煉油廠低硫重質船用燃料油典型生產(chǎn)方案研究

史曉迪，于 博，李 妍

(中石化石油化工科學研究院有限公司，北京 100083)

隨著航運業(yè)的快速發(fā)展,船舶排放的硫氧化物已成為大氣污染的重要來源之一。為控制船舶排放污染,根據(jù)國際海事組織(IMO)制定的《國際防止船舶造成污染公約》規(guī)定,2020年1月1日起,全球低硫重質船用燃料油(簡稱低硫船用燃料油)的硫質量分數(shù)不得高于0.5%[1-3],與原標準規(guī)定的船用燃料油硫質量分數(shù)不高于3.5%相比下降86%,將給全球船用燃料油市場帶來巨大變革[4]。為滿足船用燃料油的最新限硫標準,目前共有3種主流的應對措施[5],包括升級使用低硫船用燃料油、安裝脫硫洗滌裝置及加裝液化天然氣驅動系統(tǒng),其中使用低硫船用燃料油相比于其他解決方案更具經(jīng)濟性和可實施性。對船東來說,加注低硫船用燃料油必然造成運輸成本的上漲,除此之外,燃油品質的穩(wěn)定性及其供應穩(wěn)定等問題,也是在低硫船用燃料油新政下不可忽視的問題。因此,有針對性地結合煉油企業(yè)的實際情況,開展生產(chǎn)低硫船用燃料油總流程方案研究,探索低硫船用燃料油的低成本生產(chǎn)路線是非常有必要的。

國內煉油能力5.0 Mt/a以下的小型煉油廠通常加工流程較短、路線單一、總流程可調節(jié)空間較小、產(chǎn)品競爭力較差,有轉型發(fā)展的需求,但短流程路線對于低硫船用燃料油的生產(chǎn)具有先天優(yōu)勢,所以小型煉油廠可以將低硫船用燃料油生產(chǎn)作為煉油產(chǎn)品結構調整的重要方向。我國煉油產(chǎn)能已結構性過剩,具備實現(xiàn)低硫船用燃料油規(guī)模化生產(chǎn)的基礎。但在當前國內成品油定價機制和稅收政策下,國內主營煉油廠及地方煉油廠在生產(chǎn)中普遍存在“吃干榨凈”的現(xiàn)象,研究具有競爭力的低硫船用燃料油生產(chǎn)方案并在實際生產(chǎn)中落地實施,能夠有效地幫助企業(yè)釋放船用燃料油產(chǎn)能。以下針對小型煉油廠,從總流程、調合組分優(yōu)化等方面進行生產(chǎn)方案研究,并進行生產(chǎn)成本和經(jīng)濟效益的測算,以期為企業(yè)低硫船用燃料油的生產(chǎn)提供指導。

1 煉油廠流程分析

國內典型的小型煉油廠重油加工路線通常采用焦化脫碳路線,減壓渣油進延遲焦化裝置(簡稱焦化裝置)加工,焦化蠟油及減壓蠟油進催化裂化裝置加工。在目前主要生產(chǎn)國Ⅵ汽油和國Ⅵ柴油的工況下,通常存在汽油、柴油調合困難的問題,尤其是催化裂化柴油(催化柴油),由于十六烷值較低,已成為企業(yè)難以處理的中間物料,不利于煉油廠柴油池產(chǎn)品調合。而考慮將催化柴油作為低硫船用燃料油原料調合出廠,則屬于經(jīng)濟性較好的措施。催化柴油硫含量較低且在50 ℃下黏度很低,因此可以靈活調變其加氫深度和調合比例以達到降低低硫船用燃料油產(chǎn)品硫含量和黏度的目的[6]。

