我國煉廠重油深加工技術進展

作為主要的原油出口國，中國的原油生產將不可避免地增加。在高油價和技術進步的共同推動下,未來原油資源供應中重油和超重油的供應比例將增長,中質原油的供應比例將持續下降,這種趨勢在我國已經顯現。我國原油供應將日趨多元化和劣質化,這要求我國的煉廠,特別是沿海地區煉廠發展靈活和適應能力強的重油深加工流程。一、現有重油加工技術1.提高渣油含量和其減壓塔使用要求減壓深拔技術可提高蠟油收率,增產催化裂化和加氫裂化原料,壓縮渣油產率或熱加工比例,因而可以提高生產效益。例如,對伊朗重油和沙特中質油等,通過減壓深拔技術可直接生產合格的重交瀝青。國外已將減渣切割溫度設在565℃,有的設在620℃以上。國內減渣切割溫度多數低于550℃。以大慶油為例,減渣切割溫度由500℃提高至575℃,渣油收率可下降18個百分點。要提高減壓拔出率,應首先提高常壓拔出率。減壓塔使用填料是減壓深拔的重要措施,典型的填料如:Koch-Glish的Gempak、Sulzer的Mellapak、Mellapakplus。新填料比常規填料可提高20%～30%的處理量。為提高減壓拔出率,還應采取如下措施:1)減壓爐爐管分段擴徑;2)控制減壓塔底溫度,減少裂解氣生成;3)改善減壓閃蒸段分離效果,減少霧沫夾帶;4)改善清洗段,保證深拔瓦斯油的質量等。漸次蒸餾(ProgressiveDistillation)是原ELF和TECHNIP共同開發的節能常減壓蒸餾技術,不僅適用于新裝置建設,更適合于老裝置改造。德國的Leuna煉廠1000萬噸/年常減壓蒸餾選用了該技術,減渣切割溫度達585℃,而能耗比常規蒸餾低約30%。2.原油加工和熱裂化工藝組合減粘裂化和熱裂化技術已發展成應用甚廣的工藝。SHELL/LUMMUS的塔式減粘和UOP/FW的加熱爐式減粘均可增設減壓塔或減壓閃蒸罐,增產減壓蠟油,提高餾分油收率。除了減渣,減粘裂化可以處理更重也更粘稠的脫油瀝青。減粘裂化可與多種重油深加工工藝組成聯合工藝:1)加工輕質原油的煉廠,減壓深拔+減粘裂化是投資省、效益較好的深加工路線;2)減粘裂化可為氣化裝置提供原料;3)減粘裂化+溶劑脫瀝青或溶劑脫瀝青+減粘裂化可為催化裂化和加氫處理提供更多原料;4)減粘裂化可用來生產重交瀝青組分,擴大生產重交瀝青的原油資源。此外,減粘裂化還可以組成多種工藝組合。減粘裂化和熱裂化已發展為多種特色工藝。Toyo工程公司等合作開發的HCSC(HighConversionSoakerCracking)工藝,渣油轉化率可達55%,同溶劑脫瀝青結合,殘渣的氫含量已降至很低水平,接近于焦炭,稱為“液焦”,液焦收率可低至原料殘炭水平之下。在塔式減粘的基礎上,SHELL開發了深度熱轉化工藝(STGP,ShellThermalGasoilProcess),該工藝設減壓閃蒸塔,可增產蠟油;殘渣可為氣化提供原料,用于發電、制氫及生產其他化學品。3.折流板及重溶劑溶劑脫瀝青技術的進步主要表現在:1)改進塔內件,使用規整填料。例如,KBR的ROSE工藝使用ROSEMAX,UOP的DEMEX工藝使用平行折流板。2)使用重溶劑,C4乃至C5。溶劑脫瀝青可以同其他工藝組成聯合工藝:1)與焦化組成聯合工藝,增產催化裂化和加氫裂化原料,瀝青則供焦化加工;2)同渣油加氫、氣化組成聯合工藝,脫瀝青油供加氫處理,瀝青供氣化制氫。BP將溶劑脫瀝青用于LC-Fining未轉化油的處理,脫瀝青油供催化裂化加工,瀝青供焦化加工。