国Ⅵ标准汽油质量升级方案分析

王 伟

(中国石化武汉分公司，武汉 430082)

近年来，日益严峻的环保形势加快了汽柴油质量升级的步伐。根据国家环保部和能源局的要求，全国将分别于2019年1月和2023年1月开始执行汽油国ⅥA标准和ⅥB标准，同时将于2020年实行乙醇汽油全覆盖，MTBE不再作为汽油调合组分[1]。与汽油国Ⅴ标准相比较，国Ⅵ标准在汽油烯烃、芳烃和苯含量以及挥发性指标上要求更加严格，不但限制汽油硫含量，还优化了汽油组分和烃类组成。在目前进一步降低柴汽比的市场需求下，结合炼油结构调整改造，如何更有效、更经济地适应汽油质量升级的要求，既是炼油厂提高经济效益的重要手段，也是企业炼油转型升级的必然结果[2-3]。中国石化武汉分公司(简称武汉分公司)正在实施炼油结构调整，新建的0.30 Mt/a离子液烷基化装置和0.7 Mt/a气体分离装置将于2019年上半年建成投产，新建的2.8 Mt/a催化裂化装置将于2021年上半年建成投产，汽油池组分结构将发生较大变化。以下主要介绍武汉分公司汽油质量向国ⅥA标准和国ⅥB标准升级中存在的问题及应对措施。

1 现状分析

武汉分公司的汽油池构成如图1所示。需要说明的是，在汽油调合组分中，加氢裂化轻石脑油、加氢裂化重石脑油、重整抽余油、蒸汽裂解抽余油、蒸汽裂解甲苯和二甲苯混合后作为一个调合组分，即图1中的混合石脑油。总的来说，武汉分公司汽油进一步升级的有利因素是S Zorb精制汽油比例仅59%，且烯烃质量分数约为23%，有3.5%左右的烷基化油，不利因素是部分重整汽油未经过脱苯，高标号汽油比例偏低。

武汉分公司原油加工能力为8.0 Mt/a，属于燃料化工型炼油厂，为下游中韩武汉乙烯公司0.8 Mt/a蒸汽裂解装置提供约80%的原料。炼油厂提供给该公司的原料主要包括富乙烯气、饱和液化气、重整拔头油、重整抽余油、直馏石脑油、加氢石脑油和加氢裂化尾油，该公司返给炼油厂的物料主要是裂解氢、抽余油、甲苯、二甲苯和MTBE。武汉分公司炼油总流程有以下几个特点：①轻蜡油作为加氢裂化装置原料，催化裂化装置加工能力仅占炼油能力的25%，低于中国石化27%的平均水平；②由于直馏石脑油和焦化石脑油主要用作蒸汽裂解制乙烯的原料，故催化重整装置的原料主要为加氢裂化重石脑油，加工能力仅为0.40 Mt/a，仅占武汉分公司炼油能力的5%，低于中国石化12%的平均水平，而且，受芳烃抽提脱重汽油分离塔能力的限制，仅75%的重整汽油经过脱苯；③高辛烷值汽油调合组分MTBE和烷基化油的生产能力较低，均为60 kt/a；④将部分低辛烷值的加氢裂化轻石脑油和重石脑油作为汽油调合组分；⑤外购中韩武汉乙烯公司的抽余油、甲苯、二甲苯和MTBE作为汽油调合组分，如2017年从中韩武汉乙烯公司外购198.5 kt汽油调合组分，其中有29 kt MTBE，99.6 kt甲苯和二甲苯，69.9 kt蒸汽裂解抽余油，提高了汽油产量。

图1 武汉分公司的炼油总流程汽油池构成

武汉分公司2017年原油加工量为7.927 Mt/a，汽油总产量为1.752 Mt/a，柴汽质量比为1.43，比中国石化平均水平高0.3个单位。汽油质量执行国Ⅴ标准，生产乙醇汽油组分油和车用汽油，共两大类、5个牌号，乙醇汽油组分油和车用汽油的销售量比例为57∶43，高标号汽油占比为30.2%。

2 汽油调合数学模型

为了分析国Ⅵ标准汽油质量升级存在的问题及应对措施，有必要建立汽油调合数学模型。汽油调合是将不同汽油组分按照一定的比例进行混合的过程，目的是满足产品出厂内控质量标准和市场需求，同时通过控制调合过程质量过剩，增加炼油厂经济效益。事实上，油品调合过程可以归结为带约束的数学规划模型[4-5]，目标函数可以是效益或产值最大化，也可以是产量最大化或高标号汽油比例最大化，约束条件一般包括组分资源量约束、质量指标约束、市场需求约束及组分调合量非负约束。

