多产清洁汽油的总工艺流程研究和选择

鞠林青，周亚松，徐春明

（1.中国石油大学（北京）化学工程学院，北京102249；2.中国寰球工程公司）

多产清洁汽油的总工艺流程研究和选择

鞠林青1，2，周亚松1，徐春明1

（1.中国石油大学（北京）化学工程学院，北京102249；2.中国寰球工程公司）

以规划新建12 Mt/a加工沙特中质原油的大型炼油厂为例，采用PIMS线性规划模型，以最大化多产清洁汽油为主要目的，比较了方案1（常压渣油加氢脱硫＋重油催化裂化）和方案2（渣油加氢脱硫＋重油催化裂化＋加氢裂化）两种核心总工艺流程。结果表明，在正常的加工模式下，方案1的汽油产量可达到4.474 4 Mt/a，远高于方案2的4.051 6 Mt/a。在方案1的基础上，通过催化裂化轻汽油醚化、液化气的烷基化以及副产的苯与催化裂化干气中的稀乙烯合成乙苯等措施进一步增产汽油，可增产汽油组分0.718 Mt/a，同时通过优化汽油池中各调合组分的比例，使混合汽油产品性质满足GB 17930—2013清洁汽油产品质量指标要求。

大型炼油厂 清洁汽油 总工艺流程 渣油加氢脱硫 线性规划

2012年，我国汽车产、销量双双突破1 900万辆，石油表观消费量达到503 Mt，较2011年增长5.6%，其中，原油进口量为269 Mt，对外依存度达到58.8%；成品油表观消费量为277 Mt，同比增长5.2%；汽油表观消费量达到86.841 Mt，同比增长12.3%，预计2020年我国汽油需求量将达到110 Mt［1-2］。随着我国原油对外依存度的提高和汽车的普及，如何利用有限的原油资源，选择合适的总工艺流程，多产优质的清洁汽油产品已成为炼油项目必须面对的主要问题之一。本文以规划新建的12 Mt/a燃料型炼油厂为例，设计加工沙特中质原油，采用PIMS（Process Industry Modeling System）线性规划软件，以最大化多产优质清洁汽油为主要目的，对炼油总加工流程进行研究和选择。

1 规划研究的基准

规划研究的大型炼油厂考虑设计加工储量和产量丰富的中东高硫原油，选择有代表性的沙特中质原油进行核算，其主要性质见表1（来自Chevron原油数据库）。从表1可以看出，沙特中质原油具有高硫含量、中等金属含量和中等残炭的典型中东原油特点，而且可以通过中东其它轻质原油和重质原油的调合得到类似性质的混合油。

清洁汽油产品以GB 17930—2013标准中规定的汽油牌号92号和95号，以及相应的质量指标

表1 沙特中质原油的主要性质

渣油的加工采用加氢技术路线，实现渣油全部转化的目标，该模式具有原油资源利用率高、轻油收率高、高油价体系下经济效益好等特点［3-4］，控制渣油加氢装置的进料中残炭小于18%、金属（Ni＋V）质量分数小于150μg/g；处理后的催化裂化装置进料要求硫质量分数小于0.3%、金属（Ni＋V）质量分数小于15.0μg/g、残炭小于5.5%，装置设计为多产汽油模式，对烟气进行湿法脱硫脱硝；催化裂化汽油的深度脱硫拟采用S-Zorb技术，该技术具有脱硫效率高、辛烷值损失小、能耗低等特点［5］，脱硫精制后催化裂化汽油的硫质量分数控制在小于15μg/g、辛烷值RON损失小于1.5。所有方案中都包含常（减）压蒸馏、油品加氢精制、石脑油异构化和连续重整以及芳烃分离、制氢、硫磺回收联合装置等，其中制氢装置的原料和全厂燃料补充都采用天然气；硫磺回收装置的设置按照3系列（分别为总能力的50%）Claus＋2系列（按总能力的70%设置）尾气处理模式。

