延迟焦化装置掺炼脱油沥青的可行性分析

2024-03-30李娜牛毓王兴吴嫡

石化技术与应用 2024年1期

李娜，牛毓，王兴，吴嫡

（中国海油化工与新材料科学研究院，山东青岛 266500）

延迟焦化装置已成为当今炼厂渣油特别是劣质渣油加工的主要手段之一［1］。对原料性质要求低，原料适用性强，来源广，在加工重质、劣质原料方面有其独特的优势［2］。中海沥青股份有限公司（以下简称中沥公司）延迟焦化装置设计加工量为100 万t/a，焦化原料为海洋重质原油（秦皇岛32-6 原油）的减压渣油。目前，由于原料限制，一直低负荷运行，实际加工量在70～80 万t/a。因此，考虑掺炼部分脱油沥青低附加值原料，提高装置产品利润，降低装置运行成本。

延迟焦化装置掺炼高残炭、高沥青质含量的脱油沥青原料，会增加焦化炉管结焦以及焦炭塔产生弹丸焦的危险［3］。本工作对该炼厂延迟焦化装置掺炼不同种类、不同比例的脱油沥青原料进行评价，包括原料结焦倾向，裂解难易程度，产品分布等热加工性能、生成弹丸焦可能性快速预测、焦化炉过程模拟等，在不影响石油焦产品等级情况下（目前该炼厂石油焦为2 A 级），确定了脱油沥青掺炼比例和优化操作方案，可为国内其他装置提供借鉴。

1 实验部分

1.1 原料油

焦化原料，由中沥公司生产。脱油沥青，分别由恒力石化炼化有限公司及中国海油大榭石化有限公司生产，依次命名为HLDOA，DXDOA。3 种原料油性质见表1。可以看出，3 种原料油中HLDOA 的残炭、沥青质、硫质量分数较高，但灰分质量分数低；DXDOA 的残炭、沥青质质量分数较HLDOA 低，其硫质量分数与焦化原料相当。

表1 3 种原料油的主要性质

1.2 评价装置

在洛阳康富森有限公司重油热反应评价仪上进行原料热加工性能的评价。该设备由反应部分、产物回收部分及控制部分组成（见图1），反应生成的气液混合物在冷凝器中空冷后，液体由液收器收集，气体采用排水法收集。反应部分由30 mL 微型反应器、可实现自动控温的锡浴及热电偶组成。

图1 重油热反应评价仪示意

2 结果与讨论

2.1 掺炼脱油沥青对原料热加工性能的影响

焦化原料热加工性能包括结焦倾向评价、裂解难易程度评价和产品分布快速评价［4］，其中结焦倾向评价、裂解难易程度评价可用于指导装置反应苛刻度的控制，产品分布快速评价体现装置实际操作可优化程度。

2.1.1 结焦倾向

以产物中甲苯不溶物质量分数作为评价油样结焦倾向的依据。在430 ℃，30 min 条件下，考察了掺炼HLDOA，DXDOA 对原料结焦倾向的影响，并与国内典型焦化装置原料甲苯不溶物进行对比，结果如表2 所列。可以看出，与国内典型焦化原料相比，该焦化原料掺炼DXDOA 或HLDOA后，结焦倾向变化不大，即使掺炼50%（占原料油的质量分数，下同）的DXDOA 或掺炼20%的HLDOA，仍属于结焦倾向较小的原料，可在装置较高苛刻度操作下进行加工。

表2 掺炼HLDOA 和DXDOA 对焦化原料甲苯不溶物的影响 %

2.1.2 裂解难易程度

将相同质量重油，在相同初始温度下、给定相同热量（即同反应升温历程）反应后得到残渣油，将其残炭质量分数作为重油热反应的极限残渣油收率。用残渣油收率与极限残渣油收率的差值来表征原料裂解难易程度，差值越大，表明原料越难裂解［5］。

在双阶梯反应历程（第1 阶梯反应温度430℃，反应时间40 min；第2 阶梯反应温度500 ℃，反应时间50 min）的条件下，考察了掺炼HLDOA 或DXDOA 后，原料的裂解难易程度，结果如表3 所列。可以看出：随着脱油沥青掺炼比例提高，原料的裂解难度增加；掺炼10%DXDOA 的原料较掺炼20%HLDOA 的裂解难度更大。因此，在掺炼DXDOA 时，需要提高炉出口温度以提高原料转化率。

