加氫輕柴油作乙烯原料應(yīng)用評價(jià)研究

潘 宇，高大坤，孫寶園，趙勝博，劉學(xué)龍，韓小平

(1.中國石油吉林石化公司 研究院，吉林 吉林 132021；2.中國石油吉林石化公司 煉油廠，吉林 吉林 132022；3.吉林市毓文中學(xué)，吉林 132012)

新能源及再生資源發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，電動汽車快速發(fā)展對成品油市場帶來的沖擊日益顯著，汽油消費(fèi)量增幅放緩，解決煉油能力結(jié)構(gòu)性過剩的方法就是將過剩的煉油能力部分轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)低碳烯烴等化學(xué)品的產(chǎn)能[1]。2021年，世界范圍內(nèi)的新冠疫情沒有阻擋住乙烯產(chǎn)能的快速增長，僅中國產(chǎn)能就達(dá)到2826萬噸，世界乙烯總產(chǎn)能突破2億噸[2]。丙烯則是規(guī)模僅次于乙烯的最重要的基本有機(jī)原料之一,而蒸氣裂解生產(chǎn)的丙烯占總產(chǎn)量的比例為61%[3]。

乙烯裝置作為石油化工行業(yè)的龍頭，其作用非常大，乙烯產(chǎn)能標(biāo)志一個(gè)國家的石化行業(yè)水平，乙烯裝置產(chǎn)品種類多，包括聚乙烯、聚丙烯及芳烴等20多種產(chǎn)品[4-6]，均為國民生活必需品。乙烯裝置加工的原料常規(guī)的包括有石腦油、芳烴抽余油、拔頭油等多種輕質(zhì)原料。隨著我國乙烯生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量的迅猛增長，小規(guī)模的乙烯裝置逐漸被淘汰，逐漸向大規(guī)模方向發(fā)展，優(yōu)質(zhì)的乙烯裂解原料短缺問題逐漸顯現(xiàn)，通過構(gòu)建煉化一體化和外購原料，在一定程度上緩解了乙烯原料的供求矛盾，但乙烯原料供應(yīng)方面依舊存在巨大缺口[7-11]。輕柴油，密度相對較輕的一類柴油。通常指180～370 ℃餾分。一般由天然石油的直餾柴油與二次加工柴油摻合而得。有時(shí)也摻入一部分裂化產(chǎn)物。與重柴油相比，質(zhì)量要求較嚴(yán)，十六烷值較高，粘度較小，凝固點(diǎn)和含硫量較低。作者進(jìn)對加氫前后輕柴油裂解性能進(jìn)行了評價(jià)，同時(shí)與石腦油作為裂解原料、與輕柴油調(diào)入到汽油等經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對比研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料與儀器

輕柴油：煉油廠；高純度氫氣：純度99.99%，吉林市云雀公司；Pd/Al2O3催化劑：天津大學(xué)。

DMA密度測量儀：奧地利安東帕有限公司；自動餾程測定儀：DRD-100，大連石油儀器有限公司；氣相色譜儀：Agilent-7890，安捷倫有限公司。

1.2 輕柴油加氫實(shí)驗(yàn)評價(jià)

加氫反應(yīng)在固定床反應(yīng)器中進(jìn)行，原料經(jīng)計(jì)量泵計(jì)量后，通過柱塞泵升至反應(yīng)壓力，與氫氣混合后進(jìn)入反應(yīng)器，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)冷卻后進(jìn)入氣液分離器進(jìn)行分離，液體進(jìn)入產(chǎn)物收集罐，取樣分析產(chǎn)物組成。

1.3 輕柴油蒸汽裂解實(shí)驗(yàn)評價(jià)

本乙烯蒸汽模擬評價(jià)裝置采用北京拓川科技設(shè)備股份有限公司研制技術(shù)，主要包括計(jì)量系統(tǒng)、進(jìn)料系統(tǒng)、裂解爐加熱及反應(yīng)系統(tǒng)、產(chǎn)物冷凝及收集系統(tǒng)等8部分組成。主要設(shè)定模擬裂解爐裝置反應(yīng)器出口溫度、向汽化爐內(nèi)注入稀釋水和原料油進(jìn)料速率，通過開關(guān)將來實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)正路與旁路系統(tǒng)的切換，收集系統(tǒng)中冷卻下來的裂解油品及冷凝水，進(jìn)行油、水分離，進(jìn)行收集稱量，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄，蒸汽裂解模擬評價(jià)裝置見圖1。