2 炼油厂的总加工流程安排

炼油厂的汽油组分主要来自催化裂化和催化重整装置，因此在总流程安排中以最大化的单系列催化裂化装置和连续重整装置为基准，规划了两个方案。

方案1以催化裂化装置多产催化裂化汽油为核心，采用常压蒸馏＋常压渣油加氢脱硫＋重油催化裂化的核心总工艺流程。渣油加氢装置的进料量为6.03 Mt/a，进料硫质量分数为4.15%、残炭为10.76%、金属（Ni＋V）质量分数为87.26μg/g、沥青质质量分数4.3%，装置按3系列设计，要求单系列可分别换剂、最少保证两系列在线运行，反应器设计体积空速为0.35 h－1、催化剂寿命按12个月考虑；催化裂化装置设计采用最大汽油产率（按49%考虑）方案。方案1的全厂总加工流程示意见图1。

方案2以连续重整装置多产重整汽油为核心，采用固定床渣油加氢（RDS）＋重油催化裂化（RFCC）＋蜡油加氢裂化（HCR）的核心加工流程。部分常压渣油和减压渣油作为渣油加氢装置原料，装置进料量为3.96 Mt/a，进料硫质量分数为4.87%、残炭为16.3%、金属（Ni＋V）质量分数为133.1μg/g、沥青质质量分数为6.5%，按2系列设计，要求单系列可分别开、停工，设计体积空速为0.18 h－1、催化剂寿命按11个月考虑；加氢裂化装置设计采用多产优质中间馏分为主的全循环模式，通过副产的重石脑油量来平衡连续重整装置的进料，核算后重整装置规模按照2.40 Mt/a考虑，相应的再生能力为4.5 t/h。方案2的总加工流程示意见图2。

图1 方案1的总加工流程示意

图2 方案2的总加工流程示意

3 结果与讨论

3.1 主要工艺装置的安排和规模对比

表2列出了两个方案中的主要工艺装置及其规模。由表2可见，方案1的原油蒸馏仅有常压部分，其常压渣油直接作为渣油加氢装置的原料，除了伊朗重油因金属含量较高以外，该流程基本上可以加工所有的中东原油，原油适应性好；渣油加氢装置和重油催化裂化装置的规模分别为6.0 Mt/a和4.9 Mt/a，达到了世界级规模。方案2采用小减压模式的常减压蒸馏装置，通过调节常压渣油和减压渣油的比例来控制渣油加氢装置进料的性质，满足生产的需要；减压蜡油的加工采用全循环加氢裂化的模式，以多产石脑油、喷气燃料和柴油中间馏分为主，平衡石脑油的产量以满足最大化2.4 Mt/a连续重整装置进料的要求；由于增加了加氢裂化装置，相对增加了渣油加氢装置的进料苛刻度，对加工的原油有了一定程度的限制，但加氢裂化装置有利于根据市场需要灵活调节汽油、喷气燃料和柴油产品产量，有利于生产高品质的柴油，以及其尾油可用于生产润滑油组分或作为乙烯裂解原料等。

表2 两种方案的主要工艺装置及其规模Mt/a

3.2 汽油池的组成和混合汽油性质

表3和表4列出了两个研究方案的汽油池组分和混合汽油的性质。从表3和表4可以看出：两个方案的混合汽油性质均满足清洁汽油GB 17930—2013的质量指标要求，其中方案1的汽油产量达到4.474 4 Mt/a，汽油池中的催化裂化汽油和重整汽油所占体积比例分别为54.77%和25.24%，异构化油和MTBE合计为19.99%，同时催化裂化汽油精制后的硫质量分数控制在15 μg/g以下即可符合调合要求；而方案2的汽油产量为4.051 6 Mt/a，汽油池中的催化裂化汽油和重整汽油所占体积比例分别为41.17%和33.54%，异构化油、加氢裂化轻石脑油和MTBE合计占25.29%，各调合组分的比例较为理想。但从整个项目多产清洁汽油的角度选择，则方案1为最优模式，汽油产品质量收率（以加工原油量为基准）达到37.28%、体积收率为45.17%。

