高苛刻度延遲焦化裝置摻煉催化裂化油漿的工業實踐

顧 承 瑜

(中國石化金陵分公司，南京 210033)

延遲焦化是當前煉油廠劣質重油加工的重要手段，我國現有延遲焦化裝置100余套，總加工能力超過110 Mt/a，居世界第二位[1]。中國石化擁有30余套焦化裝置，加工能力超過40 Mt/a。隨著加工原料的日益劣質化和環保要求的逐步提高，延遲焦化裝置作為煉油廠的“垃圾桶”，一方面可平衡煉化企業重油加工，處理最為劣質的重油；另一方面也可處理催化裂化油漿、脫油瀝青、污油、浮渣等其他裝置難以處理的物料，具備一定的平衡和環保功能[2-3]。隨著聯鎖順控和密閉除焦等技術的應用，延遲焦化裝置自身的安全環保技術水平得到了明顯改善，從而在新形勢下提高了延遲焦化工藝的生命力。

催化裂化油漿是催化裂化裝置較難轉化而外甩的副產物，一般外甩量為裝置處理量的3%～10%。催化裂化油漿的品質差、芳香分含量高、灰分高，含有催化劑顆粒，目前主要的處理方式是作為燃料油調合組分和延遲焦化裝置的原料進行摻煉。因油漿中存在催化劑顆粒，會導致燃料噴嘴磨損，且由于燃料油消費稅提高，油漿作為燃料油的效益較差[4]。因此，油漿進入延遲焦化裝置摻煉，生產干氣、液化氣、汽油、柴油、蠟油和石油焦等產品，成為多數煉油廠催化裂化油漿處理的主要途徑[5-7]，具有相對較好的經濟效益。

目前，延遲焦化裝置加工催化裂化油漿主要有兩種摻入方式：一種是將催化裂化油漿直接與減壓渣油混合，然后經過換熱器、分餾塔、加熱爐等，最后進入焦炭塔進行生焦反應；另一種是將催化裂化油漿單獨加熱至500 ℃左右，在加熱爐出口與渣油混合，然后進入焦炭塔反應。前者只需少量改動即可利用現有裝置進行油漿摻煉，且油漿摻煉比例可靈活調節，但油漿固含量高時，存在換熱器易結垢、進料流量控制閥沖刷腐蝕、泵葉輪磨損等問題[8-11]；后者油漿不經過換熱器和分餾塔，可避免催化劑沉積結垢問題，但需新建油漿加熱爐，受裝置空間和投資等限制，僅適用于部分有條件的裝置[12-13]。然而，由于催化裂化油漿中的短側鏈的芳香分含量高，熱反應活性低，無論采用哪種摻煉方式，都需要提高催化裂化油漿在延遲焦化裝置的轉化深度，緩解催化裂化油漿在延遲焦化-蠟油加氫-催化裂化裝置間的“跑龍套”問題[14]。

為發揮延遲焦化裝置加工催化裂化油漿的優勢，提高摻煉催化裂化油漿的綜合效益，調研了國內不同裝置催化裂化油漿的組成與性質，采用重油微型熱反應裝置，研究催化裂化油漿與減壓渣油的熱反應產品分布差異，以及摻煉比例對產品分布的影響。針對摻煉催化裂化油漿的特點，對某延遲焦化裝置進行了提高焦化爐反應苛刻度的技術改造，在高苛刻度延遲焦化裝置上進行了摻煉催化裂化油漿的工業實踐。

1 催化裂化油漿組成特點

催化裂化油漿是經過高溫催化反應的副產物，主要成分為一環至五環芳烴，其次為飽和烴，還含有一定量的膠質和瀝青質。表1為加工不同原料催化裂化裝置油漿的主要性質對比[7，15]。

