乙烯焦油加氫制芳烴技術開發及經濟性分析

蘇瑩，賀來賓

乙烯焦油加氫制芳烴技術開發及經濟性分析

蘇瑩，賀來賓

（中國石油化工股份有限公司化工事業部，北京 100728）

乙烯焦油作為乙烯生產過程中的一種主要副產品，其深加工利用研究得到越來越多的重視。通過對乙烯焦油多段加氫處理增產輕質芳烴技術進行研究與分析，從工藝流程優化、節能降耗等角度提出了優化方案，并對該技術的經濟性指標進行了初步分析。結果顯示：乙烯焦油加氫技術作為副產深加工和芳烴原料多樣化的一項技術具有較好的經濟性，具備良好的工業應用前景。

乙烯焦油；加氫；芳烴；經濟性

乙烯焦油是乙烯裂解原料在蒸汽裂解過程中原料及產品的高溫縮合產物，是乙烯生產過程中的一種副產品。裂解原料不同，乙烯焦油的產率也不同，一般約占乙烯產量的五分之一。乙烯焦油由于其高聚合性，無法直接進行化工利用。目前，國內的乙烯焦油主要用作燃料油、生產炭黑等初級利用，未充分體現資源的價值。乙烯焦油在205～300 ℃之間的裂解柴油餾段收率較高，將近60%，其中大部分是稠環芳烴，是增產BTX的優質原料。而同期國內芳烴市場行情較好，若能將乙烯焦油經過加氫處理，生產輕質芳烴原料，則能在提高乙烯焦油附加值的同時，為芳烴裝置提供低成本的原料。

基于加氫處理增產芳烴原料的技術思路，在C9+等重質裂解汽油加氫處理及加氫裂解增產芳烴等技術基礎上，上海院開發了乙烯焦油加氫處理增產芳烴技術。采用低溫選擇性加氫脫除乙烯焦油中聚合性組分，同時降低膠質，重點突破了高膠質、高含氮重質餾分油選擇加氫技術；再經高溫加氫脫 硫/脫氮、稠環選擇性飽和等精制處理，重點突破了催化劑耐高膠質及稠環選擇性飽和等關鍵性能，實現乙烯焦油升值，可用于切割汽油/柴油調和組分、分離高沸芳烴溶劑油或者增產BTX芳烴。本文以某公司實際的乙烯焦油為原料，研究了三段加氫增產BTX輕質芳烴技術的工藝過程和經濟性。

1 工藝技術研究進展

1.1 反應原理

原料乙烯焦油含有大量易聚合組分，全組分完全定性分析存在較大困難，其中230 ℃下主要組分分布如表1所示，約占總原料量的67%。

表1 乙烯焦油230 ℃以下典型組成

加氫過程中發生的主要反應有：雙烯烴加氫反應生成單烯烴；鏈烯基芳烴加氫為烷基芳烴；茚加氫生成茚滿；單烯烴加氫反應為飽和烴；脫硫化物反應；脫氮化物反應；稠環芳烴選擇性加氫飽和反應。

I段加氫作用為脫除聚合部分：

II段加氫作用為深度加氫，脫硫化物、氮化物，以及稠環芳烴選擇性加氫飽和反應：

III段加氫作用為加氫裂解增產BTX芳烴：

1.2 工藝流程

乙烯焦油三段加氫的主要工藝流程如圖1。

原料由一段反應進料泵與反應器循環物料混合后進入一段反應器頂部。反應器入口溫度由循環冷卻器調節控制，用循環量控制反應器的入口溫度。來自界區外的新鮮氫氣進入一段反應器頂部，自上而下通過催化劑床層，與液相充分接觸。一段液相產物經二段進料增壓泵升壓，與氫氣一起進入二段反應進出料換熱器與二段反應產物進行換熱，隨后進入二段加熱爐加熱后進入二段反應器深度加氫。二段反應產物先用來預熱進料后進入產物冷卻器，冷凝冷卻后進入產物分離罐進行分離，氣相一小部分作為富氫尾氣外排，大部分氣相進入二段循環氫壓縮機增壓后循環使用。二段反應產物液相自壓進入三段進出料換熱器，經加熱爐加熱后進入三段加氫反應器。三段反應產物依次經過反應進出料換熱器、產物空冷器、產物水冷器，之后進入產物分離罐。分離出的氣相大部分作為循環氫氣經壓縮機增壓后循環使用，少部分直接排放去燃料氣管網或氫回收系統。三段產物分離罐液相出料進入汽提塔，分離其攜帶的輕質烷烴組分。汽提塔釜出料進入芳烴分餾部分，經分離可分別得到苯、甲苯、二甲苯等產物。