表3 方案1的汽油池组分和混合汽油的产量和性质

表4 方案2的汽油池组分和混合汽油的产量和性质

3.3 进一步增产汽油的措施

3.3.1 催化裂化轻汽油醚化 方案1具有催化裂化汽油比例高的特点，虽然混合汽油中的烯烃体积分数为22.5%，满足清洁汽油标准中小于24%的要求，但汽油产品整体的质量升级趋势是低硫、低烯烃、低芳烃、低苯的方向，同时混合汽油的氧质量分数为0.60%，离2.7%的指标限制还有相当大的差距，因此考虑催化裂化轻汽油醚化，就是利用轻汽油中的C5/C6叔碳烯烃与甲醇醚化反应，生成高辛烷值的TAME和HXME含氧化合物，具有增加汽油总量、降低烯烃含量、提高汽油辛烷值、降低蒸气压等多项优点。按照催化裂化汽油组分和适当的烯烃转化率核算后，以整体的催化裂化汽油总量为基准，醚化后的催化裂化汽油总量增加了73 kt/a、辛烷值提高1.5个单位、氧含量增加1.48%，相当于将73 kt/a的甲醇转化为高辛烷值的汽油组分。

3.3.2 炼油厂副产的液化气深加工 随着国内天然气工业的快速发展以及液化气进口量的增加，炼油厂副产的液化气作为民用燃料的地位和价格在逐步下降，如何将这部分副产的轻端气体产品变为市场需求量大的汽油组分也是需要综合考虑的问题。一般情况下，液化气转化成汽油的主要工艺路线有烷基化、芳构化、丁烯叠合以及间接烷基化工艺（丁烯叠合＋叠合油加氢）等，项目规划研究中考虑了常用的烷基化工艺和芳构化工艺。

烷基化工艺中主要发生异构烷烃与烯烃的加成反应。为了提供和扩大烷基化的原料量，分别安排了催化C4馏分的选择性加氢和饱和C4馏分的异构化装置［6］，设计了0.35 Mt/a的催化裂化C4选择性加氢装置，目的是将MTBE反应之后的C4馏分中的二烯烃除去，以减少烷基化过程中的酸消耗量，同时将1-丁烯异构转化成2-丁烯，提高烷基化油的辛烷值；饱和C4馏分（来自全厂的轻烃回收装置和烷基化之后分离出的正构C4组分）异构化的主要目的是在临氢的工况下将正构C4转化为异构C4。采用HF酸或H2SO4烷基化之后，可产0.49 Mt/a优质的无烯烃、无芳烃且低蒸气压的烷基化油，其研究法辛烷值约为95、密度为705 kg/m3。

液化气芳构化工艺以大连理工大学、中国石油石油化工研究院等单位合作开发的Nano-forming工艺为代表［7］，该工艺采用纳米分子筛芳构化催化剂和固定床反应工艺将C4馏分转化为高辛烷值汽油组分，已于2012年5月在河南濮阳恒润石化公司0.20 Mt/a工业装置上成功投用。采用该技术，预计C5及以上液相产物收率可达到47%以上，因此可增产0.295 Mt/a汽油组分，其研究法辛烷值约为95、芳烃体积分数为44%、烯烃体积分数小于1%。

因此，从液化气生产汽油的量来看，选用技术成熟且国内外应用广泛的烷基化工艺较好，但从技术国产化、工艺复杂程度上看，选用国内的芳构化工艺较好。本项目研究中采用烷基化工艺。

3.3.3 重整苯产品的利用 在规划研究中，连续重整装置的进料按照常规的C6及C6以上石脑油馏分考虑，并设置了苯抽提单元，这样可扩大重整原料的数量，多副产廉价的氢气，同时可更加有效地控制汽油池中苯的含量，且苯产品可作为化工原料外卖。在国外的流程规划研究中，为了多产汽油且降低苯含量，法国AXENS公司曾推出了Benfree专利技术，即将重整油轻端抽出后与重整氢气直接加氢反应，加氢后的轻汽油再重新回到重整生成油体系，流程简捷，除增加一个加氢反应器外，基本上不增加其它设施，这样可增加约108 kt/a的汽油产量。在方案1的混合汽油中，芳烃体积分数仅为27.8%，离上限40%的差距较大，因此可充分考虑重油催化裂化干气中副产的稀乙烯和抽提出来的苯产品，采用中科院大连化学物理研究所等单位开发的稀乙烯与苯气相烷基化反应和多乙苯与苯液相烷基转移反应的成熟技术。本项目的催化裂化干气产量达到了164.5 kt/a，其中的乙烯体积分数为13.5%，该干气不需进行特殊净化，可直接与芳烃抽提出来的苯合成乙苯，产量约为155 kt/a，这些乙苯在价格高时可作为化工产品出厂，在价格低或销路不畅的情况下，直接作为高辛烷值汽油调合组分，其辛烷值大于100、密度为870 kg/m3。

