航煤冰点不合格原因分析与应对措施

慕星华

(中海油惠州石化有限公司,广东 惠州 516086)

某炼油企业的1.9 Mt/a航煤加氢装置采用FZC系列加氢保护剂和FH-40A轻质馏分油加氢精制催化剂,以1#、2#常减压蒸馏装置切割的直馏煤油馏分为原料,主要目的产品为加氢煤油。反应部分原料油和氢气的混合采用国内成熟的炉前混氢方案,分馏部分采用分馏塔再沸炉,还设置了硫化氢吸附罐脱除航煤产品中的微量硫化氢、金属离子,以确保产品银片腐蚀的稳定。在氢气和加氢催化剂存在的条件下进行加氢脱硫反应、加氢脱氮反应、加氢脱氧反应、加氢脱金属反应和芳烃的加氢饱和反应[1],除去原料油中的硫、氮、金属等杂质,生产的3#喷气燃料满足国家标准GB 6537—2018要求,供应附近机场。

冰点是表征喷气燃料低温性能的指标,属于航煤产品的重要质量控制指标。GB 6537—2018中规定航煤的冰点不高于-47 ℃,而航煤加氢装置对航煤冰点的内控指标为不高于-48 ℃。航煤冰点是指在降低燃料温度过程中,用肉眼观测到燃料开始产生结晶,再使燃料升温到所生成的结晶全部消失时的最低温度。航煤冰点的高低决定了航空燃料的使用温度,由于高空气温较低,冰点过高时会导致燃油在过滤器中产生凝结从而堵塞过滤器,造成燃油流动不畅,严重时将危及飞行安全,因此保持航煤产品的质量稳定具有重要意义。2023年3—4月,随着一期炼油系列装置进行停工检修,某炼厂的航煤产品出现了冰点不合格的现象,针对这一问题,对其影响因素进行分析并进行相应调整,总结了此次事件中航煤冰点不合格的原因和措施,使航煤产品冰点不合格的问题得以解决。

1 航煤冰点影响因素分析

通过对航煤加氢装置日常生产数据的回溯,发现航煤冰点与航煤密度、初馏点无明显关系;航煤冰点与烟点的波动趋势一致,主要受航煤终馏点的影响;在石蜡基原油比例、原油蜡质量分数波动较小时,石蜡基原油比例和原油蜡质量分数对航煤冰点无明显影响。分析文献[2]可知：影响航煤冰点不合格的因素主要包括原料油的组成、石蜡基原油掺炼比例、航煤终馏点以及航煤含水量。

1.1 原料油的影响

1.9 Mt/a航煤加氢装置的原料油来源于一期炼油的12 Mt/a常减压 Ⅰ 装置所产的766.8 kt/a直馏煤油和二期炼油的10 Mt/a常减压Ⅱ装置所产的1.06 Mt/a直馏煤油混合后的原料。通过对不同装置原料来源采样化验分析、数据对比,得出航煤加氢装置原料油主要影响因素(见表1)。

由表1可知：一期炼油常减压Ⅰ装置所产直馏煤油冰点为-67 ℃,二期炼油常减压Ⅱ装置所产的直馏煤油冰点为-57.4 ℃,二期炼油航煤冰点高于一期炼油约10 K;一、二期常减压蒸馏装置所产的直馏煤油混合后原料冰点在-61 ℃。但随着一期炼油常减压Ⅰ装置的停工检修,仅剩二期炼油常减压Ⅱ装置单独运行,其所生产的直馏煤油作为航煤加氢装置原料,由于原料冰点较高且无法利用一期炼油直馏煤油进行调和从而降低原料冰点,也是造成航煤产品冰点升高的因素。

1.2 石蜡基原油掺炼比例的影响

根据文献[3],3#喷气燃料的冰点与C12～C16正构烷烃的含量有关,也受环烷烃、芳烃以及更重的正构烷烃的影响。其中芳烃的饱和开环反应受热力学平衡的限制,导致单环芳烃与萘系烃集中于喷气燃料中,对冰点造成影响。

二期炼油常减压Ⅱ装置原设计国产原油与进口中东原油的加工比例为20∶80,规模为10 Mt/a。由于2023年3—4月采购的中东原油存在油轮到岸时间滞后、原油总体库存低等问题,为了保障高负荷生产,将国产原油掺炼比例由20%调整为40%。

目前在加工的国内原油主要以新文昌、涠洲、西江等原油为主,加工原油蜡质量分数的高低将直接影响二次加工装置的冰点。通过对加工原油进行采样分析,得出原油蜡质量分数的准确数据(见图1)。由图1原油蜡质量分数对比可知：西江、涠洲和新文昌原油均属于蜡质量分数较高的原油。由于石蜡基原油中烷烃质量分数高,掺炼较高比例石蜡基原油时,直馏煤油组分中烷烃质量分数相对增加,烯烃、环烷烃、芳香烃质量分数相对减少,从而使航煤冰点升高[4]。随着国内原油掺炼比例的提高,二期炼油常减压蒸馏装置原料油中的石蜡基质量分数也逐步提高,蜡质量分数高不利于油品的低温流动性,导致二期炼油常减压蒸馏装置产出的常一线油冰点逐步提高。

