延迟焦化中段油回炼技术开发与工业应用

王志伟

中国石化股份有限公司北京燕山分公司 北京 102500

1 前言

延迟焦化是炼油厂加工渣油提高轻油收率的主要手段。据2018年统计，位居世界首位的美国焦化加工能力为155.84Mt/a，国内延迟焦化产能为137.9Mt/a，位居全球第二位。其中，延迟焦化技术主要以美国为代表，Conoco-Phillips、Conoco-Bechtel、ABB-Lummus和Foster Wheeler等公司都有自身的延迟焦化技术，Conoco-Phillips公司的“馏分油循环”技术、Foster Wheeler公司的“可选择收率”技术等都具有各自的特色[1]。目前中石化有36套焦化装置，焦化设计加工能力46.3 Mt/a，实际加工能力43.09 Mt/a。

目前延迟焦化技术的发展方向主要是：加工更劣质原料，通过优化工艺操作参数和采用先进控制来提高高附加值的液体收率和降低低附加值的焦炭产率、缩短生焦周期提高处理量、馏分油循环改善产品分布、升级设备材质及完善顺控和工艺联锁等措施，以保证装置“安、稳、长、满、优”的运行[2]。

国内某特大型炼化企业（以下简称YS公司）炼油加工能力10Mt/a，有一套1.4Mt/a延迟焦化装置，采用“一炉两塔”设置，主要原料为蒸馏减压渣油、催化装置油浆和丙烷脱沥青装置沥青（于2020年3月停产）。

2 理论研究

2.1 炉管结焦机理

因焦化装置加工原料性质偏重，在加热炉反应温度约495℃环境下，长期运行不可避免地会导致炉管结焦现象，这也是限制装置长周期运行的关键因素。

炉管结焦主要是重油缩合反应所致，生焦过程如图1所示。其结焦速率为炉管焦炭生成速率与脱落速率之差[3]，其中炉管焦炭生成速率与管内壁温度及重油物性有关，管内壁温度与最高油膜温度及管内介质两相流流型密切相关，而重油物性中胶质及沥青质含量是评价原料结焦倾向的关键指标。焦炭脱落速率则受边界层厚度及边界层两边结焦前体物的浓度差有关[4]。因此，通过改善原料适度轻质化，增加介质汽化速度，以降低重油在管内的停留时间及热转化率，限制流动主体内结焦前体物的浓度，进而降低结焦因子，是限制炉管结焦速率的关键。

图1 重油生焦的反应过程

2.2 中段油回炼研究

传统的延迟焦化是新鲜原料和循环油（重蜡油）混合后作为加热炉进料，循环油（重蜡油）掺炼量和新鲜原料的比例为循环比，循环比的不同直接改变了加热炉进料的性质，加热炉进料的性质的不同又影响着热裂化反应的转化率、产品性质和加热炉炉管的结焦程度。

目前YS公司延迟焦化采用重蜡油作为循环油，其性质偏重，胶质沥青质含量高，且与焦炭塔高温油气洗涤换热后易携带焦粉经辐射泵进入加热炉，焦粉颗粒在炉管内易形成结焦母体，在一定程度上加剧炉管结焦速率。

馏分油循环已经被证实是可以有效减缓焦化炉管结焦的手段。它的理论基础是在加热炉管内全部温度梯度和压力梯度范围内，沿整个管长都有介质汽化，从而有效破坏油膜层，防止局部过热和炉管结焦[5]。

分馏塔中段油组分介于柴油和蜡油之间，比循环油（重蜡油）的比重小、残炭低，结焦因子较小，更不容易发生结焦反应，用中段油部分或全部代替循环油（重蜡油）掺炼到新鲜原料中作为加热炉进料，对加工更劣质原料、减少炉管结焦和提高装置液体收率、降低生焦率更为有利，将大大提高现有和新建装置的经济效益，这对提升国内延迟焦化技术经济水平及装置长周期运行有积极意义，该技术的成功将推动延迟焦化整体技术的发展。

3 中段油回炼工艺流程

为了实现中段油回炼工艺，YS公司延迟焦化装置对中段油流程进行了改造，增加两台分馏塔中段回炼泵，位号P-2106/3、4，将中段油按不同的比例分一路或多路随辐射泵出口原料充分混合送至加热炉四路进料，以详细考察主要工艺操作条件和物料平衡以及炉管结焦状况的变化。并根据不同比例的回炼量对液体收

