炼油厂低硫重质船用燃料油典型生产方案研究

史晓迪，于 博，李 妍

(中石化石油化工科学研究院有限公司，北京 100083)

随着航运业的快速发展,船舶排放的硫氧化物已成为大气污染的重要来源之一。为控制船舶排放污染,根据国际海事组织(IMO)制定的《国际防止船舶造成污染公约》规定,2020年1月1日起,全球低硫重质船用燃料油(简称低硫船用燃料油)的硫质量分数不得高于0.5%[1-3],与原标准规定的船用燃料油硫质量分数不高于3.5%相比下降86%,将给全球船用燃料油市场带来巨大变革[4]。为满足船用燃料油的最新限硫标准,目前共有3种主流的应对措施[5],包括升级使用低硫船用燃料油、安装脱硫洗涤装置及加装液化天然气驱动系统,其中使用低硫船用燃料油相比于其他解决方案更具经济性和可实施性。对船东来说,加注低硫船用燃料油必然造成运输成本的上涨,除此之外,燃油品质的稳定性及其供应稳定等问题,也是在低硫船用燃料油新政下不可忽视的问题。因此,有针对性地结合炼油企业的实际情况,开展生产低硫船用燃料油总流程方案研究,探索低硫船用燃料油的低成本生产路线是非常有必要的。

国内炼油能力5.0 Mt/a以下的小型炼油厂通常加工流程较短、路线单一、总流程可调节空间较小、产品竞争力较差,有转型发展的需求,但短流程路线对于低硫船用燃料油的生产具有先天优势,所以小型炼油厂可以将低硫船用燃料油生产作为炼油产品结构调整的重要方向。我国炼油产能已结构性过剩,具备实现低硫船用燃料油规模化生产的基础。但在当前国内成品油定价机制和税收政策下,国内主营炼油厂及地方炼油厂在生产中普遍存在“吃干榨净”的现象,研究具有竞争力的低硫船用燃料油生产方案并在实际生产中落地实施,能够有效地帮助企业释放船用燃料油产能。以下针对小型炼油厂,从总流程、调合组分优化等方面进行生产方案研究,并进行生产成本和经济效益的测算,以期为企业低硫船用燃料油的生产提供指导。

1 炼油厂流程分析

国内典型的小型炼油厂重油加工路线通常采用焦化脱碳路线,减压渣油进延迟焦化装置(简称焦化装置)加工,焦化蜡油及减压蜡油进催化裂化装置加工。在目前主要生产国Ⅵ汽油和国Ⅵ柴油的工况下,通常存在汽油、柴油调合困难的问题,尤其是催化裂化柴油(催化柴油),由于十六烷值较低,已成为企业难以处理的中间物料,不利于炼油厂柴油池产品调合。而考虑将催化柴油作为低硫船用燃料油原料调合出厂,则属于经济性较好的措施。催化柴油硫含量较低且在50 ℃下黏度很低,因此可以灵活调变其加氢深度和调合比例以达到降低低硫船用燃料油产品硫含量和黏度的目的[6]。

目前主流的船用燃料油调合方式包括:①以渣油加氢尾油为主要调合组分;②以常压渣油为主要调合组分;③以减压渣油+催化柴油为主要调合组分;④以减压渣油+催化柴油+脱固油浆为主要调合组分。针对重油加工路线采用焦化脱碳路线的小型炼油厂,考虑对炼油厂催化柴油的综合利用,在生产低硫船用燃料油时,计划停运焦化装置,并选用硫含量较低的原油,利用减压渣油与催化柴油加氢产物(简称加氢催化柴油)调合生产低硫船用燃料油。与采用渣油加氢尾油为主要调合组分的方式相比[7],以减压渣油生产低硫船用燃料油的方案具有流程更短、成本更低的优势。炼油厂停开焦化装置后,催化裂化油浆(简称催化油浆)作为炼油厂的低附加值产品,由于其中催化裂化催化剂的量较高,需要通过油浆脱固装置,先过滤脱除其中的催化剂颗粒物,使(硅+铝)质量分数控制在100 μg/g 以下,才可作为船用燃料油调合组分,以降低低硫船用燃料油生产成本[8-12]。