汽油调合过程质量控制指标较多，密度、硫含量、烯烃含量、芳烃含量、苯含量以及馏程等具有线性加和性，研究法辛烷值、抗爆指数、蒸气压等具有非线性特征[6]。总的来说，汽油调合过程是非线性的。线性化处理对规划调合方案的影响可以忽略，因此对于规划方案测算，为了简化，将研究法辛烷值、抗爆指数按线性加和处理，蒸气压转化为蒸气压指数后按线性化处理。

一般地，假设有m个汽油调合组分，n个汽油产品，r个质量控制指标，Xij表示第i个组分调入第j个产品中的数量，则调合效益J最大化目标函数为[7-8]：

式中：Pj为第j个汽油产品价格，j=1～n；Ci为第i个汽油调合组分的价格，i=1～m。

约束条件为：

①组分资源量约束，表示第i个汽油调合组分在不同汽油产品j中的数量Xij之和不能大于其资源量Si,即：

②质量指标约束，表示调合后的产品性质满足内控质量标准。

按照体积线性加和的原则，对于第j个汽油产品的第k个性质Zjk满足：

按照质量线性加和的原则，对于硫含量和氧含量等性质Zjk满足：

式中：di是第i个调合组分的密度；Zik是第i个调合组分的第k个性质；ljk和Ljk分别是第j个产品的第k个质量指标的下限和上限，k=1～r。

③市场需求约束：包括乙醇汽油组分和车用汽油产量比例，单个品种汽油产量的要求等。2020年前，乙醇汽油组分油和车用汽油并存，产品为两大类、5个牌号，乙醇汽油组分和车用汽油的产量比例为55∶45，98号车用汽油需求量为一相对固定值，无98号乙醇汽油组分。2020年后乙醇汽油全覆盖，取消车用汽油，只生产3个牌号的乙醇汽油组分油，98号乙醇汽油组分需求量为一固定值。

④非负约束：所有调合组分的Xij≥0。

本研究采用ASPEN公司的PIMS软件求解汽油调合规划模型。PIMS软件中，汽油调合采用分布递归算法，易于收敛。汽油组分和汽油产品价格体系采用武汉分公司2017年全年平均值，不含税。

3 国Ⅵ标准汽油质量升级方案分析

武汉分公司国Ⅵ标准汽油质量升级路线如图2所示。根据汽油质量升级的时间要求及炼油结构调整项目实施规划，国Ⅵ标准汽油质量升级可以划分为以下4个阶段：第一阶段是新烷基化装置投产前国ⅥA车用汽油和乙醇汽油并行生产阶段；第二阶段是新烷基化装置投产后国ⅥA车用汽油和乙醇汽油并行生产阶段；第三阶段是新催化裂化装置投产前国ⅥB乙醇汽油全覆盖生产阶段；第四阶段是新催化裂化装置投产后国ⅥB乙醇汽油全覆盖生产阶段。其中，由于第二阶段和第三阶段时烷基化油产量增加约120 kt/a，而烷基化油比例提高有利于汽油调合，所以本研究重点是测算不易调合的第一阶段。另外，第四阶段为汽油质量升级到国ⅥB最终阶段，故也作为本研究重点测算阶段。

图2 武汉分公司汽油国Ⅵ质量升级路线

3.1 新烷基化装置投产前国ⅥA汽油升级方案

武汉分公司汽油国ⅥA质量升级于2019年1月正式执行。在新烷基化装置投产前，生产流程和汽油池构成与2017年基本一致，该阶段的装置生产及汽油调合有4个特点：一是原油加工8.0 Mt/a，二是车用汽油和乙醇汽油并行生产；三是新烷基化装置还未投产，MTBE仍然作为车用汽油调合组分；四是汽油开始执行国ⅥA质量内控标准。

汽油质量从国Ⅴ标准升级到国ⅥA标准，质量控制指标主要有以下两方面的变化：对于车用汽油，50%馏出温度由120 ℃下调至110 ℃，苯体积分数由1.0%下降到0.8%，芳烃体积分数由40%下降到35%，烯烃体积分数由24%下降到18%(98号汽油15%)；对于乙醇汽油组分油，50%馏出温度由120 ℃下调至113 ℃，苯体积分数由1.0%下降到0.8%，芳烃体积分数由43%下降到38%，烯烃体积分数由26%下降到19%(98号汽油16%)。

质量控制指标的变化对汽油调合的影响主要表现在两个方面：为了满足烯烃含量指标，S Zorb汽油在92号车用汽油和92号乙醇汽油组分油中的调入比例受到进一步限制；为了满足芳烃和苯含量指标，高标号汽油中重整汽油和脱苯混合芳烃调合比例下降，高标号汽油比例下降。

