置每年折旧费用1 200万元，每年从操作费用角度盈余将近8 239万。

表6 公用工程消耗费用

对于有氢气回收系统的装置，排放烃中的富氢尾气可以进行经济有效的回收，可降低整体装置的运行成本。

如果将二段和三段反应产物空冷器和水冷器的余热进行回收或用于发生低压蒸汽，则能获得更大的经济效益。低压蒸汽通常作为热源，用于保温伴热，也可通过螺杆膨胀机用来发电，是节能降耗的优选途径。

3 结 论

随着国内石油化工行业的迅猛发展，乙烯装置副产乙烯焦油的产量不断增加，原料资源充足，利用空间巨大。乙烯焦油加氢增产芳烃工艺可在提升现有乙烯装置副产利用率的同时，为芳烃装置提供廉价的芳烃原料资源。经过初步分析，乙烯焦油加氢增产芳烃技术具有良好的经济效益，开展乙烯焦油加氢利用对于乙烯行业进一步增强综合竞争力、实现升级转型和提质增效，并同时解决未来裂解焦油的出路和环保问题具有重大意义。

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［2］刘志刚，曹志涛，李学，等. 乙烯焦油的综合利用技术进展[J]. 炼油与化工，2012，23（5）：4-5.

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Technology Progress and Economy Analysis on Hydrogenation of Ethylene Tar to Aromatic

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（Sinopec Chemical Department, Beijing 100728, China）

As a major by-product of ethylene production, ethylene tar has been paid more and more attention to the research of its deep processing and utilization. The production technology of light aromatics by ethylene tar multi-stage processing was studied and analyzed, the optimization scheme was proposed from the perspective of process optimization and energy saving, and the economic indexes of the technology were analyzed. The results showed that ethylene tar hydrogenation technology as a by-product deep processing and aromatic feedstock diversification technology had good economic performance and industrial application prospects.

Ethylene Tar; Hydrogenation; Aromatic; Economy analysis

2021-05-17

苏莹（1975-），男，北京市人，高级工程师，1997年毕业于天津大学有机化工专业，研究方向：石油化工生产技术的管理和开发。

TQ014

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1004-0935（2021）12-1904-04