我国延迟焦化技术及其发展趋势

孙钦玺

(中海油石化工程有限公司 管道室 ， 山东 济南 250101)

我国延迟焦化技术及其发展趋势

孙钦玺

(中海油石化工程有限公司管道室，山东济南250101)

经济增长依赖于充足的石油供给，近几年我国对外石油依赖度维持在60%以上。我国的原油资源相对偏重，近年来开发出来的多以重质原油为主；考虑到油价等因素，进口的原油也大多是重质原油，而且是含硫甚至是高硫原油。因此，我国炼油工业面临着加工重质原油和含硫原油的严峻挑战。笔者分析了目前重质油的加工工艺，认为在现在原油特点的情况下，延迟焦化是最合适的重油加工工艺。在实际生产中，通过反应温度、压力，循环比等条件的优化调节，以及消泡剂和阻焦剂的应用，可实现工艺效益的最大化。最后对延迟焦化的发展趋势做了论述，为延迟焦化技术的进一步发展指明了方向。

重油加工；延迟焦化；优势；发展趋势

原油重质化、劣质化是当前炼油行业必须面对的一个严峻问题。具体表现为原油密度、残炭和硫含量有增长趋势，有些原油还高含金属或有机酸。

在我国，国产原油资源本身偏重，产量最高的大庆原油中350℃以下的馏分仅有26%，500℃以上的减压渣油几乎占50%，产量居第二位的胜利原油则比大庆原油更重些；另一方面，由于高硫重质原油的进口价格较低，而且价格稳定。所以原油变重、变差也是国内炼油行业面临的问题。

1 重质油加工技术的选择

目前，处理重油、渣油的主要加工工艺有焦化、催化裂化和加氢处理等。尽管目前催化裂化单炼和掺炼渣油的能力已占到重油加工总能力的25%以上，但如果渣油的残炭含量超过10%、重金属含量超过100～150μg /g，催化裂化装置将难以承受催化剂费用的增加和停工时间的延长而带来的问题；也会对加氢装置造成腐蚀等破坏性，其所产生的设备更换维修和催化剂等费用巨大，严重影响了加氢工艺的经济效益[2]。可是目前原油趋向于重质化，渣油的收率不断提高；为提高汽油质量降低了催化装置的掺渣比，为优化加氢裂化装置原料、降低操作费用减少了重油的掺炼量，这些都导致了渣油的过剩。所以各炼厂只有通过增加焦化装置处理过剩的渣油来提高炼厂的效益。

焦化的主要形式有釜式、平炉、延迟、接触、流化和灵活焦化。前两种由于工艺技术落后、间歇生产、劳动条件差、耗钢材多和占地面积大等缺点，已被淘汰；接触焦化由于它的工艺及设备复杂、投资及维修费用高、技术不够成熟，而发展较少；流化焦化和灵活焦化由于投资和操作费用远高于延迟焦化，因此发展也非常缓慢[3]。综上所述，笔者认为延迟焦化技术是目前最合适的重油加工技术[4]。

延迟焦化是将原油用加热炉加热到反应温度，并在高流速、短停留时间的条件下，使原油尽量不发生反应，就迅速离开加热炉进入焦炭塔进行裂化和缩合生焦反应。图3为延迟焦化工艺流程。

图1 延迟焦化工艺流程

在石油焦化生产中，延迟焦化约占78%，流化焦化约占8%，灵活焦化和其他焦化约占14%[5]，可见延迟焦化是目前世界上重要的渣油加工工艺。2011 年全球炼油厂原油加工能力为8805.6×104bbl/d，焦化装置的加工能力为468.1×104bbl/d，约占原油加工能力的5.3%[6]，其中延迟焦化装置加工能力就为365.1×104bbl/d。

2 延迟焦化操作参数的选择

2.1 反应温度

延迟焦化的反应温度由加热炉出口温度控制。当压力和循环比一定时,温度每增加5.6℃，柴油收率增加1.1%。适当提高温度，不仅可以增加液体产品收率，还可使焦炭的挥发分(VCM)达到预定(如美国燃料级生焦的VCM为8%～10%)[7]。但是，如果反应温度过高，会使焦炭变硬，给除焦带来困难；加热炉管结焦趋势增大，使开工周期缩短。因此综合各因素,选定延迟焦化反应温度为498℃。