目前主流的船用燃料油調合方式包括:①以渣油加氫尾油為主要調合組分;②以常壓渣油為主要調合組分;③以減壓渣油+催化柴油為主要調合組分;④以減壓渣油+催化柴油+脫固油漿為主要調合組分。針對重油加工路線采用焦化脫碳路線的小型煉油廠,考慮對煉油廠催化柴油的綜合利用,在生產(chǎn)低硫船用燃料油時,計劃停運焦化裝置,并選用硫含量較低的原油,利用減壓渣油與催化柴油加氫產(chǎn)物(簡稱加氫催化柴油)調合生產(chǎn)低硫船用燃料油。與采用渣油加氫尾油為主要調合組分的方式相比[7],以減壓渣油生產(chǎn)低硫船用燃料油的方案具有流程更短、成本更低的優(yōu)勢。煉油廠停開焦化裝置后,催化裂化油漿(簡稱催化油漿)作為煉油廠的低附加值產(chǎn)品,由于其中催化裂化催化劑的量較高,需要通過油漿脫固裝置,先過濾脫除其中的催化劑顆粒物,使(硅+鋁)質量分數(shù)控制在100 μg/g 以下,才可作為船用燃料油調合組分,以降低低硫船用燃料油生產(chǎn)成本[8-12]。

2 調合配方研究

根據(jù)總流程優(yōu)化思路,考慮采用低硫減壓渣油與低硫柴油或其他低成本組分調合的方案生產(chǎn)低硫船用燃料油RMG380或RMG180。由低硫船用燃料油產(chǎn)品的硫含量等關鍵質量指標反推,從國內煉油廠普遍加工的原油中,初選出3種硫含量較低的原油(分別為帕茲夫羅、盧拉與朱比利原油)進行減壓渣油調合生產(chǎn)船用燃料油試驗研究。3種低硫原油的主要性質見表1。將帕茲弗洛原油的減壓渣油命名為1號減壓渣油,盧拉原油的減壓渣油命名為2號減壓渣油,朱比利原油的減壓渣油命名為3號減壓渣油,測試此3種低硫減壓渣油的主要性質,并與RMG180和RMG380船用燃料油指標進行比較,結果見表2。

表1 3種低硫原油的主要性質

表2 3種低硫減壓渣油的主要性質及與RMG180和RMG380船用燃料油指標的比較

1)樣品流動性太差,無法在該測試溫度下測得黏度。

2)燃料油應不含ULO。符合下列條件之一,認為燃料油含有ULO:w(鈣)>30 μg/g且w(鋅)>15 μg/g;w(鈣)>30 μg/g且w(磷)>15 μg/g。以下同。

由表2可知,3種減壓渣油的硫含量均超出了船用燃料油產(chǎn)品標準中硫質量分數(shù)不大于0.5%的指標限制,且存在傾點、殘?zhí)砍瑯说膯栴},需要將硫質量分數(shù)明顯低于0.5%的柴油組分或其他低硫組分與之調合,方可得到滿足RMG180或RMG380指標要求的船用燃料油。從表1和表2還可以看出,雖然朱比利原油的硫含量在3種原油中最低,但其減壓渣油餾分的硫含量不是最低,因為該原油的減壓渣油與原油之間的硫傳遞系數(shù)較高。所以在煉油廠進行船用燃料油生產(chǎn)過程中,并不能一味地選擇硫含量低的原油,還需考慮原油與減壓渣油之間的硫傳遞系數(shù)。

為考察低硫減壓渣油與低硫柴油的調合規(guī)律,選擇煉油廠的低硫柴油與3種低硫減壓渣油進行調合試驗,并對該煉油廠低硫船用燃料油的可行配方進行設計和篩選。低硫柴油的主要性質見表3。

表3 低硫柴油的主要性質

2.1 減壓渣油與低硫柴油調合

首先考察了初選的3種低硫減壓渣油與質量比例為25%～50%的低硫柴油調合所得混合餾分的主要性質,結果分別見表4～表6。

表4 1號減壓渣油與低硫柴油調合所得混合餾分的主要性質

由表4～表6可知,低硫減壓渣油與低硫柴油調合時,隨著低硫柴油調合比例增加,混合餾分的密度、黏度、硫含量及殘?zhí)康戎笜酥饾u下降,其中,混合餾分黏度隨著低硫柴油比例的增加而變化得最為顯著,是調合過程中需要重點關注的指標。