2 调合配方研究

根据总流程优化思路,考虑采用低硫减压渣油与低硫柴油或其他低成本组分调合的方案生产低硫船用燃料油RMG380或RMG180。由低硫船用燃料油产品的硫含量等关键质量指标反推,从国内炼油厂普遍加工的原油中,初选出3种硫含量较低的原油(分别为帕兹夫罗、卢拉与朱比利原油)进行减压渣油调合生产船用燃料油试验研究。3种低硫原油的主要性质见表1。将帕兹弗洛原油的减压渣油命名为1号减压渣油,卢拉原油的减压渣油命名为2号减压渣油,朱比利原油的减压渣油命名为3号减压渣油,测试此3种低硫减压渣油的主要性质,并与RMG180和RMG380船用燃料油指标进行比较,结果见表2。

表1 3种低硫原油的主要性质

表2 3种低硫减压渣油的主要性质及与RMG180和RMG380船用燃料油指标的比较

1)样品流动性太差,无法在该测试温度下测得黏度。

2)燃料油应不含ULO。符合下列条件之一,认为燃料油含有ULO:w(钙)>30 μg/g且w(锌)>15 μg/g;w(钙)>30 μg/g且w(磷)>15 μg/g。以下同。

由表2可知,3种减压渣油的硫含量均超出了船用燃料油产品标准中硫质量分数不大于0.5%的指标限制,且存在倾点、残炭超标的问题,需要将硫质量分数明显低于0.5%的柴油组分或其他低硫组分与之调合,方可得到满足RMG180或RMG380指标要求的船用燃料油。从表1和表2还可以看出,虽然朱比利原油的硫含量在3种原油中最低,但其减压渣油馏分的硫含量不是最低,因为该原油的减压渣油与原油之间的硫传递系数较高。所以在炼油厂进行船用燃料油生产过程中,并不能一味地选择硫含量低的原油,还需考虑原油与减压渣油之间的硫传递系数。

为考察低硫减压渣油与低硫柴油的调合规律,选择炼油厂的低硫柴油与3种低硫减压渣油进行调合试验,并对该炼油厂低硫船用燃料油的可行配方进行设计和筛选。低硫柴油的主要性质见表3。

表3 低硫柴油的主要性质

2.1 减压渣油与低硫柴油调合

首先考察了初选的3种低硫减压渣油与质量比例为25%～50%的低硫柴油调合所得混合馏分的主要性质,结果分别见表4～表6。

表4 1号减压渣油与低硫柴油调合所得混合馏分的主要性质

由表4～表6可知,低硫减压渣油与低硫柴油调合时,随着低硫柴油调合比例增加,混合馏分的密度、黏度、硫含量及残炭等指标逐渐下降,其中,混合馏分黏度随着低硫柴油比例的增加而变化得最为显著,是调合过程中需要重点关注的指标。

对于1号减压渣油,由于其黏度和硫含量均较高,调合过程中需要同时关注黏度和硫含量两项质量指标。由表4可知:当低硫柴油加入比例(w)为40%时,调合出的黏度指标满足RMG180船用燃料油要求,但硫含量超标;当低硫柴油加入比例(w)为45%时,调合出的硫含量指标满足RMG180船用燃料油要求,但黏度又偏低。因此,1号减压渣油不能直接与柴油调合出各项指标均达标的低硫船用燃料油产品。

由表5可知,与1号减压渣油相比,2号减压渣油与低硫柴油调合过程中,随着低硫柴油比例的增加,混合馏分的黏度和倾点降幅较小,需要调入较多的低硫柴油才能获得各项质量指标均达标的低硫船用燃料油产品。当低硫柴油加入比例(w)为45%时,调合出的黏度指标满足RMG380船用燃料油要求,但钙含量超标;当低硫柴油加入比例(w)为50%时,调合出的黏度指标满足RMG180船用燃料油要求,但钙含量仍然超标。因此,若对生产该减压渣油的原油进行脱盐脱水处理,解决2号减压渣油钙含量较高的问题,则可利用2号减压渣油与低硫柴油按照上述比例进行调合生产合格的RMG380或RMG180船用燃料油。

表5 2号减压渣油与低硫柴油调合所得混合馏分的主要性质

对于3号减压渣油,因其黏度和倾点均较低,适合与较少的低硫柴油调合。从表6可以看出,当低硫柴油加入比例(w)为25%～35%时,可以调合出除硫含量以外其他质量指标均达标的混合馏分。考虑到硫含量超标问题,3号减压渣油不能直接与低硫柴油调合出各项指标均达标的低硫船用燃料油产品。