KBR和DEVCO合作開發了Aquaform瀝青造粒工藝,瀝青顆粒的直徑分布很窄,約為1～3毫米。FW開發的循環流化床鍋爐可以燃用瀝青。4.其他化工原料催化裂化技術的改進主要在以下方面:1)使用高效霧化噴嘴。2)改進快分,例如UOP的VSS和VDS等。3)提升管溫度控制,例如MTC技術等。4)發展原料預處理和產品后處理,生產清潔燃料和清潔生產。5)增產丙烯等化工原料。例如,UOP/ATOFINA的OCP(OlefinCrackingProcess)、Lurgi的Propylur工藝,可以催化裂解C4～C8烯烴,增產丙烯,與蒸汽裂解組成混合式裂解裝置。催化裂化家族技術必然生成低附加值的雙、多環芳烴,UOP的LCOUnicracking可以有選擇性地將其轉化為附加值高的單環芳烴。新工藝的不斷涌現,正以催化裂化為核心形成一個生產化學品的新系統。6)改進催化劑,提高渣油轉化率,改善焦炭和干氣的選擇性,提高抗V、Ni能力,增產丙烯,增加脫硫和降烯烴等功能。7)降低污染物排放,減少煙氣處理。8)改進設備,提高效率。例如汽提段使用格柵或填料,主分餾塔使用填料等。5.延遲焦化技術延遲焦化技術的進步主要表現在:1)改進加熱爐,例如雙面輻射、多點注汽、在線清焦等。2)焦炭塔大型化,直徑達8.8米的焦炭塔已很常見。由Bechtel承包,Sweeny煉廠采用Conoco技術建設的延遲焦化,塔徑達9米,重達476噸。3)優化操作,提高液收,改善焦炭質量。例如低壓和低循環比操作;摻煉催化裂化澄清油,抑制爐管結焦和彈丸焦生成。Conoco改重焦化蠟油為中間餾分油(315～425℃)循環,焦炭收率可下降7%～9%;4)縮短焦炭塔操作周期,周期由過去的24小時縮至16～18小時,乃至12～14小時。5)提高自動化水平,卸、上蓋全自動等。6)減少污染,焦炭輸送系統全密閉,改進冷焦水和出焦水系統,減少污水量。6.流化焦化技術流化焦化技術于上世紀50年代工業化,其焦炭產率約為殘炭的1.2倍(延遲焦化則約為1.5倍)。因煙氣需洗滌,焦粉硬且揮發份低而難以處理,該工藝的發展曾陷入停滯狀態。同延遲焦化技術相比,流化焦化是連續操作,易于大型化,且能處理延遲焦化難以處理的劣質原料。循環流化床鍋爐和水泥窯燃用焦粉技術的開發,特別是流化焦化自身的完善,提高了液收,延長了開工周期,提高了該工藝的競爭力。在流化焦化技術基礎上開發的靈活焦化技術,把部分劣質焦轉化為低熱值燃料氣,可降低全廠的燃料成本。新的研究結果顯示,在不能生產優質焦炭時,流化焦化至少與延遲焦化具有同等競爭力;因焦炭呈粉狀,也比延遲焦化更易于同循環流化床鍋爐結合。7.重油催化裂化工藝渣油加氫主要有固定床、沸騰床和漿液床等三種技術,在已商業運行的裝置中,固定床加氫占總能力的85%以上。固定床加氫的熱點是為重油催化裂化生產原料。該工藝可將重金屬含量小于150微克/克、殘炭含量小于15%的劣質原料轉化為重油催化裂化的進料。改進催化劑仍是該工藝發展的重點,目的是加工更為劣質的渣油。增加大孔、提高孔隙率,可以提高重金屬和焦炭容量,延長開工周期,但同時也導致催化劑活性和機械強度下降,這是必須處理好但又不易處理的一對矛盾,也說明該工藝的改進存在極限。固定床加氫的轉化率通常不高于40%～50%,過高的轉化率將過多地破壞多環芳烴和膠質,這將使重油溶解瀝青質的能力下降,導致因瀝青質的析出、沉淀而結焦。在原料中摻煉高芳香性組分,可提高重油溶解瀝青質的能力,延長開工周期。二、新概念、新技術、新技術1.