表1 不同裝置催化裂化油漿性質對比

不同來源催化裂化油漿的對比數據表明，與減壓渣油相比，催化裂化油漿具有密度大(通常大于1 000 kg/m3)，芳香分含量高，膠質、瀝青質含量低，殘炭低，固含量高(主要是催化劑)的特點。由于原油種類及催化裂化/裂解反應條件、催化劑旋風分離效果等存在較大差別，不同裝置副產的催化裂化油漿組成也具有一定的差異性。表1中不同催化裂化油漿的芳香分質量分數從最低47.4%到最高88.4%，差別很大；H/C原子比最高為1.38，最低為1.03。由此可知，不同催化裂化油漿的反應特性和產品分布也會存在一定差異。此外，文獻[16]報道，催化裂化油漿的微量法殘炭與電爐法殘炭存在較大差別，主要原因是兩種殘炭測量方法的反應溫度和油氣分壓不同，而油漿在測試溫度下的生焦率對油氣分壓較為敏感，導致催化裂化油漿的微量法殘炭明顯小于電爐法殘炭。因此，參考催化裂化油漿殘炭時應明確測試方法。

2 催化裂化油漿反應特性

為了考察催化裂化油漿的熱反應特性，采用重油熱加工性能微反評價裝置[17]，分別在相同熱反應條件下(500 ℃、2 h和500 ℃、4 h)進行金陵減壓渣油、金陵油漿和不同油漿摻煉比例(w，下同)下的熱反應試驗，主要結果見表2。

表2 催化裂化油漿、減壓渣油及不同油漿摻煉比例下的熱反應試驗結果

條件一(500 ℃，2 h)下的試驗結果顯示，盡管催化裂化油漿的殘炭低于減壓渣油，但相同反應條件下，油漿的焦炭產率和氣體產率均明顯高于減壓渣油，純油漿的焦炭產率高達36.63%，摻煉油漿后減壓渣油的焦炭產率隨油漿摻煉比例的增大而不斷升高。條件二(500 ℃，4 h)下的評價結果顯示：增加反應時間后，減壓渣油的產品分布變化很小，表明生焦反應較為徹底；而催化裂化油漿的焦炭產率降低了3.07百分點，氣體產率和液體收率分別增加了0.54百分點和2.53百分點，摻煉油漿后減壓渣油的焦炭產率也較條件一時有所降低，表明高芳烴含量的催化裂化油漿發生斷鏈與縮合反應需要更多的熱量和更高的反應苛刻度。文獻[14]中的工業試驗結果亦表明，提高焦炭塔壓力、加熱爐出口溫度及裝置循環比等有利于提高催化裂化油漿的芳烴轉化率，但提高焦炭塔壓力和循環比將增加裝置焦炭產率，提高加熱爐出口溫度會加速焦化爐管的結焦。

3 焦化爐高苛刻度改造

如上所述，催化裂化油漿因芳香分含量高，熱反應活性低，進延遲焦化裝置摻煉時需提高其反應苛刻度，從而緩解油漿在裝置間的“跑龍套”問題。為了提高延遲焦化裝置摻煉催化裂化油漿的轉化深度，同時確保裝置長周期運行，對某1.80 Mt/a延遲焦化裝置焦化爐進行了高苛刻度技術改造。在焦化爐輻射室入口增加6根爐管(Φ114 mm×8.56 mm，共6路進料)，焦化爐輻射進料先進入新增的6根爐管，再進入輻射室底部爐管，自下往上流動，最后從輻射室頂部出焦化爐，進入焦炭塔。通過增加輻射爐爐管的方式延長物料在爐管內的反應停留時間，從而可在不提高爐出口溫度的情況下，增加爐管內物料的轉化率和反應苛刻度，有利于延緩高苛刻度下焦化爐爐管結焦。焦化爐改造前后的關鍵工藝參數與模擬結果如表3所示。

表3 焦化爐改造前后關鍵工藝參數與模擬結果

模擬結果顯示，增加輻射爐爐管后，焦化爐爐管內430 ℃以上餾分停留時間由36 s延長至50 s，管內裂化轉化率由8%提高至12%，同時由于增加了爐管吸熱面積，降低了爐管平均熱強度，爐管最高邊界層溫度由515 ℃降至508 ℃。因此，采用延長爐管內反應停留時間的方式，增加焦化爐管內反應給熱量，有利于提高摻煉油漿的轉化率，并在高苛刻度下控制焦化爐爐管結焦速率。