表6 3号减压渣油与低硫柴油调合所得混合馏分的主要性质

与1号减压渣油和2号减压渣油相比,3号减压渣油与原油之间具有更高的硫传递系数,但其黏度较低,在3种减压渣油硫含量相近的情况下,3号减压渣油与低硫柴油调合过程中,随着低硫柴油调合比例增加,黏度(50 ℃)迅速降低至100 mm2/s以下但硫含量依然超标,所以黏度较低的3号减压渣油不适宜与低硫柴油调合生产低硫船用燃料油。

综上所述,船用燃料油调合过程中重点需要考虑的性质指标是硫含量和黏度,低硫柴油的调入一方面降低硫含量,一方面降低黏度,若以单一减压渣油与低硫柴油调合,选择2号减压渣油作为主要调合组分更有望获得合格的低硫船用燃料油。同时,因3种减压渣油的硫含量和黏度调合规律不同,还可以考虑利用混合减压渣油调合低硫船用燃料油以进一步提高产品质量并降低成本。

2.2 混合减压渣油与低硫柴油调合

综合减压渣油性质、关键质量指标的调合规律以及减压渣油收率等因素,以1号减压渣油和2号减压渣油按不同比例调合获得了3种混合减压渣油(MVR),进一步考察混合减压渣油与低硫柴油的调合规律,并设计和筛选合格的低硫船用燃料油配方。将1号减压渣油与2号减压渣油按照质量比1.9∶1混合得到的混合减压渣油命名为MVR1;将1号减压渣油与2号减压渣油按照质量比1.4∶1混合得到的混合减压渣油命名为MVR2;将1号减压渣油与2号减压渣油按照质量比2.4∶1混合得到的混合减压渣油命名为MVR3。考察了3种混合减压渣油与质量比例为38%～45%的低硫柴油调合所得混合馏分的主要性质,结果分别见表7～表9。

表7 MVR1与低硫柴油调合所得混合馏分的主要性质

表8 MVR2与低硫柴油调合所得混合馏分的主要性质

表9 MVR3与低硫柴油调合所得混合馏分的主要性质

由表7～表9可知,1号减压渣油与2号减压渣油按照质量比(1.4∶1)～(2.4∶1)混合后再与质量比例38%～45%的低硫柴油调合,可获得主要质量指标均达标的RMG380或RMG180船用燃料油。在实际生产中,可以根据原油价格、卢拉原油的脱盐效果以及不同牌号船用燃料油产品的生产计划量等因素选择调合方案。与单一减压渣油的调合方案相比,混合减压渣油方案更灵活、可操作性更强。

2.3 脱固油浆作为调合组分

为了进一步降低低硫船用燃料油生产成本,且对炼油厂副产的催化裂化油浆(简称油浆)进行高价值利用,选择混合减压渣油MVR1,MVR2,MVR3,分别调入质量比例为45%的低硫柴油得到混合馏分(分别命名为PL1,PL2,PL3),再分别调入质量比例为15%～25%的脱固油浆,考察混合减压渣油、低硫柴油与脱固油浆的调合规律,并设计和筛选合格的低硫船用燃料油配方。调入脱固油浆后所得混合馏分的主要性质见表10～表12。

表10 以PL1调入脱固油浆所得混合馏分的主要性质

表11 以PL2调入脱固油浆所得混合馏分的主要性质

表12 以PL3调入脱固油浆所得混合馏分的主要性质

由表10～表12可知:调入脱固油浆能够增加样品的黏度;当调入油浆质量比例低于23%时,调合出的混合馏分主要质量指标均满足RMG380或RMG180船用燃料油的要求;当调入油浆质量比例为25%时,调合出的混合馏分主要质量指标基本满足RMG380船用燃料油的要求,但密度超标。在实际生产中,适当调入一定比例的脱固油浆,能够缓解柴油调入后产品黏度与硫含量的矛盾,进一步降低船用燃料油生产成本,实际生产过程中,可以根据油浆产量适当调整调入量。

综上所述,基于国内可采购的原油资源,选择帕兹夫罗原油及卢拉原油作为船用燃料油生产的主力油种,调合方案考虑采用“混合减压渣油+低硫柴油”以及“混合减压渣油+低硫柴油+脱固油浆”。