圖1 蒸汽裂解模擬評價(jià)試驗(yàn)裝置

2 結(jié)果與討論

2.1 輕柴油加氫前后組成評價(jià)研究

在固定床中加入天津大學(xué)研制的加氫催化劑(Pd/Al2O3)，催化劑裝填量50 mL。輕柴油在反應(yīng)入口溫度50 ℃，反應(yīng)壓力2.5 MPa，液體體積空速0.4 h-1，氫油體積比100∶1，加氫評價(jià)條件及評價(jià)結(jié)果見表1。

表1 輕柴油加氫前/后組成分析結(jié)果

對加氫后輕柴油進(jìn)行了族組成分析。加氫前后族組成變化見表2。

由表2可知，通過對輕柴油進(jìn)行加氫反應(yīng)處理，鏈烷烴含量由59.22%增加到65.66%，增加6.44個(gè)百分點(diǎn)，烯烴含量由23.45%減少到9.16%。

表2 輕柴油加氫前/后PONA組成分析結(jié)果

2.2 輕柴油加氫前后裂解性能研究

在蒸汽模擬裂解評價(jià)裝置上進(jìn)行加氫前后輕柴油裂解性能評價(jià)，實(shí)驗(yàn)方案為系統(tǒng)壓力0.085 MPa，停留時(shí)間0.205 s，進(jìn)料的水油質(zhì)量比為0.5，依據(jù)工廠實(shí)際運(yùn)行溫度838 ℃條件下進(jìn)行裂解評價(jià)實(shí)驗(yàn)，主要裂解產(chǎn)物分布及結(jié)果見圖2。

圖2 輕柴油加氫前后裂解產(chǎn)物對比圖

由圖2可知，輕柴油通過加氫反應(yīng)處理后裂解性能變好，主要的裂解產(chǎn)物雙烯及三烯收率分別提高2.6個(gè)百分點(diǎn)和2.92個(gè)百分點(diǎn)，說明通過加氫反應(yīng)后的輕柴油更適合作乙烯裂解原料。

2.3 加氫輕柴油作乙烯原料評價(jià)研究

對加氫輕柴油進(jìn)行了最佳裂解條件的探索，主要考察包括裂解溫度(828、838、848、858 ℃)、水油比(質(zhì)量比)為0.45-0.6區(qū)間內(nèi)，裂解主要產(chǎn)物的變化情況，主要的裂解產(chǎn)物甲烷、乙烯、丙烯等分布情況見表3。

表3 主要裂解產(chǎn)物及收率

由表3可知，加氫后輕柴油，隨著裂解溫度升高，雙烯收率變化較大，在溫度保持不變的情況下，水油比為0.6時(shí)，雙烯及三烯收率達(dá)到最大值，只改變水油比時(shí)，由0.5到0.6，烯烴收率變化不明顯，考慮實(shí)際裝置的能耗問題，最佳的水油比定為0.5。在水油比為0.5條件下，將裂解溫度升高至848 ℃裂解時(shí)，主要產(chǎn)物中雙烯及三烯收率高于其它三個(gè)裂解溫度點(diǎn)。因此，加氫后烴重組化工輕油適宜的裂解溫度是848 ℃。

2.4 加氫輕柴油作乙烯原料經(jīng)濟(jì)性評價(jià)研究

為考察加氫輕柴油作乙烯原料經(jīng)濟(jì)效益，通過與輕柴油調(diào)入汽油中的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行對比分析，與外部采購石腦油作乙烯原料進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益對比，計(jì)算經(jīng)濟(jì)效益過程中充分考慮了循環(huán)乙烷、丙烷等裂解及輕柴油的加氫成本影響因素。通過現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)性評價(jià)計(jì)算模型，結(jié)合當(dāng)前主要產(chǎn)品乙烯、丙烯等市場價(jià)格走勢，對加氫輕柴油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了評價(jià)。

外部采購的石腦油成本約為2840元/噸，效益約為925.3元/噸，汽油價(jià)格約為3255元/噸，調(diào)入汽油中的效益約為183.1元/噸，以輕柴油加氫成本為130元/噸計(jì)算，加氫輕柴油作乙烯原料效益約為716.4元/噸。相比于將輕柴油調(diào)入汽油中，加氫輕柴油作乙烯原料可增加效益533.3元/噸。

3 結(jié) 論

通過對輕柴油加氫反應(yīng)處理，原料的組成上發(fā)生明顯變化，加氫后輕柴油更適合作乙烯原料。在裂解溫度為848 ℃，水油質(zhì)量比為0.5時(shí)，加氫輕柴油的裂解主要產(chǎn)物中雙烯和三烯收率分別可以達(dá)到42.27%和48.92%，均優(yōu)于其他裂解條件。加氫輕柴油做乙烯裂解原料能有效緩解乙烯原料短缺問題，增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。