混合能源氣化SHELL提出了“合成氣園”的新概念,它以煤及劣質渣油等為氣化原料,生產合成氣用于發電、制氫、生產甲醇和化肥,并可向城市提供清潔燃料。倪維斗等以煤氣化為核心提出了“多聯產系統”。實際原料并不局限于煤。美國能源部提出的展望21世紀的能源系統,也是以氣化為核心。在“合成氣園”或“多聯產系統”中(見圖1),各種產品不是簡單的疊加而是集成,這是問題的關鍵。這比單獨建設各產品生產裝置的投資和運行成本都要低,產品間也可以靈活調整峰谷差,因而更有競爭力,抗風險能力也更強。該模式在全世界已有相當的發展,至少建設了十幾套裝置。例如,SHELL在荷蘭鹿特丹附近的Pernis煉廠和德國的Leuna煉廠等。Leuna煉廠于1997年投產,年加工能力1000萬噸/年,該廠選擇了多項世界領先技術,也是當今世界最清潔的煉廠。該廠年產減壓渣油約150萬噸,除年產約40萬噸瀝青和為電廠生產部分殘渣燃料外,其余減壓渣油全部由減粘裂化加工,減粘渣油氣化,氣化裝置的能力為67萬噸/年。氣化主要有3個功能:1)生產氫氣,全廠約50%的氫氣來自該裝置;2)為60萬噸/年規模的甲醇生產提供合成氣;3)提供燃料氣。因環保要求嚴格,所有加熱爐只燒燃料氣和合成氣。關于多聯產系統,目前已提出相當龐大的框架。對不同行業和企業來說,關鍵是從中篩選最佳的組合方案,優先發展其中的某幾個產品。對于煉化企業來說,可優先發展制氫、生產甲醇、MTBE、醋酸和醋酐、丁辛醇、合成氨和尿素、發電等。2.est工藝使用催化劑EST(EniSlurryTechnology)工藝是由意大利Eni公司和Snamprotti于上世紀90年代共同開發的渣油漿液床加氫技術。該工藝可處理各類劣質重油,轉化率達99%(見表1)。EST工藝使用微米級的Mo催化劑,濃度高達數千微克/克,該催化劑活性很高。EST工藝操作條件緩和,反應溫度為400～425℃,反應壓力為16兆。為防止因轉化率過高所導致的瀝青質沉淀而結焦,單程轉化率維持在較低水平。該工藝把漿液床加氫和溶劑脫瀝青結合起來,脫油瀝青返回漿液床加氫,回收了催化劑,因而可使用高濃度、高性能和價格昂貴的催化劑。該工藝已在意大利Taranto建設了示范裝置,規模為1200桶/日,按計劃于2005年下半年進行商業可行性檢驗。3.砂子爐裂解焦化技術LR閃蒸焦化是Lurgi開發的一種緩和焦化工藝,該工藝用于渣油預處理。上世紀50年代初,Lurgi開發了LR技術,用于煤粉閃蒸焦化,生產城市煤氣,并以砂子為循環熱載體,裂解原油和石腦油生產烯烴。1957～1961年,煤焦化示范裝置在Dorsten投入運行,處理能力達240噸/日。示范項目成功后,在德國、阿根廷、日本和我國蘭州建設了砂子爐裂解工業裝置。上世紀90年代,Lurgi將該技術用于減渣處理。該技術的LR混合反應器,通過兩根轉動的螺桿將原料和熱焦粉徑向混合,類似活塞流反應器。兩根螺桿可自清潔并清掃反應器器壁,這保證了在500～600℃的溫度下可處理各類原料。LR閃蒸焦化適應原料能力強,在中試裝置上處理了殘炭達15%～24%的減壓渣油和殘炭高達70%煤焦油減渣。與延遲焦化和流化焦化比,LR閃蒸焦化的氫效率很高。在延遲焦化中,液體產品中的氫約占原料的64%,在流化焦化中約為73%,LR閃蒸焦化則提高至82%。延遲焦化和流化焦化的生焦率約分別為殘炭的1.5倍和1.2倍,LR閃蒸焦化的生焦率則可低達殘炭的0.7倍。與其他焦化工藝比,LR閃蒸焦化的氣體產率也更低。綜合計算,LR閃蒸焦化的液收分別比延遲焦化、流化焦化提高約17、12個百分點。