中壓加氫裂化生產合格噴氣燃料技術的開發與應用

趙 陽，趙廣樂，莫昌藝，董松濤，毛以朝，戴立順，胡志海

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

目前，中國噴氣燃料消費量保持每年11%左右的增速，已經成為航空燃料消費大國。2015年國內噴氣燃料需求達到25 Mt，2017年為32 Mt，2018年約為35 Mt，預計2020年將超過40 Mt[1-3]。加氫裂化工藝可將重質餾分油轉化為輕質產品，原料范圍廣，生產方案靈活，噴氣燃料收率可在較大范圍內變化，是重要的增加噴氣燃料產率的手段。

中國石油化工股份有限公司(簡稱中國石化)是國內最大噴氣燃料生產商，噴氣燃料產量約占全國噴氣燃料產量的70%。由于噴氣燃料產品不征收消費稅，生產噴氣燃料具有較好的經濟效益；同時中國石化部分煉油廠還具備或閑置中等壓力等級的加氫裝置，企業有通過現有裝置調整產品結構、增加效益的需求。為此，中國石化石油化工科學研究院(簡稱石科院)開發了生產合格噴氣燃料的中壓加氫裂化技術。該技術于2016年9月在中國石化上海石油化工股份有限公司(簡稱上海石化)1.5 Mt/中壓加氫裂化裝置上得到應用。以下為該技術的開發過程與工業應用情況。

1 技術開發思路

通常認為，在中壓加氫裂化工藝條件下，由于氫分壓偏低，所得噴氣燃料產品的芳烴含量會偏高，同時，氫分壓低也會影響環烷烴的開環反應，導致噴氣燃料產品的鏈烷烴含量低、密度高、煙點小；另外，氫分壓低還會影響裝置的原料適應性，因此生產噴氣燃料的加氫裂化裝置通常為高壓裝置[4]。如何在中等壓力條件下生產出合格的噴氣燃料產品是技術開發的關鍵。

在技術開發過程中首先需要了解氫分壓對噴氣燃料產品質量的影響規律，對現有認識進行甄別，確定中壓等級生產噴氣燃料的邊界條件；其次，除氫分壓外，裂化催化劑、原料性質、裂化反應深度對噴氣燃料質量均有重要的影響，需對其進行詳細的考察，確定生產合格噴氣燃料所需的適宜加氫裂化催化劑、反應深度以及原料范圍。另外，鑒于體積空速與裝置的加工量關系密切，也需考察體積空速的變化對噴氣燃料質量的影響[5-7]。

2 技術開發

2.1 氫分壓對噴氣燃料餾分性質的影響

以沙輕混合蠟油(由沙輕減二線蠟油、沙輕減三線蠟油以質量比1∶1混合所得)為原料，采用RN系列加氫精制催化劑及RHC系列加氫裂化催化劑組合，在體積空速為0.6 h-1、氫油體積比為1 200、控制原料中大于350 ℃餾分轉化率為55%～58%的條件下，考察在10～17 MPa范圍內反應器入口氫分壓對加氫裂化所得噴氣燃料餾分性質的影響，結果見表1。

表1 以沙輕混合蠟油為原料時氫分壓對噴氣燃料餾分性質的影響

由表1可見：對于蠟油餾分原料，隨著氫分壓的降低，噴氣燃料產品的性質明顯變差，具體表現為密度增加、氫含量增加、煙點減小；從烴類組成來看，降低氫分壓后噴氣燃料產品的芳烴含量(主要是單環芳烴含量)有較大幅度的升高，尤其需要注意的是，當氫分壓降低至10 MPa時，噴氣燃料中已經可以檢出雙環芳烴，其質量分數為0.3%。

為進一步探討氫分壓對噴氣燃料影響的邊界條件，采用比上述沙輕混合原料的密度更低、整體性質更優的沙輕減二線蠟油為原料，在其他條件不變的情況下，控制原料中大于350 ℃餾分轉化率為55%～58%，考察在6～10 MPa范圍內反應器入口氫分壓對加氫裂化所得噴氣燃料餾分性質的影響，結果見表2。