表3 掺炼HLDOA 和DXDOA 对焦化原料裂解难易程度的影响 %

2.1.3 产品分布

在双阶梯反应历程（第1 阶梯反应温度430℃，反应时间30 min，第2 阶梯反应温度500 ℃，反应时间90 min，反应总时间为120 min）条件下，考察了焦化原料掺炼HLDOA 和DXDOA 对产品分布的影响。

由表4 可知，随着脱油沥青掺炼比的提高，气体和焦炭收率逐渐增加，液体收率逐渐减少。由于HLDOA 硫质量分数较高，当其掺炼比为10%时，得到的石油焦硫质量分数为0.92%，已经接近2 A 级石油焦硫质量分数不大于1.0%的指标要求。因此，HLDOA 的掺炼比应控制在10%以内。

表4 掺炼HLDOA 和DXDOA 对产品分布的影响 %

2.2 弹丸焦预测

2.2.1 传统方法

传统弹丸焦预测方法采用残炭/沥青质（质量比，下同）比值法［6］。由表5 可以看出，掺炼10%HLDOA 或掺炼50%DXDOA 后，原料的残炭/沥青质均大于2，故产生弹丸焦的可能性较小。

表5 掺炼HLDOA 和DXDOA 原料的残炭/沥青质

2.2.2 弹丸焦指数法

在相同生焦反应条件下，以不同油样生成残渣油的质量分数作为弹丸焦指数，用于预测生成弹丸焦的可能性。当弹丸焦指数小于32%时，产生弹丸焦的可能性较小；弹丸焦指数大于35%时，产生弹丸焦的可能性较大；弹丸焦指数介于32%～35%时，有可能产生弹丸焦。

由表6 可以看出：当焦化原料掺炼10%HLDOA 时，产生弹丸焦的可能性较小；当焦化原料掺炼50%DXDOA 时，弹丸焦指数为33.72%，有产生弹丸焦的可能性；掺炼40%DXDOA 时，弹丸焦指数小于32%。因此，DXDOA 的掺炼比应控制在40%以内。

表6 掺炼HLDOA 和DXDOA 原料的弹丸焦指数 %

3 掺炼脱油沥青对装置运行的影响

3.1 模拟计算

以中沥公司焦化装置现操作工况为参数，利用中国石油大学（华东）焦化炉过程模拟软件V 1.1 分别对焦化原料掺炼HLDOA 或DXDOA 的工况进行焦化炉过程模拟计算，结果如表7 所列。可以看出：在现有原料和操作工况下，炉管内430 ℃以上停留时间为51.47 s，炉出口转化率达到10%以上，属于国内同类装置较高水平；炉出口压力0.45 MPa，循环比0.7 时，出口汽化分率为62.4%，最大表观流速为35.7 m/s；此外，生焦反应焦化炉给热为351.3 J/g，达到了深度裂解焦化炉（约350 J/g）的水平，表明焦化炉的给热品质高，操作苛刻度较优。当原料中掺炼脱油沥青后，原料在管内430 ℃以上停留时间延长，炉出口转化率增大，焦化炉生焦反应给热量增大。考虑到HLDOA 属于残炭值超高的重质易结焦组分，为确保装置的长周期运行，建议HLDOA 掺炼比不超过10%，并适当优化操作方案。 DXDOA 属于结焦倾向较小、较难裂解的组分，掺炼比例较大时，装置焦炭产率过高，为兼顾装置长周期运行与提高液体收率，建议DXDOA 掺炼比为20%，并适当优化操作方案。

表7 现有工况下掺炼不同比例脱油沥青对管内操作参数的影响

3.2 掺炼脱油沥青操作工艺优化

综合考虑延迟焦化装置结构和操作现状，HLDOA 与DXDOA 结焦倾向、裂解难易程度等因素，对掺炼2 种脱油沥青的操作方案进行进一步优化，结果如表8 所列。可以看出，通过加大炉管注汽量，可维持掺炼HLDOA 的炉出口转化率不超过现有的10%；通过升高炉出口温度，提高注汽量，确保掺炼DXDOA 时，焦化炉有较高的炉出口转化率和生焦反应给热量。