3 总流程方案研究

设计一个原油加工能力为5.0 Mt/a的炼油厂,进行总流程方案研究,考察低硫船用燃料油生产方案的经济性[13-16]。

3.1 方案设计

方案1为基础方案:常减压蒸馏装置加工量为5.0 Mt/a,减压渣油进延迟焦化装置加工,焦化蜡油及减压蜡油进催化裂化装置加工。混合原油硫质量分数为0.48%,API重度为27.27,酸值为0.83 mgKOH/g。

方案2为:5.0 Mt/a常减压蒸馏装置减压渣油+加氢柴油,生产RMG180船用燃料油。方案2在方案1的基础上,焦化装置停运,减压渣油与加氢柴油调合生产RMG180。由于方案1的混合原油硫质量分数为0.48%,减压渣油的硫质量分数为0.88%,无法与加氢柴油调合生产低硫船用燃料油,因此需要在考察可获得的原油资源总量情况下,对生产低硫船用燃料油的原油结构进行优化。根据第2节试验研究结果,选择帕兹夫罗原油及卢拉原油作为主力油种生产低硫船用燃料油产品。混合原油硫质量分数为0.36%,API重度为27.25,酸值为1.09 mgKOH/g。利用加氢柴油与直馏减压渣油调合生产RMG180船用燃料油。

方案3为:5.0 Mt/a常减压蒸馏装置减压渣油+加氢柴油+脱固油浆,生产RMG380船用燃料油。方案3与方案2采用相同原油结构。考虑将低附加值油浆作为船用燃料油调合组分,需对油浆进行脱固处理,故在方案2的基础上,新建0.1 Mt/a油浆脱固装置,油浆经脱固处理后与减压渣油、加氢柴油一起调合生产RMG380,考察脱固油浆加入对船用燃料油生产成本的影响。

3.2 方案测算结果

3种方案下全厂物料平衡数据如表13所示,其中方案2和方案3为生产船用燃料油工况,为保证对比基准一致,采用相同的原油结构,总加工量均为5.0 Mt/a。方案2生产RMG180低硫船用燃料油,方案3生产RMG380低硫船用燃料油,生产船用燃料油工况下均不再生产石油焦,由于牌号和配方的差别,各方案的柴油产量有所区别。

表13 全厂物料平衡数据

方案2和方案3的船用燃料油调合结果见表14～表15。根据前期的配方研究,重点需要考虑的性质指标是硫含量和黏度,RMG180的黏度指标上限为180 mm2/s,同时以100 mm2/s作为指标内控下限,而这两个指标随着加氢柴油作为稀释油的加入互相制约,即加氢柴油一方面降低硫含量,一方面降低黏度,因此对原油硫含量和原油的减压渣油黏度都有一定的要求,而适当调入一定比例的脱固油浆,能够缓解柴油调入后产品黏度与硫含量的矛盾,从本次测算中选择的原油和配方调合结果来看,调合配方存在适度的灵活性。

表14 方案2船用燃料油调合结果

表15 方案3船用燃料油调合结果

3.3 效益测算

方案测算采用价格体系为国内过去3年(2020—2022年)的原油平均价格,RMG180/RMG380船用燃料油价格均按出口柴油价格减去50美元/t计算,测算结果如表16所示。

表16 调合方案的利润对比 元/t

1)以方案1的利润为基准计算。

从表16可以看出,低硫船用燃料油在免除消费税和增值税的前提下,价格具有一定的竞争力,且随着配方的调整有所不同。由于低硫船用燃料油是方案2和方案3的主要产品,总体来说,船用燃料油调合组分中馏分油掺入越少、油浆掺入越多,成本越低,效益越好。

4 结 论

与不生产低硫船用燃料油工况的方案1相比,生产低硫船用燃料油方案在产品结构调整上均有明显改善。低硫船用燃料油生产方案中以帕兹夫罗、卢拉原油作为主力油种,兼顾了原油资源量和原油性质,调合配方已通过试验验证,可生产合格的低硫船用燃料油产品。同时,在方案3中需要新建油浆脱固装置,可以进一步降低生产成本,对全厂产品结构调整效果最为明显,在多重作用下,企业生产燃料油的总效益和吨油效益均得到明显提升。

针对国内典型小型炼油厂的流程特点,通过合理的原料结构配置和调合配方优化,通过技术经济性评价,比选出低成本生产低硫船用燃料油的技术路线。该研究不仅能够帮助小型炼油厂优化低硫船用燃料油生产方案,在区域竞争中掌握先机,同时为生产低硫船用燃料油的炼油厂设计具有经济竞争力的加工方案提供参考依据。