表2 以沙輕減二線蠟油為原料時氫分壓對噴氣燃料餾分性質的影響

由表2可知，即使加工性質較好的蠟油餾分原料，當反應器入口氫分壓由10 MPa降低至6 MPa時，噴氣燃料產品性質也大幅變差，除了密度及氫含量降低、煙點減小外，從烴類組成來看，在較低氫分壓范圍內，隨著氫分壓的下降，雙環芳烴含量增加較為明顯。

結合表1和表2可以看出，不同氫分壓范圍對噴氣燃料煙點的影響程度不同。當氫分壓在較高壓力范圍(10～17 MPa)時，氫分壓每降低1 MPa，噴氣燃料煙點減小約0.8 mm；而當氫分壓在較低壓力范圍(6～10 MPa)時，氫分壓每降低1 MPa，噴氣燃料煙點減小約2.1 mm。結合表1和表2還可以看出，不同氫分壓范圍對噴氣燃料芳烴含量的影響程度不同。當氫分壓在較高壓力范圍(10～17 MPa)時，氫分壓每降低1 MPa，噴氣燃料芳烴質量分數增加約1.0百分點；而當氫分壓在較低壓力范圍(6～10 MPa)時，氫分壓每降低1 MPa，噴氣燃料芳烴質量分數增加約4.0百分點。

綜合氫分壓對噴氣燃料的密度、煙點、氫含量以及烴類組成多方面的影響規律來看，以蠟油餾分為原料的加氫裂化裝置生產噴氣燃料時宜選擇反應器入口氫分壓不低于10 MPa。

2.2 加氫裂化催化劑對噴氣燃料餾分的影響

加氫裂化催化劑是加氫裂化反應的核心，其裂化功能主要由其組成中的分子篩(或無定型硅鋁)提供。本研究通過試驗考察加氫裂化催化劑的分子篩類型及分子篩含量對噴氣燃料產品性質的影響。

2.2.1 催化劑分子篩類型的影響以鎮海減二線蠟油為原料，在其他反應條件相同的情況下，考察裂化活性相近、分子篩類型不同的催化劑A、B作用下的加氫裂化液體產品分布及噴氣燃料產品的煙點，結果見表3。

表3 不同分子篩類型催化劑作用下的液體產品分布及噴氣燃料煙點對比

由表3可以看出，歸整處理為轉化深度相同(大于350 ℃餾分轉化率相同)的情況下，含Y分子篩催化劑作用下的噴氣燃料收率更高，而含β分子篩催化劑作用下所得噴氣燃料的煙點更大。考慮到可以有其他方法改善噴氣燃料的煙點，在轉化深度相同的情況下為兼顧噴氣燃料收率和質量，宜選擇含Y分子篩的加氫裂化催化劑，如果僅要求高的噴氣燃料煙點，也可以選擇含β分子篩的加氫裂化催化劑。

2.2.2 催化劑分子篩含量的影響考慮到分子篩含量不同的催化劑其二次裂化反應程度不同，且工業裝置通常在增加噴氣燃料收率時受限于石腦油餾分收率瓶頸的影響，因此又以取自中國石化齊魯分公司加氫裂化裝置的進料(簡稱齊魯HC原料)為原料，歸整處理為相同石腦油收率的情況下考察所含分子篩類型相同時，分子篩含量對加氫裂化噴氣燃料收率及煙點的影響，所用催化劑C，D，E均含有Y分子篩，但Y分子篩的含量不同，考察結果如表4所示。

表4 不同分子篩含量的催化劑作用下的產品分布及噴氣燃料煙點對比

由表4可以看出，在石腦油收率為25.0%的情況下，Y分子篩含量由高到低的催化劑C，D，E作用下的噴氣燃料收率分別為23.5%，27.2%，29.1%，煙點均約為25.0 mm，說明催化劑中Y分子篩的含量越低，其作用下的噴氣燃料收率越高，但Y分子篩含量的高低對噴氣燃料餾分的煙點基本無影響。

2.3 進料對噴氣燃料的影響

2.3.1 原料油類型對噴氣燃料收率和性質的影響分別采用典型的中間基減壓蠟油(沙輕VGO)和中間偏環烷基減壓蠟油(勝利VGO)為原料進行加氫裂化試驗，在反應壓力為14.0 MPa、氫油體積比為1 200、控制精制油氮質量分數小于15 μg/g的情況下，通過調整裂化反應溫度考察原料油類型對噴氣燃料餾分性質的影響，結果如表5所示。