對于1號減壓渣油,由于其黏度和硫含量均較高,調合過程中需要同時關注黏度和硫含量兩項質量指標。由表4可知:當?shù)土虿裼图尤氡壤?w)為40%時,調合出的黏度指標滿足RMG180船用燃料油要求,但硫含量超標;當?shù)土虿裼图尤氡壤?w)為45%時,調合出的硫含量指標滿足RMG180船用燃料油要求,但黏度又偏低。因此,1號減壓渣油不能直接與柴油調合出各項指標均達標的低硫船用燃料油產(chǎn)品。

由表5可知,與1號減壓渣油相比,2號減壓渣油與低硫柴油調合過程中,隨著低硫柴油比例的增加,混合餾分的黏度和傾點降幅較小,需要調入較多的低硫柴油才能獲得各項質量指標均達標的低硫船用燃料油產(chǎn)品。當?shù)土虿裼图尤氡壤?w)為45%時,調合出的黏度指標滿足RMG380船用燃料油要求,但鈣含量超標;當?shù)土虿裼图尤氡壤?w)為50%時,調合出的黏度指標滿足RMG180船用燃料油要求,但鈣含量仍然超標。因此,若對生產(chǎn)該減壓渣油的原油進行脫鹽脫水處理,解決2號減壓渣油鈣含量較高的問題,則可利用2號減壓渣油與低硫柴油按照上述比例進行調合生產(chǎn)合格的RMG380或RMG180船用燃料油。

表5 2號減壓渣油與低硫柴油調合所得混合餾分的主要性質

對于3號減壓渣油,因其黏度和傾點均較低,適合與較少的低硫柴油調合。從表6可以看出,當?shù)土虿裼图尤氡壤?w)為25%～35%時,可以調合出除硫含量以外其他質量指標均達標的混合餾分。考慮到硫含量超標問題,3號減壓渣油不能直接與低硫柴油調合出各項指標均達標的低硫船用燃料油產(chǎn)品。

表6 3號減壓渣油與低硫柴油調合所得混合餾分的主要性質

與1號減壓渣油和2號減壓渣油相比,3號減壓渣油與原油之間具有更高的硫傳遞系數(shù),但其黏度較低,在3種減壓渣油硫含量相近的情況下,3號減壓渣油與低硫柴油調合過程中,隨著低硫柴油調合比例增加,黏度(50 ℃)迅速降低至100 mm2/s以下但硫含量依然超標,所以黏度較低的3號減壓渣油不適宜與低硫柴油調合生產(chǎn)低硫船用燃料油。

綜上所述,船用燃料油調合過程中重點需要考慮的性質指標是硫含量和黏度,低硫柴油的調入一方面降低硫含量,一方面降低黏度,若以單一減壓渣油與低硫柴油調合,選擇2號減壓渣油作為主要調合組分更有望獲得合格的低硫船用燃料油。同時,因3種減壓渣油的硫含量和黏度調合規(guī)律不同,還可以考慮利用混合減壓渣油調合低硫船用燃料油以進一步提高產(chǎn)品質量并降低成本。

2.2 混合減壓渣油與低硫柴油調合

綜合減壓渣油性質、關鍵質量指標的調合規(guī)律以及減壓渣油收率等因素,以1號減壓渣油和2號減壓渣油按不同比例調合獲得了3種混合減壓渣油(MVR),進一步考察混合減壓渣油與低硫柴油的調合規(guī)律,并設計和篩選合格的低硫船用燃料油配方。將1號減壓渣油與2號減壓渣油按照質量比1.9∶1混合得到的混合減壓渣油命名為MVR1;將1號減壓渣油與2號減壓渣油按照質量比1.4∶1混合得到的混合減壓渣油命名為MVR2;將1號減壓渣油與2號減壓渣油按照質量比2.4∶1混合得到的混合減壓渣油命名為MVR3。考察了3種混合減壓渣油與質量比例為38%～45%的低硫柴油調合所得混合餾分的主要性質,結果分別見表7～表9。

