殘渣型船用燃料油連續調合工藝研究

李遵照，徐可忠，薛 倩，劉名瑞，王明星，李 雪，肖文濤，張會成

(1.中國石化大連石油化工研究院遼寧省船用燃料油重點實驗室，遼寧 大連 116045；2.中國石油天然氣集團公司科技管理部)

重質船用燃料油是用于大型中低速船用柴油機的燃料，也稱為船用殘渣型燃料油，通常是由直餾渣油、減壓渣油構成，或與一定比例的輕組分混合而成[1-2]。2016年全球船用燃料油需求量為200 Mt左右，中國的船用燃料油市場需求約為15 Mt。

在重質船用燃料油的調合中，由于各組分油的黏度比較高，機械能作用主要不是形成渦流擴散，而是在剪切力作用下把被調合的物料撕拉成很薄的薄層，再通過分子擴散達到均勻混合[3]。

常用的油品調合工藝分為兩種：油罐批量調合和管道連續調合。目前，國內殘渣船用燃料油生產以間歇式罐式批量調合為主，生產效率低，能耗高，各組分油主要是通過攪拌混合，產品穩定性有待提高。英國JISKOOT公司報道了船用燃料油管道連續調合工藝及設備[4]，該工藝采用噴射混合器，對于組分油黏度差異大的油品難以取得較好的混合效果。目前，國內還未見有殘渣型燃料油連續調合工藝應用的報道。

殘渣型燃料油連續調合需要解決以下幾個問題：一是針對黏度、閃點等非線性指標的預測模型研究；二是針對黏度差異大的組分油管道混合器和強化混合器開發；三是以低成本為目標的優化調合方法；四是連續在線調合工藝及設備的建立。

中國石化大連石油化工研究院在殘渣型燃料油調合方面開發了以非線性指標預測模型為基礎的燃料油優化調合方法[5-7]和燃料油連續優化調合工藝[8-9]，研制了燃料油連續高效均質調合裝置[10]，取得燃料油調合管理系統軟件著作權，為殘渣型船用燃料油連續在線調合生產提供了研究基礎。本課題開發船用燃料油連續調合管理系統、設計新型高效靜態混合器，并在此基礎上開發殘渣型燃料油連續調合工藝，建立殘渣船用燃料油在線調合小試裝置，通過實驗驗證該裝置生產殘渣型船用燃料油的可行性，并探索殘渣型船用燃料油穩定性測量方法。

1 船用燃料油在線調合管理系統簡介

針對多組分的低成本調合、現有燃料油調合生產企業的數據管理等問題，開發了“燃料油在線調合管理系統”[9]。該系統可以實現對組分油及調合油性質數據的管理、利用組分油的性質生成調合方案、對調合方案進行控制輸出等功能。其中，利用最小二乘支持向量機模型，對產品指標進行預測，為提供調合方案提供有力的支撐。將調合管理系統與控制系統結合，實現燃料油調合自動化或半自動化，提高生產效率，同時，利用控制系統對設備進行實時監控，不僅保證調合方案的穩定運行，還起到了安全防控的作用。

1.1 燃料油在線調合管理系統的架構

圖1 燃料油數據管理軟件架構

1.2 非線性指標的預測方法

由于現有非線性指標預測模型誤差較大，不能滿足預測調合重質船用燃料油精度的要求，因此選用最小二乘支持向量機(LS-SVM)工具建立非線性指標預測模型。最小二乘支持向量機回歸的基本思想是：利用一種非線性映射φ將一個由n維輸入數據xi和1維輸出數據yi組成的訓練樣本集D={(xi，yi)|i=1，2，…，n}，從原空間映射到特征空間φxi，從而將低維特征空間的非線性回歸問題轉化為高維特征空間的線性回歸問題。

1.3 低成本優化調合方法

建立調合模型研究的目的是為了降低調合成本，提高調合時效性。本研究建立的調合模型如式(1)所示。

(1)

限制條件采用國家標準《船用燃料油》(GB 17411—2015)中對殘渣型燃料油規定的各項指標。

(2)