由表5可見，在歸整處理石腦油收率均為20.0%時，與中間基減壓蠟油相比，中間偏環烷基減壓蠟油得到的噴氣燃料的收率更高，但密度較大、氫含量較低、煙點較小。

表5 相同石腦油收率下原料油類型對噴氣燃料性質的影響

2.3.2 原料餾分輕重對噴氣燃料收率和性質的影響將直餾VGO和直餾AGO混合，配制成餾分輕重不同的混合進料，并采用相同的催化劑，在相同反應壓力、體積空速的條件下，考察原料餾分輕重對加氫裂化所得噴氣燃料的收率和性質的影響。控制石腦油收率約17%時的試驗結果如表6所示。

表6 原料餾分輕重對加氫裂化所得噴氣燃料性質的影響

由表6可以看出，隨著直餾AGO比例的增加，混合原料的50%餾出溫度降低(餾分變輕)，密度減小，鏈烷烴含量增加，芳烴含量減少。隨著原料餾分變輕，在相近石腦油收率下，加氫裂化所得噴氣燃料的收率逐漸增加，煙點逐漸增大，但冰點也隨之升高。上述現象主要是餾程和烴類組成兩方面所致：一方面，隨著原料餾分變輕，部分餾分會不經裂化或只經過淺度裂化而直接進入到噴氣燃料餾分，而淺度裂化的餾分異構程度通常也較低，相應冰點會較高；另一方面，隨著原料餾分變輕，進料中鏈烷烴含量增加，芳烴含量減少，在相同的石腦油收率下，噴氣燃料產物中的鏈烷烴含量也會相應增加，而芳烴含量相應減少，鑒于鏈烷烴煙點更大，且通常情況下與芳烴和環烷烴相比鏈烷烴的冰點也更高，故噴氣燃料產物的煙點和冰點均有所增長。

綜合來看，原料油鏈烷烴含量越高，噴氣燃料質量越好；此外，加工典型VGO時摻煉餾分相對較輕的直餾輕蠟油或直餾柴油更有利于改善噴氣燃料煙點和提高噴氣燃料收率。

2.4 裂化轉化深度對噴氣燃料收率和性質的影響

以取自上海石化加氫裂化裝置的進料[上海HC原料(2016)]為原料油，在高壓分離器壓力為10.5 MPa、其他反應條件相同的情況下，通過調整裂化反應溫度考察轉化深度對噴氣燃料收率及性質的影響，結果列于表7。

表7 轉化深度對噴氣燃料收率及性質的影響

由表7可以看出，隨著裂化轉化深度增加，噴氣燃料產品的收率逐漸增加，煙點逐漸增大，芳烴含量略有下降，鏈烷烴含量明顯增加，環烷烴含量逐漸減少。說明在壓力不變的情況下，隨著轉化深度增加，鏈烷烴含量增長及環烷烴含量下降，使得噴氣燃料的質量有所提高。可見，為提高噴氣燃料收率宜采用較高的轉化深度，同時提高轉化深度還有利于改善噴氣燃料的質量。

2.5 裂化反應空速對噴氣燃料產品性質的影響

以沙輕混合蠟油為原料，在其他反應條件相同的情況下，控制大于350 ℃餾分轉化率約為60%，考察裂化反應空速對加氫裂化所得噴氣燃料性質的影響，結果見表8。

表8 相近轉化率下裂化反應空速對加氫裂化所得噴氣燃料性質的影響

由表8可見：裂化反應空速對噴氣燃料性質有一定的影響，但在裂化反應體積空速不大于2.4 h-1的情況下，噴氣燃料性質隨空速的變化不大；當裂化反應體積空速大于2.4 h-1后，隨著空速增大，氫質量分數降低幅度較大，由13.98%降低至13.87%，煙點由26.0 mm減小至24.0 mm。另外，從噴氣燃料烴類組成的變化趨勢也可以看到，隨著空速增大，其鏈烷烴含量基本保持穩定，但對應芳烴含量增加較為明顯。提高空速后，進料與加氫催化劑活性中心接觸時間縮短，盡管通過其他工藝條件改變可確保裂化轉化率不下降，但很明顯，與裂化活性中心相比，加氫活性中心需要更長的接觸時間，因此在高空速條件下由于加氫活性中心與進料的接觸時間不足導致了芳烴飽和度下降，因而噴氣燃料煙點明顯減小。綜上所述，在中壓生產噴氣燃料工藝中，裂化反應體積空速不宜高于2.4 h-1。