根据测算，汽油质量从国Ⅴ升级到国ⅥA标准，现有装置结构及汽油池构成能满足生产要求，无需进行适应性改造。升级的重点在于组分油质量指标控制，一是通过优化催化裂化原料和反应温度，控制S Zorb精制深度，使S Zorb汽油烯烃体积分数不大于24%，蒸气压不大于64 kPa；二是控制重整汽油苯体积分数不大于1.5%；三是加强现有60 kt/a 氢氟酸烷基化装置设备维护和操作平稳，确保烷基化装置满负荷生产。按原油加工计划为8.0 Mt/a测算，汽油产量为1.799 Mt/a，汽油池组成及性质见表1，汽油调合方案见表2。

表1 国ⅥA标准汽油池组成

表2 国ⅥA汽油调合方案

3.2 新催化裂化装置投产后国ⅥB汽油升级方案

武汉分公司新建2.8 Mt/a催化裂化装置预计于2021年上半年建成投产。2013年汽油质量将从国ⅥA标准升级到国ⅥB标准，届时炼油生产及汽油调合有以下变化：一是为了满足中韩武汉乙烯公司扩能改造以及武汉分公司新建催化裂化装置加工负荷的需求，原油加工量将提高到8.5 Mt/a；二是从2020年开始已取消车用汽油，实行乙醇汽油全覆盖，MTBE不再作为汽油调合组分；三是2019年上半年完成重整装置扩能改造，加工能力提高到0.45 Mt/a，并完成重整汽油脱苯改造，重整汽油苯体积分数下降到0.5%；四是新建催化裂化装置采用MIP-CGP工艺，设计原料密度(20 ℃)为935 kg/m3，掺渣比为26%，残炭为5.87%，同时，为了降低柴汽比，催化裂化柴油(LCO)将采用LTAG工艺处理，可使催化裂化稳定汽油RON提高1.6个单位，烯烃体积分数提高到28%，苯体积分数上升到0.9%；五是离子液烷基化油装置满负荷生产，汽油池中烷基化油比例提高到13%。

汽油质量从国ⅥA标准升级到国ⅥB标准，对于乙醇汽油组分油，烯烃体积分数由19%下降到16%，其余指标没有变化。由于产品牌号和汽油池组成发生了较大变化，不利的方面有：S Zorb汽油比例提高，烯烃和苯体积分数增加；乙醇汽油组分油蒸气压指标均为58 kPa，对S Zorb汽油和混合石脑油蒸气压控制要求更高。有利的方面有：重整汽油苯体积分数已控制在0.5%；烷基化油在汽油池中的比例提高到13%。升级的措施主要是生产的优化控制，一是优化新建催化裂化装置原料和操作，控制催化裂化稳定汽油烯烃体积分数不大于28%，S Zorb汽油烯烃体积分数不大于22%，蒸气压不大于60 kPa；二是控制混合石脑油蒸气压不大于58 kPa；三是确保新建烷基化装置的长周期运行，完善异常工况下外购烷基化油的应急措施。按原油加工量为8.5 Mt/a测算，汽油产量为2.446 Mt/a。此时，汽油池组成中无MTBE，其他组分的种类和性质与表1所列相同，汽油调合方案见表3。

4 灵敏度分析

汽油质量升级到国Ⅵ标准后，汽油调合部分关键质量指标富余度明显下降，组分量及性质的变化显著地影响汽油调合的产品结构及经济效益。对汽油调合组分量及性质变化进行灵敏度计算与分析，有助于制定应对预案，更好地满足汽油调合要求。

表3 国ⅥB标准汽油调合方案

4.1 烷基化油产量对汽油调合的影响

以新烷基化装置投产前国ⅥA标准汽油调合方案为例。烷基化油产量对汽油调合产量和效益的影响见图3，对高标号汽油产量和比例的影响见图4。从图3和图4可以看出，随着烷基化油产量的下降，汽油调合产量和效益下降，高标号汽油产量和比例同时下降。在无烷基化油的极端情况下，汽油调合产量下降62 kt/a，高标号汽油产量下降245 kt/a，调合效益下降13 200万元/a。值得注意的是，汽油调合产量并非随烷基化油产量的下降而单调下降，如烷基化油年产量为零时的总汽油产量反而高于烷基化油年产量为20 kt时的总汽油产量，原因在于没有烷基化油的条件下，已无法调合出95号乙醇汽油组分油和98号车用汽油，低标号的92号乙醇汽油组分油和92号车用汽油产量上升，总汽油产量有所增加。

图3 烷基化油产量对汽油调合产量和效益的影响■—汽油调合产量； ●—汽油调合效益

图4 烷基化油产量对高标号汽油产量和比例的影响■—高标号汽油产量； ●—高标号汽油比例

4.2 重整汽油苯含量对汽油调合的影响

以新烷基化装置投产前国ⅥA标准汽油调合方案为例。重整汽油苯含量对汽油调合产量和效益的影响见图5，对高标号汽油产量和比例的影响见图6。从图5和图6可以看出，随着重整汽油苯体积分数上升，汽油调合产量和效益下降，高标号汽油产量同时下降，但是在苯体积分数大于2%的情况下，高标号汽油比例反而有所上升。总的来说，在重整汽油苯体积分数小于1.5%的条件下，对汽油调合产量和效益基本无影响。