1.3 航煤含水量的影响

航煤中若含有微量的水分也会对航煤冰点产生影响。飞机在飞行过程中,由于受到飞行速度、高度以及飞行里程的影响,航煤的温度也会受到影响,飞机在高海拔飞行时,水在低温状态下会结冰,严重时容易造成燃料系统管道堵塞,致使飞机引擎失去动力,进而导致飞行事故。所以一般规定3#喷气燃料的冰点必须低于飞机油箱的最低操作温度,标准中规定冰点不高于-47 ℃[3]。

在3#喷气燃料的生产和输送过程中,有表面活性物质混入时,会使油水分离难度增加或难以分离,可能导致燃料过滤系统堵塞,影响飞机发动机的正常工作,严重时会造成较大故障。喷气燃料的水分离指数受抗静电剂加入影响,当抗静电剂与抗磨剂同时存在时,影响会加大。同时喷气燃料水分离指数也受加氢工艺的影响,如加氢裂化工艺生产的喷气燃料水分离指数几乎不受添加剂影响,加氢精制工艺生产的喷气燃料受抗静电剂影响较大。

一般通过加强过滤、提高装置反应温度、提高催化剂的脱氮能力等方式降低喷气燃料的含水量,提高喷气燃料的洁净度。

1.4 航煤终馏点的影响

航煤终馏点是影响航煤冰点的一个重要因素。在日常加工过程中,如果航煤终馏点指标较高,会导致分馏产品切割偏重;或是在常减压蒸馏装置出现异常状况时,常压塔降温、降低进料量过快,在同等切割温度下产品侧线馏分干点升高。主要是由于产品切割时,常一线油携带柴油组分等原因,导致航煤馏分终馏点升高,也必然导致冰点升高[2]。航煤终馏点与冰点对应变化趋势如图2所示。

图2 航煤终馏点与冰点变化趋势

从图2可以看出：航煤冰点与终馏点变化趋势基本一致,说明航煤冰点受航煤终馏点的影响较大。随着航煤馏程下调,航煤的冰点相应下降,但下降幅度相对较小。说明航煤终馏点不是导致航煤冰点连续出现不合格的根本原因。

2 生产调整措施

2.1 降低常一线的终馏点

常一线油的终馏点是主要质量控制指标,主要与油品的轻重、馏程的宽窄相关,反映了常一线油馏程的重组分分布情况。一般常一线油抽出温度高、抽出量大,易造成常一线干点高;反之常一线油抽出温度低、抽出量小,则常一线油干点低。通过增大返塔回流量、降低塔顶温度、提高塔顶压力、降低常一线抽出温度等措施,降低常一线油的干点,避免常一线油携带柴油组分。

高压加氢裂化航煤含有一定的C15以上组分,而常一线油一般不含C15以上组分。当常一线油航煤冰点不合格时,其主要原因之一是航煤产品切割较重,航煤携带部分柴油组分。生产上采取增加分馏塔内回流量的措施,降低航煤产品抽出量,从而达到降低航煤终馏点的目的。生产调整后,航煤终馏点与冰点变化如表2所示。

表2 航煤冰点与终馏点的对应关系 ℃

从表2可以看出航煤冰点与其终馏点的趋势,随着航煤馏程下调,航煤的冰点相应下降。

2.2 调整国内原油掺炼比例

根据前面分析可知,降低国产原油比例可以有效降低航煤冰点。因此,在实际生产中,将国产原油掺炼比例由40%逐步调整为30%,其变化如表3所示。

表3 航煤冰点趋势

由表3可知：随着石蜡基原油掺炼比例的降低,航煤冰点也随之降低,航煤冰点从3月21日的-47.5 ℃降至3月25日的-52.0 ℃,说明国内石蜡基原油掺炼比例是影响航煤冰点的主要因素。

2.3 航煤产品加强脱水

航煤进入产品调和罐前的管线设有过滤器和聚结器,进行罐前杂质过滤和脱水,且调和罐设有自动脱水器进行沉降脱水;航煤出厂管线也设有过滤器和聚结器,进行出厂前杂质过滤和脱水,经过层层严格控制,降低航煤含水量。

3 结语

航煤冰点是保证在低温环境下航煤燃料能够在飞机燃料系统中保持流动性、无烃类结晶析出的重要质量指标。随着航空工业技术的高速发展以及飞机发动机的更新迭代,设备精密程度越来越高,对航煤质量的要求也越来越苛刻。对航煤冰点的影响因素进行分析,得到航煤冰点不合格的主要原因：一是一期炼油装置检修后,二期炼油常减压蒸馏装置国内石蜡基原油掺炼比例偏高,造成航煤冰点升高;二是航煤干点较高,导致航煤馏分偏重,造成航煤冰点偏高。通过调整原料油中不同组分的掺炼比例,减少原油中的石蜡基质量分数;调整常压塔的操作参数,提高其中组分的分离效果;从航煤产品的收料到航煤产品的出厂,连续进行脱水工作,降低航煤含水量等措施,不仅保证了航煤产品质量稳定性,而且也能提高飞机飞行的安全性。