溶剂脱沥青工艺技术的工业应用及发展趋势

刘巍

（武汉金中石化工程有限公司，湖北武汉430223）

随着原油供应劣质化，环保法规日趋严格，重油加工技术成为石油化工企业的重要研究方向。溶剂脱沥青工艺是1种有效的劣质重油加工手段，它能够将重油中最劣质部分—沥青质的绝对值减少35%左右［1］，除去沥青质的脱沥青油可作为优质的催化原料，生产轻质油。

1 溶剂脱沥青工艺发展概况

全球第1套溶剂脱沥青装置由M.W.Kellogg公司于1936年投产［2］。我国首套装置于1958年在兰州炼油厂投产，规模12×104t/a。目前世界有100多套装置，总加工能力5 000×104t/a。我国此类装置约30套，总加工能力接近900×104t/a［3，4］，占全球比重超过15%。

1.1 国外溶剂脱沥青工艺概述及进展

国外比较成熟的工艺有ROSE工艺、Demex工艺、LEDA工艺、Solvahl工艺等［5-7］。

美国KBR公司开发的ROSE工艺以常压渣油或减压渣油为原料，与溶剂混合后进入沉降塔中进行恒温沉降。抽提过程中溶剂处于亚临界状态，溶剂在超临界态下进行分离回收，增压后循环利用。ROSE工艺利用溶剂在亚临界状态表现出的溶解性能，通过预混合、重力沉降等手段，实现对沥青质、残碳的脱除，其优点在于：（1）采用超临界回收技术，不仅提高了分离深度，减轻后续汽提塔负荷，而且因为超临界态流体冷却不涉及相变，故在溶剂冷却环节能够节约能耗；（2）由于工作温度和压力相对较低，设备和管道基本可以全部使用碳钢材料［8］，一次性设备投资可大幅降低。

美国UOP公司和墨西哥石油研究院（IMP）联合开发的Demex工艺是20世纪80年代发展起来的技术，利用选择性好的丁烷或戊烷作溶剂，其脱沥青油收率较高。溶剂通过静态混合器与原料进行3级混合：1级混合采用少量溶剂与胶质混合；2级混合采用大量溶剂与原料混合，混合原料油进入抽提器；3级混合采用抽提器下部注入，经抽提段与沉降的沥青质进一步传质，以提高沥青质量和脱沥青油收率。Demex工艺由于在管道中就进行抽提，因此抽提器中不必设置转盘或塔板；采用胶质循环，提高了脱沥青油质量［9］；溶剂在回收过程中处于临界状态，用液化烃泵取代压缩机，简化了流程；同时兼具超临界溶剂回收的低能耗优点。

美国Foster-wheeler公司开发的LEDA工艺利用不同配比的C2～C7溶剂进行抽提，以制取优质的光亮油料、催化裂化原料及沥青。抽提部分采用转盘萃取塔，塔内维持稳定的温度梯度，并对原料进行预稀释；在溶剂回收方面，它采用多效蒸发的方法回收溶剂。LEDA工艺能耗较高，有文献［10］统计，其主要能耗来自于燃料、冷却水。这是由于多效蒸发及高温闪蒸溶剂水冷均为相变过程，增加了加热炉和水冷器的负荷，同时多效蒸发对溶剂的分离效果不及超临界溶剂回收，增加了后续汽提塔的蒸汽负荷。

Solvahl工艺是法国石油研究院（IFP）开发的，以C4或C5为溶剂，使用特殊设计的萃取塔，进行单段抽提，物料逆向接触，并且保持一定的温度梯度，能在高通量和低溶剂下获得较好的萃取选择性。超临界溶剂回收，极大程度提高了脱沥青油的收率，同时Solvahl工艺在处理减压渣油时可使脱沥青油中几乎不含沥青质［11］。其低剂油比也使溶剂回收部分的能耗大幅降低。

国外典型溶剂脱沥青工艺技术的综合对比见表1［12］。

表1国外典型溶剂脱沥青工艺综合对比

表1表明，国外溶剂脱沥青技术在最近40 a进程中，采取亚临界抽提、超临界溶剂回收技术应用较广，如ROSE和Demex工艺。在节能方面，超临界溶剂回收比蒸发回收优势明显；在剂油比方面，LEDA和Solvahl工艺的剂油比更小，节省动力消耗且缩小设备体积，对平面布置及设备投资有利。核心设备抽提器的结构形式设计是研究和开发的重点，其性能直接关系到产品质量。4种工艺技术加工能力在全球占到的份额相差不大，具体选择哪种工艺方案主要取决于用户对于产品要求、总投资、全厂产品方案以及系统配套等方面的考量。

近年来，国外溶剂脱沥青工艺取得一定进展。Yakovlev［13］对溶剂回收部分的换热流程作了优化，发明了1种沥青溶液2级闪蒸的工艺，将抽提器底部的沥青溶液与后续闪蒸罐顶出来的丙烷气换热，升温后的沥青溶液进入1级闪蒸罐，分离出丙烷气和脱油沥青，脱油沥青进一步用蒸汽加热，进入2级闪蒸罐，罐顶蒸出的少量丙烷与1级闪蒸丙烷气混合后经空冷降温回收，罐底沥青相去汽提塔，其流程见图1。

图1沥青溶液2级闪蒸工艺流程

该工艺用于加热沥青溶液和蒸发丙烷的能耗减少24.1%，用于冷却丙烷蒸汽的能耗减少71.6%。

埃克森美孚研究与工程公司（EXXONMOBIL）在2015年开发了集成水力空化（Integrated hydrodynamic cavitation）的溶剂脱沥青系统［14］，其核心部分水力空化单元为EXXONMOBIL的专有技术。