在限制條件(2)中，X=x1，x2…xi…xn，具體為一種調合方案，fi為關于某一項質量指標的預測模型。

在限制條件中，調合油品中各類物質的含量(例如硫含量、水含量及各種金屬含量等)指標可采用線性預測模型計算，即可通過對各組分油的相應指標進行加權平均的方法直接獲得。而黏度、密度、傾點及閃點等指標則需選用相關模型或者非線性指標預測方法進行計算。

2 殘渣型船用燃料油在線調合工藝

燃料油在線調合工藝是集合燃料油調合管理軟件、燃料油調合控制器、燃料油檢測裝置、靜態管道混合器、以及高效剪切單元形成的工藝流程。燃料油調合管理軟件根據組分油性質、價位和調合油性質，采用低成本優化調合方法進行計算和預測，形成調合方案，并將方案中各組分的比例輸出給調合控制器，控制器對調合組分油的油泵開度進行控制。調合組分從組分油儲罐中輸出后經閥門系統輸出到下一步調合工藝，其中根據監測油品溫度，來控制油品是否需要經過換熱器來調整溫度，若不需要調整溫度，則直接進入到管道混合器，經管道混合器出來后的油品送入高效剪切單元處理后進入調和油罐。其中在靜態混合器出口和剪切混合單元出口設置在線黏度監測裝置，根據黏度在線監測結果，在調合管理系統對各組分油的比例進行調整，以達到調合方案要求。

2.1 新型高效靜態混合器

圖2 新型靜態混合器結構示意

目前管道靜態混合器大多側重于管道徑向油品的混合，很少解決管道軸向油品配比不均的問題。本研究開發了一種新型管道混合器，其結構示意如圖2所示。該混合器由嵌套的內筒和外筒組成，內筒內部有不同管徑的螺旋管道，外部有渦輪葉片。混合油品流經預混合室、軸向螺旋管道、后混合室和徑向渦輪流出，油品在螺旋管道內流動時，產生反推作用力，驅動內筒上的渦輪旋轉，葉輪上的葉片對油品再進一步進行剪切、研磨，最終使各組分油混合均勻。

2.2 在線調合工藝

在燃料油在線調合管理系統、高效靜態混合器和剪切混合單元研究的基礎上，開發了殘渣型燃料油在線調合工藝(見圖3)，該工藝針對生產殘渣型燃料油的組分油的特點，采取管道靜態混合器分步降黏、高效剪切混合、流量、溫度、黏度等在線計量、實時反饋及調整的思路。

圖3 殘渣型燃料油在線調合工藝流程示意

具體工藝路線如下：

(1)利用燃料油在線調合系統根據組分油的性質，計算出調合方案，操作人員根據實際的市場需求選定最優的調合方案后，確定并輸出，輸出的方案通過控制系統對設備進行控制。

(2)在對各組分油流量進行設定和各設備滿足啟動條件后，啟動裝置，控制系統啟動各個組分油泵，連接的各閥門打開并處于自動調節狀態。組分油從儲罐中泵出，其流量按照燃料油調合系統計算得出的流量進行定量，在各組分油輸送管線上均設置有調節閥，通過調節閥門開度，保證各組分油嚴格按照燃料油在線調合系統軟件確定的流量配比進行混合。

(3)其中渣油或重油等稠油先與調合用稀油(黏度較稠油低的組分油)一起進入管道混合器進行稀釋混合，然后再與其它組分進入主管道混合器進行充分混合。

(4)混合后的燃料油進入高效剪切混合單元，在該單元中預混合的物流與回流物流在高效混合罐中進一步混合，輸出的物流通過高效剪切泵進行研磨、分散、剪切，且高效剪切泵后的物流經離心泵，部分回流至高效混合罐，進一步優化燃料油質量，延長儲存周期。

(5)經過高效剪切混合單元的燃料油直接輸送至儲罐或配送單元。

(6)調合結束后，使用輕質組分油依次經過泵、閥門、管道混合器、高效剪切混合單元等設備，達到沖洗線路及設備的目的，為下一次設備再啟動提供安全保障。

重質船用燃料油的組分油大多性質差距較大，尤其黏度對生產工藝的影響較大。對黏度較大的組分油進行泵送時，采用分步式降黏的方法，先將黏度最大的組分油與某一稀油在管道混合器中混合，降低黏度后，再與其它組分油一同進入主管道混合器混合。