表7 MVR1與低硫柴油調合所得混合餾分的主要性質

表8 MVR2與低硫柴油調合所得混合餾分的主要性質

表9 MVR3與低硫柴油調合所得混合餾分的主要性質

由表7～表9可知,1號減壓渣油與2號減壓渣油按照質量比(1.4∶1)～(2.4∶1)混合后再與質量比例38%～45%的低硫柴油調合,可獲得主要質量指標均達標的RMG380或RMG180船用燃料油。在實際生產(chǎn)中,可以根據(jù)原油價格、盧拉原油的脫鹽效果以及不同牌號船用燃料油產(chǎn)品的生產(chǎn)計劃量等因素選擇調合方案。與單一減壓渣油的調合方案相比,混合減壓渣油方案更靈活、可操作性更強。

2.3 脫固油漿作為調合組分

為了進一步降低低硫船用燃料油生產(chǎn)成本,且對煉油廠副產(chǎn)的催化裂化油漿(簡稱油漿)進行高價值利用,選擇混合減壓渣油MVR1,MVR2,MVR3,分別調入質量比例為45%的低硫柴油得到混合餾分(分別命名為PL1,PL2,PL3),再分別調入質量比例為15%～25%的脫固油漿,考察混合減壓渣油、低硫柴油與脫固油漿的調合規(guī)律,并設計和篩選合格的低硫船用燃料油配方。調入脫固油漿后所得混合餾分的主要性質見表10～表12。

表10 以PL1調入脫固油漿所得混合餾分的主要性質

表11 以PL2調入脫固油漿所得混合餾分的主要性質

表12 以PL3調入脫固油漿所得混合餾分的主要性質

由表10～表12可知:調入脫固油漿能夠增加樣品的黏度;當調入油漿質量比例低于23%時,調合出的混合餾分主要質量指標均滿足RMG380或RMG180船用燃料油的要求;當調入油漿質量比例為25%時,調合出的混合餾分主要質量指標基本滿足RMG380船用燃料油的要求,但密度超標。在實際生產(chǎn)中,適當調入一定比例的脫固油漿,能夠緩解柴油調入后產(chǎn)品黏度與硫含量的矛盾,進一步降低船用燃料油生產(chǎn)成本,實際生產(chǎn)過程中,可以根據(jù)油漿產(chǎn)量適當調整調入量。

綜上所述,基于國內可采購的原油資源,選擇帕茲夫羅原油及盧拉原油作為船用燃料油生產(chǎn)的主力油種,調合方案考慮采用“混合減壓渣油+低硫柴油”以及“混合減壓渣油+低硫柴油+脫固油漿”。

3 總流程方案研究

設計一個原油加工能力為5.0 Mt/a的煉油廠,進行總流程方案研究,考察低硫船用燃料油生產(chǎn)方案的經(jīng)濟性[13-16]。

3.1 方案設計

方案1為基礎方案:常減壓蒸餾裝置加工量為5.0 Mt/a,減壓渣油進延遲焦化裝置加工,焦化蠟油及減壓蠟油進催化裂化裝置加工。混合原油硫質量分數(shù)為0.48%,API重度為27.27,酸值為0.83 mgKOH/g。

方案2為:5.0 Mt/a常減壓蒸餾裝置減壓渣油+加氫柴油,生產(chǎn)RMG180船用燃料油。方案2在方案1的基礎上,焦化裝置停運,減壓渣油與加氫柴油調合生產(chǎn)RMG180。由于方案1的混合原油硫質量分數(shù)為0.48%,減壓渣油的硫質量分數(shù)為0.88%,無法與加氫柴油調合生產(chǎn)低硫船用燃料油,因此需要在考察可獲得的原油資源總量情況下,對生產(chǎn)低硫船用燃料油的原油結構進行優(yōu)化。根據(jù)第2節(jié)試驗研究結果,選擇帕茲夫羅原油及盧拉原油作為主力油種生產(chǎn)低硫船用燃料油產(chǎn)品。混合原油硫質量分數(shù)為0.36%,API重度為27.25,酸值為1.09 mgKOH/g。利用加氫柴油與直餾減壓渣油調合生產(chǎn)RMG180船用燃料油。