2.2 反应压力

反应压力指焦炭塔顶的压力，反应压力对焦化产品分布有一定影响：压力升高，反应深度增加，液体收率降低，气体和焦炭的收率增加，焦炭的挥发份提高；压力降低，反应深度减少，液体收率增加，气体和焦炭的收率减少，焦炭的挥发份降低。一般认为, 反应压力每降低0.05MPa, 液体体积收率增加1.3%, 焦炭产率下降1%。所以为了提高装置的经济效益，通常进行低压操作[8]。

降低压力虽然可提高蜡油收率，但压力过低则导致焦炭塔内泡沫层升高，易携带焦粉并产生弹丸焦，同时增大了焦炭塔内气体体积流量，这势必增加压缩机和塔顶冷凝系统的负荷，加大分馏塔和焦炭塔的塔径，增加装置的投资[9-10]。综合操作费用、产品分布和设备投资等因素，反应压力一般为0.103～0.137MPa。

2.3 循环比

装置循环比是指(进焦化加热炉的流量-新鲜原料进料量)/新鲜原料进料量。孙在春等[1]考察了循环比对胜利渣油焦化行为的影响, 发现生焦率随循环比的提高而增加。所以可通过降低循环比来实现最大液收和最小焦炭产率的目的。

降低循环比虽然能够提高装置处理量和液体收率，但当循环比降得太低，加热炉进料接近原料性质，易造成加热炉结焦，影响装置的长周期运转[12]。循环比降低，还使产品质量降低，尤其是对蜡油产品质量影响较大，使蜡油残炭及重金属含量增高，对下游工艺产生较大影响。因此，综合考虑焦化装置的经济效益，各炼厂的实际生产情况以及下游加工装置的加工能力，循环比一般为0.05～0.25。

3 延迟焦化技术的优势

3.1 具有较强的原料适应能力

前面已介绍到，部分国产和进口原油高含硫、金属，并且残炭值也较高。不同加工工艺对重油的常规要求如表1[13]。可见重油不宜用催化裂化或加氢工艺处理。而延迟焦化是单纯的热转化过程，不存在催化剂污染、中毒等问题，也就不必考虑因催化剂中毒而必须进行的催化剂再生等问题。所以炼油厂中的较重原油，均可由延迟焦化工艺进行处理，以提高全厂的轻油收率和效益。可见延迟焦化是重油轻质化的最佳途径。

表1 几种不同渣油加工工艺对原料的常规要求

3.2 延迟焦化技术成熟、投资较低

典型的延迟焦化装置由焦化、分馏、出焦和辅助系统等4个部分组成，其中只有焦化部分的技术要求较高，但也已成熟。国产单系列焦化装置处理能力已达到国际水平(100×104～160×104t/a)[14]，其相关设备也已基本国产化，装置投资费用比较低，容易上马建设。这是近年来我国延迟焦化工艺快速发展的原因之一。

据国外有关咨询公司研究，与重油催化裂化和加氢裂化相比，延迟焦化在技术经济上具有一定的优势；在固定资产费用和生产成本两方面比较起来，延迟焦化也是最低的。

3.3 可为乙烯生产提供优质原料

我国乙烯的需求量正处于高速发展时期，从国情出发，生产乙烯的原料主要是石脑油，其次是加氢裂化的尾油。在炼油～化工一体化的石油化工厂中，炼油工业应为乙烯生产提供更多、更好、更廉价的原料。延迟焦化装置可得到13%～18%富含烷烃的焦化石脑油，经加氢后其BMCI值在10左右，是很好的乙烯生产原料，并且加氢焦化石脑油的乙烯单程收率可达28.8%。

3.4 可提高柴/汽比，增产优质柴油

当前柴油的市场需求越来越大，迫切需要提高重油加工产物中的柴/汽比。重油催化裂化生产的汽油产率和质量虽然都比较理想，但是其所产柴油由于芳烃含量较高，导致十六烷值很低。而焦化工艺一个显著的特点，就是可以多生产柴油为主的中间馏分。延迟焦化的柴油馏分产率约为汽油馏分产率的2倍，且焦化柴油馏分中烷烃含量较高，经加氢后是具有较高十六烷值的优质柴油。

3.5 焦化石油焦能够实现有效利用

延迟焦化过程的焦炭产率一般在25%～30%,低硫的石油焦经煅烧处理后可作为制铝电极焦原料。当加工硫含量大于3%的原油时,石油焦的根本出路是用作燃料或造气原料,但是所产生的硫化物必须妥善处理,以保护环境。