燃料油從管道混合器預混合后，為了進一步提高油品性質，設置了剪切混合單元，該單元采用了一個具有回流線路的高效混合罐，通過將預混合新鮮物料與混合后的物料在高效混合罐中的混合、輸出、再回混的過程，使各組分物流混合得更加充分，并且在高效混合罐后設有高效剪切泵，高效剪切泵中流體在轉子磨齒與定子磨齒在高速旋轉下的相對運動，使被加工物料在自重、離心力等復合的作用下，通過其可變環狀間隙時，受到強大的剪切力、摩擦力和高頻震動，達到分散、粉碎、均質、混合的目的。

3 殘渣型燃料油在線調合裝置及實驗

3.1 小試設備簡介

為了驗證上述工藝，建立了一套殘渣型燃料油在線調合小試裝置，該設備可實現撬裝化，占地面積小。應用了自主研發的燃料油在線調合管理系統、高效靜態混合器和剪切混合單元，能夠實現從計算調合方案、控制生產設備到連續調合生產、形成合格產品的全部生產過程。裝置處理量為240 Lh，能夠實現2～4種組分油的調合。

3.2 實驗結果

采用燃料油在線調合裝置，針對3種組分油開展調合生產180 cSt船用燃料油的實驗，通過燃料油在線調合管理系統計算得到低成本調合配方，然后控制3種組分油的體積流量，通過兩級管道靜態混合器分步降黏，然后通過剪切混合單元對混合的油品進行剪切和研磨，最終產品通過黏度計的在線測量結果進行反饋。

表1為生產180 cSt船用燃料油的兩種低成本調合配方及操作條件。由表1可以看出，方案一稠油占比高，因其目的是生產運動黏度(50 ℃)接近180 mm2s的船用燃料油；方案二稠油占比稍(50 ℃)低，稀油占比提高，因其目的是生產運動黏度(50 ℃)低于180 mm2s的船用燃料油。

表1 生產180cSt船用燃料油的兩種調合配方

燃料油的穩定性采用梯度黏度法[11-12]進行測量，圖4為殘渣型燃料油產品穩定性測量裝置示意。裝置為一個長50 cm的老化管，上部為進樣口，下部為出樣口，中部和底部設置有上層取樣口和下層取樣口。將待測燃料油加入該裝置中密封，并在120 ℃條件下加速老化10 h，然后分別從上層取樣口和下層取樣口取樣并測定兩者的運動黏度和密度，計算上層樣品和下層樣品的運動黏度差和密度差，以此來表征燃料油的穩定性。當上下層樣品的運動黏度差不超過5 mm2s時，調合燃料油的穩定性較好；當運動黏度差在5～10 mm2s時，調合燃料油的穩定性處于邊界狀態，具有不穩定趨勢，需要進一步考察；當運動黏度差超過10 mm2s時，調合燃料油的穩定性較差。

圖4 殘渣型燃料油穩定性測量裝置

測量了上述裝置生產的船用燃料油的運動黏度、密度和產品穩定性，并與采用磁力攪拌方式得到的調合油進行對比，結果列于表2。從表2可以看出，采用在線連續調合方式得到的調合結果與磁力攪拌方式得到的調合結果相當，方案一調合得到的船用燃料油的運動黏度(50 ℃)為170 mm2s左右，方案二調合得到的船用燃料油的運動黏度(50 ℃)為130 mm2s左右，并且從穩定性評價數據上來看，采用在線調合裝置生產的產品，黏度差和密度差相對較小，說明混合更充分，穩定性更好，因此本研究開發的在線連續調合小試設備可生產不同規格的船用燃料油。

表2 在線連續調合和攪拌調合的產品數據對比

4 結 論

(1)開發了船用燃料油在線管理系統、設計了新型高效靜態混合器，并在此基礎上開發了殘渣型燃料油在線調合工藝。

(2)建立的殘渣船用燃料油在線調合小試裝置，能夠實現調合方案生成、連續在線生產。試驗表明，采用小試裝置生產的船用燃料油產品與攪拌法生產的產品性能接近，穩定性更好，比傳統殘渣型燃料油生產方式效率提高。

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