3.4 进一步增产汽油的效果

综上所述，在方案1生产4.474 4 Mt/a汽油产品的基础上，通过催化裂化轻汽油醚化、液化气的烷基化工艺以及苯产品的利用，可分别增产汽油73，490，155 kt/a，合计为0.718 Mt/a，全厂的汽油产量可达到5.192 4 Mt/a，汽油质量收率（以加工原油量为基准）可达到43.27%。全厂的汽油调合组分生产流程见图3，各调合组分的体积比例分别为：催化裂化汽油占48.46%、重整汽油占21.79%、烷基化油占14.36%、乙苯占2.55%、MTBE占2.90%，汽油池的混合汽油性质为：研究法辛烷值94.47、硫质量分数8μg/g、烯烃体积分数17.4%、芳烃体积分数26.7%、苯体积分数0.4%、氧质量分数0.66%以及蒸气压53 kPa，可满足GB 17930—2013清洁汽油产品质量要求。

图3 全厂的汽油调合组分生产流程

4 结 论

在12 Mt/a加工沙特中质原油的大型炼油厂规划中，通过分析研究，选定方案1（常压渣油加氢脱硫＋重油催化裂化）作为最大化生产清洁汽油的流程，渣油加氢和重油催化裂化装置规模达到了世界级水平，且原油资源利用率高，汽油产量可达到4.474 4 Mt/a；再通过催化裂化轻汽油醚化、液化气的烷基化以及副产的苯与催化裂化干气中的稀乙烯合成乙苯等措施进一步增产汽油，可增产汽油组分0.718 Mt/a，汽油总产量达到5.192 4 Mt/a，同时通过优化汽油池中各调合组分的比例，使混合汽油产品性质满足GB 17930—2013清洁汽油产品质量指标要求。

［1］龚金双.2012年我国石油市场特点分析及2013年展望［J］.国际石油经济，2013，21（1/2）：70-74

［2］戴家权，郭一凡.中国经济发展面临的风险和模式转变途径及对国内石油市场的影响［J］.国际石油经济，2013，21（3）：13-20

［3］孙丽丽.劣质重油加工路线的选择对炼厂经济效益的影响［J］.当代石油石化，2007，15（8）：14-18

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SELECTION OF REFINING CONFIGURATION FOR MAXIMIZING CLEAN GASOLINE PRODUCTION

Ju Linqing1，2，Zhou Yasong1，Xu Chunming1
（1.College of Chemical Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249；2.China Huanqiu Contracting&Engineering Corp.）

The grass-root large-scale refinery with a capacity of 12.0 Mt/a processing Saudi Arab medium crude is studied for maximizing clean gasoline production by PIMS linear programming mode.Two typical refining configurations of Case 1（the combination of ARDS＋RFCC）and Case 2（the combination of RDS＋RFCC and VGO HCR）are compared.The results show that the Case 1 with 4.474 4Mt/a gasoline production is better than the Case 2 with 4.051 6 Mt/a gasoline.Based on Case 1 selected，more gasoline with the production of 0.718 Mt/a can be further increased by FCC light fraction etherification，LPG alkylation and ethylbenzene synthesis of benzene and thin ethylene in RFCC.And clean gasoline product meeting the GB 17930—2013 standard can be obtained by optimization of blending ratio of the gasoline pool components.

large-scale refinery；clean gasoline；refining configuration；residue hydrodesulfurization；linear programmin g

2013-09-02；修改稿收到日期：2013-12-09。

鞠林青，高级工程师，博士研究生，主要从事炼油厂的总体规划设计工作。

鞠林青，E-mail：julinqing＠hqcec.com。