4 延迟焦化技术存在的问题及其解决方案

4.1 加热炉中结焦问题

原料油在加热炉中加热至反应温度的过程中，由于热效应，重油的胶体体系稳定性遭到破坏，极容易发生聚沉而结焦。加热炉结焦问题一直是困扰延迟焦化装置长周期运行的最大障碍。为了最大程度的降低结焦趋势，各种工艺工程设计被广泛应用于延迟焦化生产中。

加热炉采用双面辐射阶梯炉，可以使原料油快速升温而又尽量减少炉管管壁的结焦。与传统炉管相比，该炉管结构能够使炉管具有均匀的热强度，并且降低了炉管的最大辐射热强度，可以明显改善炉管表面局部过热，降低管内结焦倾向，有利于提高焦化炉辐射室传热效率，从而延长焦化炉的操作周期，显著提升焦化装置的整体经济效益[15]。

采用在线清焦技术，是利用在装置不停车的情况下，将某一管程的工艺介质切断，只保留注水，通过变温操作，利用热胀冷缩原理剥离炉管壁上的焦炭。该工艺能够保证加热炉的长周期运行[16]。

阻焦剂的研究应用，是在原料油中加入一定量的阻焦剂，从而对原料油在加热炉内的结焦趋势起到一定的抑制效果。中国石油辽宁石化分公司与中国石化洛阳石化工程公司炼制研究所共同进行阻焦剂的工业应用试验，结果显示, 加热炉运行周期明显得到延长，且经济效益非常可观。

此外，诸如加热炉多点注汽等技术的应用，也能很好的延长焦化装置的操作周期。

4.2 焦化塔中生泡问题

延迟焦化过程中,原料油在加热炉中加热，然后自底部进入焦化塔进行裂解和缩合反应，生成焦炭和油气。可是反应过程中，极易产生大量泡沫，存在于焦炭塔内焦炭层的上部。当塔内焦位较高时, 泡沫容易被油气带入分馏塔而导致分馏塔操作不稳。

解决该问题最行之有效的措施是消泡剂的应用。1971年，Nalco化学公司[17]首先提出了用粘度≥1500cm2·s-1的聚二甲基硅氧烷作为焦化塔消泡剂。加入硅氧烷聚合物，会导致焦化塔内泡沫的表面张力的降低，从而达到破泡的目的。自此, 以聚二甲基硅氧烷为代表的消泡剂广泛应用于延迟焦化中焦化塔的消泡过程。

4.3 环境污染问题

延迟焦化装置处理的是含硫、重金属以及高沥青质的重油，因此加工过程中对环境的污染极其严重。从绿色生产角度考虑，应做到减少污染物的排放，实现清洁生产。

为实现生产过程清洁化，目前我国也在延迟焦化工艺工程设计方面做了一定的改进，如为了回收焦炭塔吹汽冷焦时所产生的蒸汽、油气，采用塔式二段密闭放空系统；为了缓和结焦和减少冷焦水油含量，减轻隔油池的环境污染等，采用浸泡式冷焦工艺。还可借鉴国外的经验，如采用密闭的石油焦破碎、筛分、皮带运输和焦仓贮存设施，尽可能压缩敞开式的焦池等。

4.4 能耗较大问题

焦化是热脱炭工艺，反应中的热裂化反应是强吸热过程，消耗大量的水、电能，能耗平均1200MJ/t原料以上。目前，由于焦化工艺本身所具有的优势，使延迟焦化装置数量逐渐增多，研究如何降低延迟焦化过程的能耗具有重大意义。

考虑到焦化过程的特点,可通过有效利用装置的高温余热来降低能耗。优化能量系统，如实现与厂内其它工艺装置、蒸汽动力系统及储运等辅助系统的热联合；改进设备技术，如双面辐射、高效燃烧、强化传热等先进技术的应用。从而提高炉效率，降低能耗，实现能量的有效利用[18-19]。

5 延迟焦化技术发展趋势

5.1 提高液收，降低焦炭收率

炼厂的目的是生产液体燃料, 因此延迟焦化工艺应该以实现高液收、低焦炭率为发展目标。为达到这一目的，可通过采取降低循环比，降低操作压力，提高操作温度等措施来达到这一目的。

Foster-Wheeler公司为提高液体收率，研发了低压(0.103MPa)和超低循环比(0.05)的新工艺。采用该工艺, 可以少产焦炭25%, 同时多产10%以上的重焦化蜡油, 其残碳和金属含量仍符合催化裂化和加氢裂化装置的原料要求。