率进行衡算，找出最优回炼比，最大程度的增加装置经济效益。

4 运行效果

2018年1月19日，焦化装置对中段油回炼流程进行投用。通过前后数据对比，判断中段油回炼对各产品收率的具体影响，便于为后续生产提供方向，提高装置总液体收率，更好的提升技经指标，增加经济效益。

4.1 原料性质

为了让数据更具有可比性，此次中段油回炼前后，未进行污油回炼，保持原料组分相对稳定，并调取了近几周的数据：回炼前一周1月12日至1月19日；回炼第一阶段1月26日至2月2日，回炼量按15t/h控制（回炼比8.85%）；回炼第二阶段2月16日至3月2日期间，原料平均残炭值较回炼前近似，回炼量按10t/h控制（回炼比5.75%）；回炼第三阶段4月3日至4月10日，回炼量按13t/h（回炼比按7.29%）。其中计算收率时，原料加工总量包括热渣、油浆和沥青，原料组成及残炭平均值见下表：

表1 原料数据

4.2 工艺参数

工业试验期间，涉及延迟焦化装置分馏塔、加热炉及焦炭塔相关工艺参数保持稳定控制，表2列出了该装置相关工艺操作参数。

表2 延迟焦化装置主要工艺操作参数

4.3 产品收率

气体收率为焦化干气，液体收率包含焦化液化气、汽油、柴油、蜡油及重蜡，固体收率即焦炭。各产品收率如表3所示。

表3 不同阶段各产品收率变化

对比表3数据，可以得出以下结论：

（1）中段油回炼对提高汽油产率效果明显。中段回炼比8.85%时，汽油收率增加0.85%。中段回炼比5.75%时，汽油收率增加1.18%。中段回炼比7.29%时，汽油收率增加0.67%。说明中段油回炼有利于发生裂化反应，增加轻质汽油收率。

（2）中段油回炼对降低焦炭收率效果明显。中段回炼比8.85%时，焦炭收率较回炼前降低0.41%，中段回炼比5.75%时，焦炭收率较回炼前降低0.58%，中段回炼比7.29%时，焦炭收率较回炼前降低0.45%，且生焦系数在不同回炼比下均有下降。充分说明中段油回炼可改善加热炉进料性质，降低原料结焦因子，焦炭收率显著降低。

（3）中段油回炼能够提升液体收率且有最优值。中段回炼比分别为8.85%、5.75%、7.29%时，液体收率分别增加0.53%、0.52%、0.07%，表明中段油回炼比与液体收率不具有严格的正反比关系，有最优值。且在回炼比为8.85%最高、残碳23.95%最低时，生焦系数为1.337，说明中段油回炼比过高，循环比增加，提高二次缩合反应机率，不利于降低焦炭收率。

4.4 效益分析

下面对其回炼比下的效益进行计算，主要从产品增值效益、能耗增加成本两个方面考虑（不考虑原料性质对产品分布的影响）。根据产品效益计算，中段油回炼比5.75%，增加液体收率0.52%，经济效益最大。

（1）产品增值效益

中段油回炼比5.75%较回炼前干气产率增加0.06%，液化气收率降低0.28%，汽油收率增加1.18%，柴油收率降低0.14%，蜡油收率降低0.07%，重蜡油收率降低0.17%，焦炭收率降低0.58%。产品价格按2018年1月单价计算，加工量按4200t/d计算，每年中段油回炼项目投用获得的产品增值效益为：

（4200×365×1822×0.06+4200×365×3644×1.18-4200×365×4118×0.28-4200×365×3280×0.14-4200×365×2733×0.07-4200×365×2733×0.17-4200×365×510×0.58）/100

＝2828.8万元/年

（2）能耗增加成本

能耗增加成本主要包括电耗和加热炉瓦斯消耗。

电耗增加成本：

50.8×24×365×0.7475＝33.3万元/年

瓦斯增加成本：

中段油回炼后加热炉瓦斯耗量增加0.127t/h。

0.127×24×365×1855＝206.4万元/年

（3）实际效益

实际效益＝2828.8-33.3-206.4＝2589.1万元。

5 结论

综上所述，中段油回炼能够显著提升延迟焦化经济技术指标，有利于装置长周期运行。

（1）能够改善产品分布，提高液体收率，尤其汽油收率增加较为明显。

（2）回炼比过高时，增加二次缩合反应的机率，不利于降低焦炭收率，并不能使经济效益最大化。

（3）根据装置目前所采集的数据来看，中段油回炼比在5.75%至8.85%期间，回炼比按5.75%控制时，经济效益最大，每年可增收创效约2589.1万元。