图5 重整汽油苯含量对汽油调合产量和效益的影响■—汽油调合产量； ●—汽油调合效益

图6 重整汽油苯含量对高标号汽油产量和比例的影响■—高标号汽油产量； ●—高标号汽油比例

4.3 S Zorb汽油烯烃含量对汽油调合的影响

以新催化裂化装置投产后国ⅥB标准汽油调合方案为例。S Zorb汽油烯烃含量对汽油调合产量和效益的影响见图7，对高标号汽油产量和比例的影响见图8。从图7和图8可以看出，随着S Zorb汽油烯烃含量上升，汽油调合产量和效益下降，高标号汽油产量同时下降，但是在烯烃体积分数大于22%的情况下，高标号汽油比例反而有所上升。总的来说，在S Zorb汽油烯烃体积分数小于22%的条件下，对汽油调合产量和效益基本无影响。在烯烃体积分数由22%提高到26%的情况下，汽油调合产量下降362 kt/a，高标号汽油产量下降228 kt/a，调合效益下降52 500万元/a。

图7 S Zorb汽油烯烃含量对汽油调合产量和效益的影响■—汽油调合产量； ●—汽油调合效益

图8 S Zorb汽油烯烃含量对高标号汽油产量和比例的影响■—高标号汽油产量； ●—高标号汽油比例

4.4 S Zorb汽油蒸气压对汽油调合的影响

以新催化裂化装置投产后国ⅥB标准汽油调合方案为例。S Zorb汽油蒸气压对汽油调合产量和效益的影响见图9，对高标号汽油产量和比例的影响见图10。从图9和图10可以看出，随着S Zorb汽油蒸气压上升，汽油调合产量和效益下降，高标号汽油产量同时下降，但是在蒸气压大于62 kPa的情况下，高标号汽油比例反而有所上升，原因是S Zorb汽油调入量减少，导致95号以上高标号汽油比例上升。总的来说，在S Zorb汽油蒸气压小于60 kPa的条件下，对汽油调合产量和效益基本无影响。蒸气压由60 kPa提高到64 kPa，汽油调合产量下降621 kt/a，高标号汽油产量下降398 kt/a，调合效益下降90 200万元/a。

图9 S Zorb汽油蒸气压对汽油调合产量和效益的影响■—汽油调合产量； ●—汽油调合效益

图10 S Zorb汽油蒸气压对高标号汽油产量和比例的影响■—高标号汽油产量； ●—高标号汽油比例

5 问题及对策

根据以上分析，武汉分公司国Ⅵ标准汽油质量升级存在以下问题：一是烷基化油产量对调合效益的影响较大；二是重整汽油苯含量对高标号汽油产量影响较大；三是新催化裂化装置投产后，S Zorb汽油烯烃含量和蒸气压对国ⅥB标准汽油调合效益影响较大。针对以上问题，拟采取以下措施：①外购烷基化油。建设烷基化油码头进厂和汽车进厂设施，满足烷基化装置异常生产条件下汽油调合的需求。该项目将于2019年第2季度完成。②重整汽油脱苯。计划在2019年上半年重整装置改造期间，完成芳烃抽提脱重塔塔底抽出泵及后冷却器更新，消除重整汽油脱苯瓶颈。③S Zorb汽油烯烃、蒸气压控制。优化新建催化裂化装置的原料及操作，对S Zorb装置稳定塔进行必要的核算和改造，满足蒸气压控制要求。④增设汽油在线调合系统，进一步提高调合效益。

6 结 论

(1)武汉分公司汽油质量从国Ⅴ标准升级到国ⅥA标准，现有装置结构及汽油池构成能满足生产要求，无需进行适应性改造，升级的重点在于组分油质量指标控制，S Zorb汽油烯烃体积分数不大于24%，蒸气压不大于64 kPa，重整汽油苯体积分数不大于1.5%。

(2)武汉分公司汽油质量从国ⅥA标准升级到国ⅥB标准，升级的措施主要是控制催化裂化稳定汽油烯烃体积分数不大于28%，S Zorb汽油烯烃体积分数不大于22%，蒸气压不大于60 kPa，控制混合石脑油蒸气压不大于58 kPa。

(3)建设烷基化油外购设施、实施重整汽油脱苯改造以及S Zorb装置稳定塔降低汽油蒸气压改造，是优化汽油调合生产和提高经济效益的必要措施。