还可以加入某些试剂来提高液收率，是通过抑制热反应过程中产生的不饱合烃的进一步缩合来实现的。

5.2 缩短生焦周期

缩短生焦工艺的周期，可提高延迟焦化装置的加工能力，从而提高经济效益。目前，焦化装置的生焦周期一般为16～20h。据报道[20], 国外一些装置采用了14h的生焦周期，也有采用12h生焦周期的装置, 典型的短生焦周期的焦化装置的清焦操作时间分配见表2。

表2 缩短生焦周期的焦化装置的清焦操作时间分配

5.3 提高装置的灵活性

焦炭塔为间歇操作,为了使焦化装置能适应焦炭塔切换造成的波动,在设计上应具备一定的灵活性。目前，改进延迟焦化装置的灵活性研究，主要集中在增强原料适应性(加工不同的原料油)、提高操作弹性、高液收或多产优质石油焦、可处理炼厂废渣和不合格油以及适应炼厂总流程变化等。

中国石化洛阳石化工程公司研发的可调循环比的延迟焦化工艺[21],进加热炉的循环油量可根据需要调节，从而实现可调节循环比流程。在广州石化的应用表明，可调循环比的工艺流程提高了延迟焦化装置的操作灵活性，现场可根据原料性质、产品要求处理量等情况，选择合适的循环比和操作条件，优化装置的操作。

5.4 装置规模的大型化

装置规模的大型化是提高劳动生产率、降低成本及增加效益的另一个重要手段。因此，世界和我国的焦化装置的规模也在向大型化方向发展。焦炭塔大小发展趋势见表3[22]。

表3 延迟焦化装置焦炭塔大小发展趋势

表3(续)

装置规模大型化的基础是设备的大型化，就延迟焦化而言，其重点是焦炭塔和焦化加热炉的大型化。我国目前最大焦炭塔的直径为9.4m，基本上达到了国际水准。

虽然装置大型化具有节省投资，劳动生产率高和产品的生产费用低等明显优势。但是，装置的规模不应盲目的求大，因为它涉及到炼厂的类型，资源、产品的去向，以及相关设备的处理能力和产品的市场消费能力。延迟焦化的典型装置的规模为：0.75～2.75M t/a,焦炭塔的标准直径为:8200～8500mm[23]。

5.5 生产优质石油焦

延迟焦化的传统应用是处理减压渣油、增加轻质油品的产量，同时产生副产品石油焦。石油焦中附加值最高的是针状焦，可是目前我国该石油焦产能较低。随着国内炼钢电极焦需求的增长，国内的煤系针状焦和石油系针状焦产量远不能满足国内的需求。因此，发展优质石油焦的生产也是大势所趋。

6 结论

在国际油价频繁波动，国际市场重质、超重质及劣质原油供应越来越多的背景下,面对提高重油转化深度、增加轻质油品产量需求以及日益严格的环境保护形势,延迟焦化由于具有可以加工高含沥青质、硫和金属的重质油原料,技术成熟，投资较少，能最大量地生产馏分油和优质石油焦等优势，在重油、渣油转化加工中的地位和作用将日益突出。为实现工艺经济效益的最大化，今后，延迟焦化技术将会沿着最大限度地提高液体产品收率，提高装置灵活性，提高装置规模以及加强环境保护等方面继续发展。

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(本文文献格式：孙钦玺.我国延迟焦化技术及其发展趋势[J].山东化工，2017，46(16)：60-63.)

The Technology of Delayed Coking and Its Development Trend in China

Sun Qinxi

(CNOOC Petrochemical Engineering Co.,Ltd.，Piping Room,Jinan 250101,China)

The growth of economic depends on sufficient oil. In recent years, The dependence on foreign oil has remained above 60% in China. In our country, The resources of crude oil are relatively heavy, taking into oil prices and other factors, imports of crude oil are mostly heavy crude oil, and the content of sulfur is even high. Therefore, the industry of refining is facing serious problems in processing of heavy crude oil and sulfur-containing crude oil in our country. The author analyzes the processing technology of heavy oil nowdays,in the case of the characteristics of crude oil, delayed coking is the most appropriate heavy oil processing technology. In the actual production, through the reaction temperature, pressure, cycle ratio and other conditions of the optimal adjustment, and the use of defoamers and anti-coke agent, can achieve maximum process benefits. Finally, the discussion about development trend of delayed coking points out the direction for the development of delayed coking technology in the further.

processing of heavy oil; delayed coking; advantages; development trend

TK730.2；O357.5

：A

：1008-021X(2017)16-0060-04

2017-06-04

孙钦玺(1987—)，山东济南人，工程师，硕士研究生，2014年参加工作，从事管道设计工作。