上世紀90年代,Lurgi與Exxon進行了3年的合作,主要是利用Exxon在焦化方面的經驗共同開發該技術,并于1999年在Ingolstadt煉廠建設了第一套商業裝置Satcon裝置,該裝置能力為8000桶/日。三、原油含礦典型深度法的簡單比較1.高油價下的原油成本固定床加氫+重油催化裂化是經常選擇的模式。該路線輕油收率高,能滿足較嚴格的環保要求,在高油價下具有較強的競爭力。該路線的不足之處是對原油的適應能力欠佳,適合于處理輕質和部分中質含硫原油,因而原油成本高成為突出問題。為保證氫氣廉價、穩定的供應,石腦油必須通過催化重整加工,這使得該路線除了可發展芳烴外,煉化一體化發展的空間趨于狹窄。2.延遲焦化+循環流化床鍋爐/焦炭氣化模式焦化路線的優點是對原油的適應能力強,可按油價高低靈活選擇原油。在煉廠的全部成本中,原油成本始終占絕大部分,延遲焦化的競爭力不完全來自較低的加工成本,而主要來自較低的原油成本。即便在低油價下,阿拉伯輕質原油與阿拉伯重質原油的價差也保持在1.1～2美元/桶之間,有時甚至超過5美元/桶。無論是在高油價下,還是在低油價下,焦化均有很強的競爭力。該路線的另一個優點是石腦油收率較高,煉化一體化空間相對較大。除了液收相對較低外,該路線的另一缺點是含硫焦不易處理。延遲焦化+循環流化床鍋爐或延遲焦化+焦炭氣化是解決含硫焦的兩條路線,但目前仍存在一些需要解決的問題。國內燃煤電站和水泥窯眾多,含硫焦的潛在消化市場巨大。美國煉油業的實踐證明,在加工劣質原油時,含硫焦即便作為零價值,甚至負價值產品出售,延遲焦化仍有競爭力。在我國,行業間的交流與合作不夠,這影響了含硫焦的處理,也影響了焦化的發展。為節省投資而選擇焦化,也是國內普遍存在的問題。在美國,延遲焦化路線和渣油加氫路線的投資相差并不大。對環保重視不夠,投入不足,技術相對落后,將使加工含硫油的延遲焦化路線在未來面臨突出的環保問題。3.固定床渣油加氫工藝瀝青質是原油中最劣質的組分,依靠膠質和多環芳烴的溶解作用而懸浮于渣油中,其核心部分有類似于石墨的晶體結構,其重金屬和殘炭含量很高,而氫含量很低。一方面,因瀝青質的氫含量過低,除非獲得充足廉價的氫氣,否則,通過加氫將其轉化為輕質油品是不經濟的;另一方面,瀝青質必須借助膠質和多環芳烴而溶解于渣油中,膠質和多環芳烴的破壞將導致瀝青質析出而結焦,這使得固定床渣油加氫僅能處理瀝青質含量低的重油。為防止過多破壞膠質和多環芳烴,導致瀝青質沉淀而結焦,固定床渣油加氫的轉化率通常不高于40%～50%。當重油中瀝青質含量較高時,固定床加氫工藝將難以適應。先將瀝青質分離出來,通過氣化將其轉化為氫氣,并通過固定床加氫處理已不含瀝青質的重油,這是一種現實的選擇。溶劑脫瀝青+瀝青氣化+脫瀝青油加氫處理是富有價值的組合工藝,盡管該路線投資大,但優點甚多:1)適應于含硫重油等劣質原油的加工,原油成本低,從而降低總成本;2)可獲得充足的氫氣,可以靈活選擇重油深加工路線,并為清潔燃料生產和清潔生產打下堅實基礎,滿足苛刻的環保要求和產品質量要求;3)氫氣供應不必依賴于催化重整,這給石腦油的加工提供了更多的選擇,再加上加氫裂化生產的各組分和合成氣資源,使該模式的煉化一體化發展空間變得更加廣闊。該模式及其類似路線將是本世紀煉油業的發展樣板之一。四、路線選擇的影響因素重金屬、殘炭和硫含量是影響重油深加工路線選擇的重要因素,特別是重金屬和殘炭。按重油深加工的難度,可將重油分為三類,三類重油深加工路線的選擇建議見表2。1.