3 原料油適應性

按照上述中壓加氫裂化生產合格噴氣燃料的工藝要求，采用石科院開發的RN系列加氫精制催化劑及RHC系列加氫裂化催化劑，以3種較為典型的加氫裂化原料，在中型試驗裝置上考察該技術的原料油適應性。試驗采用兩個反應器串聯、油氣一次通過流程，氫氣循環操作，新氫自動補入。原料油名稱及性質列于表9，試驗結果列于表10。

表9 原料油適應性試驗的原料油名稱及性質

由表9可以看出，試驗所用3種原料的鏈烷烴質量分數為17.1%～25.2%，硫質量分數為1.2%～2.9%，氮質量分數為713～1 800 μg/g，具有較好的代表性。

表10 原料油適應性試驗的結果

由表10可以看出：采用RN系列催化劑以及RHC系列裂化催化劑，在入口氫分壓約10 MPa的條件下可加工多種典型蠟油原料，石腦油收率為25%～30%，噴氣燃料收率約為20%；除齊魯HC原料得到的噴氣燃料煙點為24.5 mm外，其他兩種原料得到的噴氣燃料煙點均達到26 mm以上；柴油十六烷指數高達60以上；尾油BMCI低，是優質的蒸汽裂解制乙烯原料。

4 中壓加氫裂化生產合格噴氣燃料加氫裂化技術的應用

為滿足生產噴氣燃料的需求，上海石化1.5 Mt/a中壓加氫裂化裝置采用了石科院開發的中壓加氫裂化生產噴氣燃料技術。裝置于2016年9月進行了催化劑裝填，精制催化劑采用RN-32V，裂化催化劑采用RHC-220/RHC-133進行級配，后精制催化劑采用RN-32V。此外，在2018年8月對分餾系統進行了相應的適應性改造，同年10月17—19日進行了裝置生產噴氣燃料的第一次工業標定。標定時的原料油為典型的高硫VGO，原料性質和標定結果列于表11。

表11 中壓加氫裂化生產噴氣燃料技術的工業標定結果

上海石化1.5 Mt/a中壓加氫裂化裝置標定結果表明：采用石科院開發的中壓加氫裂化生產合格噴氣燃料技術及配套催化劑加工高硫VGO餾分，在重石腦油收率約24%的情況下，噴氣燃料餾分收率約21%，噴氣燃料產品質量滿足3號噴氣燃料質量要求；柴油十六烷指數約69；尾油餾分BMCI為9.8，是優質的蒸汽裂解制乙烯原料；產品分布和產品質量符合指標要求，達到技術開發目標。

5 結 論

(1) 反應氫分壓是影響蠟油加氫裂化所產噴氣燃料煙點及芳烴含量的關鍵因素，且在氫分壓6～17 MPa范圍內，氫分壓對噴氣燃料的質量影響存在較為明顯的拐點，因此以蠟油餾分為原料的加氫裂化裝置生產噴氣燃料時宜選擇10 MPa以上的反應器入口氫分壓。

(2) 為兼顧噴氣燃料收率和質量，宜選擇含Y分子篩的加氫裂化催化劑；當工業裝置石腦油收率受限時，為多產噴氣燃料，宜選擇Y分子篩含量較低的催化劑。

(3) 選擇鏈烷烴含量較高和餾分較輕的原料均有利于改善噴氣燃料質量，且提高裂化轉化深度是多產噴氣燃料并改善其煙點的有效手段；此外，裂化反應空速過高時會明顯影響噴氣燃料的煙點，中壓條件生產噴氣燃料最好控制裂化反應體積空速不超過2.4 h-1。

(4) 開發的中壓加氫裂化生產合格噴氣燃料技術具有良好的原料適應性，可以應用于加工不同種蠟油生產合格噴氣燃料。

(5) 中壓加氫裂化生產合格噴氣燃料技術在上海石化1.5 Mt/a中壓加氫裂化裝置的工業應用結果表明，采用該技術加工高硫VGO餾分，在入口氫分壓約10 MPa的條件下，可生產出收率20%以上的合格噴氣燃料，并可兼顧生產出BMCI約為10的優質蒸汽裂解制乙烯原料。