方案3為:5.0 Mt/a常減壓蒸餾裝置減壓渣油+加氫柴油+脫固油漿,生產(chǎn)RMG380船用燃料油。方案3與方案2采用相同原油結構。考慮將低附加值油漿作為船用燃料油調合組分,需對油漿進行脫固處理,故在方案2的基礎上,新建0.1 Mt/a油漿脫固裝置,油漿經(jīng)脫固處理后與減壓渣油、加氫柴油一起調合生產(chǎn)RMG380,考察脫固油漿加入對船用燃料油生產(chǎn)成本的影響。

3.2 方案測算結果

3種方案下全廠物料平衡數(shù)據(jù)如表13所示,其中方案2和方案3為生產(chǎn)船用燃料油工況,為保證對比基準一致,采用相同的原油結構,總加工量均為5.0 Mt/a。方案2生產(chǎn)RMG180低硫船用燃料油,方案3生產(chǎn)RMG380低硫船用燃料油,生產(chǎn)船用燃料油工況下均不再生產(chǎn)石油焦,由于牌號和配方的差別,各方案的柴油產(chǎn)量有所區(qū)別。

表13 全廠物料平衡數(shù)據(jù)

方案2和方案3的船用燃料油調合結果見表14～表15。根據(jù)前期的配方研究,重點需要考慮的性質指標是硫含量和黏度,RMG180的黏度指標上限為180 mm2/s,同時以100 mm2/s作為指標內控下限,而這兩個指標隨著加氫柴油作為稀釋油的加入互相制約,即加氫柴油一方面降低硫含量,一方面降低黏度,因此對原油硫含量和原油的減壓渣油黏度都有一定的要求,而適當調入一定比例的脫固油漿,能夠緩解柴油調入后產(chǎn)品黏度與硫含量的矛盾,從本次測算中選擇的原油和配方調合結果來看,調合配方存在適度的靈活性。

表14 方案2船用燃料油調合結果

表15 方案3船用燃料油調合結果

3.3 效益測算

方案測算采用價格體系為國內過去3年(2020—2022年)的原油平均價格,RMG180/RMG380船用燃料油價格均按出口柴油價格減去50美元/t計算,測算結果如表16所示。

表16 調合方案的利潤對比 元/t

1)以方案1的利潤為基準計算。

從表16可以看出,低硫船用燃料油在免除消費稅和增值稅的前提下,價格具有一定的競爭力,且隨著配方的調整有所不同。由于低硫船用燃料油是方案2和方案3的主要產(chǎn)品,總體來說,船用燃料油調合組分中餾分油摻入越少、油漿摻入越多,成本越低,效益越好。

4 結 論

與不生產(chǎn)低硫船用燃料油工況的方案1相比,生產(chǎn)低硫船用燃料油方案在產(chǎn)品結構調整上均有明顯改善。低硫船用燃料油生產(chǎn)方案中以帕茲夫羅、盧拉原油作為主力油種,兼顧了原油資源量和原油性質,調合配方已通過試驗驗證,可生產(chǎn)合格的低硫船用燃料油產(chǎn)品。同時,在方案3中需要新建油漿脫固裝置,可以進一步降低生產(chǎn)成本,對全廠產(chǎn)品結構調整效果最為明顯,在多重作用下,企業(yè)生產(chǎn)燃料油的總效益和噸油效益均得到明顯提升。

針對國內典型小型煉油廠的流程特點,通過合理的原料結構配置和調合配方優(yōu)化,通過技術經(jīng)濟性評價,比選出低成本生產(chǎn)低硫船用燃料油的技術路線。該研究不僅能夠幫助小型煉油廠優(yōu)化低硫船用燃料油生產(chǎn)方案,在區(qū)域競爭中掌握先機,同時為生產(chǎn)低硫船用燃料油的煉油廠設計具有經(jīng)濟競爭力的加工方案提供參考依據(jù)。