4 工業應用效果分析

為了考察高苛刻度延遲焦化裝置摻煉油漿的效果，對裝置改造前后的運行數據進行了統計分析。為提高對比數據的代表性，統計數據均采用月度平均值，對比工況加工的減壓渣油和催化裂化油漿來自相同的上游裝置，原料性質相近，焦化爐出口溫度、裝置循環比和焦炭塔壓力相同。

4.1 爐管壁溫

焦化爐管壁溫度是監測爐管結焦狀況的主要依據，管壁熱偶溫升速率能反映爐管的結焦速率。為了全面監測關鍵爐管結焦情況，從焦化爐出口起向內第8根爐管上設置了10支壁溫熱電偶。采用有效管壁熱電偶測量結果的平均值作為監測指標，以盡量消除負荷波動、火焰飄散、熱電偶誤差等因素的干擾，統計了改造前后一個清焦周期內的爐管壁溫變化情況，結果如圖1所示。由圖1可見，因改造后爐管平均熱強度和爐膛溫度降低，爐管壁溫的總體溫升趨勢較改造前有所緩解，表明焦化爐高轉化率條件下，爐管結焦速率可得到有效控制，未出現升溫速率加快的情況。

圖1 改造前后的爐管壁溫變化情況

為了考察裝置產品分布變化情況，統計了原料性質相近情況下改造前后1個月的產品分布數據，對比結果如表4所示。由表4可見，改造后焦化爐出口轉化率由8%提高至12%，裝置石油焦收率降低了1.1百分點，干氣產率增加了0.4百分點，液化氣和汽油收率均增加了0.2百分點，重蠟油收率增加了0.3百分點，柴油和輕蠟油收率變化較小。這是因為在生焦反應后期，裂化反應以短側鏈的斷鍵為主，因此產生的主要是小分子組分。

表4 改造前后的裝置產品分布

4.2 產品質量

石油焦的揮發分含量是反映延遲焦化裝置原料“吃干榨盡”程度的重要指標。在相同原料條件下，石油焦的揮發分含量越低，代表原料的熱轉化程度越高，通常石油焦中的氫含量也隨之降低。統計對比了改造前后1個月的石油焦性質數據，結果列于表5。由表5可見，改造后石油焦揮發分質量分數較改造前降低2.1百分點，表明原料的熱轉化程度有所提高，高苛刻度條件有利于油漿的深度轉化。

表5 改造前后的石油焦性質

5 結 論

針對延遲焦化裝置摻煉催化裂化油漿時油漿轉化率低，容易在裝置間“跑龍套”的問題，采用重油微型反應裝置，研究了催化裂化油漿的熱反應特性。在工業延遲焦化裝置上進行了高苛刻度摻煉催化裂化油漿的工業實踐。

(1)盡管催化裂化油漿的殘炭低于減壓渣油，但在相同反應條件下，油漿的焦炭產率和氣體產率均高于減壓渣油，純油漿在500 ℃、2 h反應條件下焦炭產率高達36.63%。反應時間由2 h延長到4 h后，減壓渣油的產品分布變化很小，而催化裂化油漿的焦炭產率降低了3.07百分點，表明催化裂化油漿熱反應需要更多的熱量和更高的反應苛刻度。

(2)焦化爐高苛刻度改造后，爐管壁溫的總體溫升趨勢較改造前有所緩解，爐管結焦速率得到了有效控制。改造后焦化爐出口轉化率由8%提高至12%，裝置石油焦收率降低了1.1百分點，干氣產率增加了0.4百分點，液化氣和汽油收率均增加了0.2百分點，在生焦反應后期，產生的主要是小分子組分。

(3)焦化爐高轉化率條件下，石油焦揮發分質量分數較改造前降低2.1百分點，表明原料的熱轉化程度提高，高苛刻度條件有利于油漿的深度轉化。