1-一段進料泵；2-進料加熱器；3-一段反應器；4-一段循環泵；5-二段進料增壓泵；6-二段進出料換熱器；7-二段進料加熱爐；8-二段反應器；9-二段產物冷卻器；10-產物分離罐；11-二段循環氫壓縮機；12-三段反應進出料換熱器；13-三段進料加熱爐；14-三段反應器；15-三段產物空冷器；16-三段產物水冷器；17-三段產物分離器；18-三段循環氫壓縮機；19-汽提塔；20-塔頂冷卻器；21-汽提塔回流罐。

三段加氫反應的主要工藝條件見表2。

表2 乙烯焦油加氫的工藝參數

以原料流量12 500 kg·h-1（原料組成見表1）、年操作時間8 000 h的10萬t·a-1乙烯焦油加氫制BTX裝置為計算依據，原料消耗量及各產物的產量如表3所示。

表3 界區進/出工藝物料總平衡表

注1：BTX芳烴產品中含苯1.471萬t·a-1，甲苯2.422萬t·a-1，二甲苯1.269萬t·a-1。

1.3 工藝技術分析

由上文描述可知，乙烯焦油加氫制芳烴的流程略長，需要經過3步加氫反應，所需設備數量偏多，需從流程優化和設備優化角度入手，降低裝置總體投資。

從物料投入產出角度考慮，影響該技術經濟性的主要是氫氣的消耗與芳烴收率。而氫氣消耗是重質芳烴或多環芳烴轉化為單環芳烴必需的過程。芳烴收率是表征催化劑性能的主要指標，同時也影響氫氣消耗量。

從裝置運行成本角度考慮，影響該技術經濟性的主要因素是反應熱的回收和氫烴比的優化。

1）由于乙烯焦油的三段加氫反應均為放熱反應，在設置了反應進出料換熱器等熱聯合流程后，該技術基本無需外部供熱，但是反應熱仍有大量低溫余熱未能回收，若能充分利用發生蒸汽或與后續產物分餾系統熱聯合，則可降低操作成本。

2）氫烴比主要表征的是反應系統的氫氣分壓，當氫烴比增大，氫氣的分壓升高。提高氫烴比有利于重芳烴和非芳烴的轉化，因為氫氣分壓增高有利于烯烴的加氫并消耗脫烷基和非芳烴裂解生成的烯烴，促進重芳烴脫烷基和非芳烴裂解反應的進行。輕烴比影響循環氫壓縮機的功率，降低氫烴比可以降低壓縮機功率，但是較低的氫油體積比會影響催化劑的穩定性，加速催化劑結焦失活。輕烴比的優化受催化劑性能及芳烴進料組成限制，特別是受原料中的非芳烴含量限制，較高的非芳烴加氫裂解會消耗更多的氫氣，需要較高的氫烴比。參考柴油加氫工藝技術，可以考慮提高反應壓力，降低氫油比，維持氫分壓要求；同時也可以考慮高效的混合設備，將氫氣以小分子形式盡量均勻地分散在油相中，增大反應的利用率，以此達到降低氫油比的目的。當然，上述兩種方法均需要提高一定的設備投資，在綜合經濟評估下獲取最優化。

2 經濟性分析

2.1 裝置投資分析

同樣以10萬t·a-1乙烯焦油加氫制芳烴裝置為例，設備投資主要包括2～3臺壓縮機、2臺加熱爐、3臺加氫反應器、3臺空冷器以及容器、換熱器、泵等設備。其中壓縮機投資約占比設備投資的43%～46%，加熱爐約占比25%，反應器約占比8%～10%，空冷器約占比15%，其余設備約占比4%～9%。裝置投資還包括儀表、閥件等配件的采購和裝置安裝費用。粗估10 萬t裝置的總體投資約為1.2億元。降低裝置投資，可以從以下幾個方面考慮：

1）縮減壓縮機數量，例如二段或三段反應器可以共用一臺壓縮機，采用反應系統并聯或者串聯的方式。考慮二段和三段而非一段二段共用壓縮機的理由為，一段加氫反應主要是脫除易聚合部分，壓縮機進料為氫氣，二段加氫反應深度脫硫脫氮，循環氫中S、N濃度高，一段催化劑無法耐受，所以一段壓縮機與二段三段壓縮機不能共用。

2）減少加熱爐數量，上文提及乙烯焦油3步加氫反應均為放熱反應，如能采用高效的反應進出料換熱器，則完全可以取消加熱爐，僅設置一臺開工加熱爐，供二段或三段加氫共用。

2.2 能耗及操作費用分析

本工藝中主要消耗的公用工程為循環水、電、蒸汽和燃料氣4種。

4種公用工程消耗見表4。由表4可以看出，電單位耗量最高，占72.06%，燃料氣和循環冷卻水單位耗量占比分別為22.37%和5.57%。

表4 公用工程消耗一覽表

2.3 生產成本估算

計算10萬t規模乙烯焦油加氫制BTX裝置的操作費用、原料、產品的市場價格和費用見表5，公用工程費用見表6。

表5 原料及產品市場價格和費用

從表6可以看出，費用成本除原料外，公用工程消耗里電的費用最高，約占公用工程消耗費用的60%。消耗電的設備主要是兩臺壓縮機，其次是泵和空冷器。蒸汽由于僅在開工工況使用，操作費用忽略不計。補充氫消耗量每年接近0.48萬t，操作費用每年達6 674萬，主要是重質芳烴加氫所需氫氣消耗量很高，其次是需要適量的排放烴來控制循環氫的濃度。按照10年折舊期計算，裝置每年折舊費用1 200萬元，每年從操作費用角度盈余將近8 239萬。

表6 公用工程消耗費用

對于有氫氣回收系統的裝置，排放烴中的富氫尾氣可以進行經濟有效的回收，可降低整體裝置的運行成本。

如果將二段和三段反應產物空冷器和水冷器的余熱進行回收或用于發生低壓蒸汽，則能獲得更大的經濟效益。低壓蒸汽通常作為熱源，用于保溫伴熱，也可通過螺桿膨脹機用來發電，是節能降耗的優選途徑。

3 結 論

隨著國內石油化工行業的迅猛發展，乙烯裝置副產乙烯焦油的產量不斷增加，原料資源充足，利用空間巨大。乙烯焦油加氫增產芳烴工藝可在提升現有乙烯裝置副產利用率的同時，為芳烴裝置提供廉價的芳烴原料資源。經過初步分析，乙烯焦油加氫增產芳烴技術具有良好的經濟效益，開展乙烯焦油加氫利用對于乙烯行業進一步增強綜合競爭力、實現升級轉型和提質增效，并同時解決未來裂解焦油的出路和環保問題具有重大意義。

［1］張爽，潘高峰.乙烯焦油的綜合利用途徑[J]. 山東化工，2015，44（19）：52-53.

［2］劉志剛，曹志濤，李學，等. 乙烯焦油的綜合利用技術進展[J]. 煉油與化工，2012，23（5）：4-5.

［3］李朝恩，郝曉娟. 綜合利用乙烯焦油的技術經濟分析[J]. 石油化工技術經濟，1993（2）：39-44.

［4］鄭均林，徐璇，祁曉嵐，等. 劣質重芳烴資源及其化工產品轉化技術[J]. 化工進展，2017，36（10）：3665-3673．

Technology Progress and Economy Analysis on Hydrogenation of Ethylene Tar to Aromatic

,

（Sinopec Chemical Department, Beijing 100728, China）

As a major by-product of ethylene production, ethylene tar has been paid more and more attention to the research of its deep processing and utilization. The production technology of light aromatics by ethylene tar multi-stage processing was studied and analyzed, the optimization scheme was proposed from the perspective of process optimization and energy saving, and the economic indexes of the technology were analyzed. The results showed that ethylene tar hydrogenation technology as a by-product deep processing and aromatic feedstock diversification technology had good economic performance and industrial application prospects.

Ethylene Tar; Hydrogenation; Aromatic; Economy analysis

2021-05-17

蘇瑩（1975-），男，北京市人，高級工程師，1997年畢業于天津大學有機化工專業，研究方向：石油化工生產技術的管理和開發。

TQ014

A

1004-0935（2021）12-1904-04