渣油馏分首先在水力空化单元进行水力空化作用，目的是使其中一部分高分子量烃转化为较低分子量的烃，空化后的油品进入分离单元，分离出的空化轻质油可去常减压回炼，重质油送入抽提塔进行溶剂萃取。脱沥青油一部分作为优质催化料，一部分循环回到水力空化单元入口，以降低渣油粘度，有利于空化作用。集成水力空化溶剂脱沥青系统能进一步提高脱沥青油收率和质量，降低残炭和镍、钒含量。该技术工艺流程见图2。

图2集成水力空化的溶剂脱沥青系统工艺流程

韩国能源技术研究院最新研究发现［15］，通过在脱沥青油—溶剂混合溶液中添加1种亚临界或超临界流体（如二氧化碳、甲烷等），添加剂与混合溶液的质量比为1：1到3：1，进一步使溶剂与脱沥青油分离，溶解了溶剂的添加剂经变温变压再解析出溶剂。该方法可省去溶剂脱沥青装置的加热炉，不需额外供热，但为获得亚临界或超临界添加剂而新增的能耗和设备投资，以及溶剂解析增加的设备投资，是实现工业化应用需权衡的因素。

1.2 国内溶剂脱沥青工艺概述及进展

我国溶剂脱沥青装置早期主要以丙烷为溶剂，生产润滑油料和催化裂化原料。目前国内溶剂脱沥青装置工艺技术取得了长足进展，主要来自国内科研机构研发和已有工艺包基础上改进。

1984年，由北京石油科学研究院等联合开发了以丁烷为溶剂的溶剂脱沥青技术，并于1987年在吉林建成投产，是国内首套自主开发、建设的混合C4溶剂脱沥青装置［16］。1985年大连石化对原有的丙烷脱沥青装置进行扩建和改造，采用了超临界溶剂回收工艺、增压流程及抽提塔改造等，扩能的同时还增加了操作的灵活性［17］。

20世纪90年代，抽提塔内件的改进对相际间传质效果有明显改善，包括蜂窝型格栅规整填料、旋风分离器、环形挡板、超声波螺旋片等。

清华大学朱慎林等人［18］开发的高效萃取塔结构采用自主研发的蜂窝型格栅规整填料，配合多管型分布器、波纹板填料支承，首次在锦西石化丙烷脱沥青装置实施改造，改造后有效提高了萃取塔通量，轻脱油收率提高4%，总拔出率提高3.5%，且运行几年无结焦堵塞的现象。中国石化济南分公司丙烷脱沥青装置改用FG型蜂窝系列规整填料，并将其它主要设备进行配套改造后，生产能力增加20%，相同加工条件下脱沥青油收率增加4%。

中国石化南阳分公司使用高效萃取塔，配合FG—II型格栅规整填料及并列多管型进料分布器［19］，可有效提高萃取塔的抽提效果，降低传质阻力，操作温度比传统转盘塔低24℃，溶剂纯度平均降低15.2%，有利于节能降耗，停工后装置未发现管线内结焦堵塞问题，检修难度低。

祖德光等［20］在抽提器顶部设置1种加热盘管，热载体选用导热油或汽轮机油，通过回收加热炉烟气余热，向抽提器顶部循环给热，该方法在提高抽提效率的同时，节省能耗，灵活控制脱沥青油和胶质的品质。利用高温高压溶剂的高温位热量、改进萃取塔内填料、使用导热油给装置供热、改进沥青加热炉结构等方法能够大幅节能21.7%。

2010年，中国石油大学重质油实验室研发了连续式溶解梯度分离实验装置［21］。通过将一定比例的渣油和溶剂在混合器中混合后送入抽提塔，抽提塔采用梯级分离操作，抽提塔底部的沥青相送入沥青蒸发器中，溶剂与沥青质闪蒸分离，蒸发器底部得到沥青产品。抽提塔顶部的脱沥青油进入加热炉，加热到一定温度时进入分离器，分离出轻脱油和重脱油。该装置以委内瑞拉超重油减渣为原料，试验结果表明，脱沥青油收率大于70%，沥青脱除率大于90%，残炭脱除率大于60%，重金属脱除率大于70%，该技术给处理超重劣质重油提供了新的思路。国内溶剂脱沥青的工业应用情况［22］见表2。

我国溶剂脱沥青装置多采用丙烷2段脱沥青工艺，可同时生产轻脱油和重脱油，轻脱油和重脱油是很好的润滑油原料和催化裂化、加氢裂化原料，2段脱沥青工艺可根据行业情况或全厂生产调度灵活改变产品方案，但与国外同类装置相比，国内装置的综合能耗较高，主要来自加热炉燃料消耗及中高压机泵电耗。可以从改进工艺、更新设计、提高管理、加强监督等方面寻求节能减排。

表2 2018年中国部分溶剂脱沥青装置工业应用情况

2 溶剂脱沥青组合工艺研究进展及工业化状况

采用先进的渣油深加工技术实现重油轻质化是我国炼油工业重要的技术发展方向。溶剂脱沥青工艺能够脱除渣油中使催化剂中毒的重金属和容易结焦的沥青质等，因此以溶剂脱沥青技术为“龙头”的组合工艺，对原料适应性广，能够根据不同的原料制定不同产品方案，从而顺应市场需求变化，提高经济效益。

水恒福等［23］在连续溶剂脱沥青装置上考察掺炼催化油浆对渣油溶剂脱沥青过程的影响，发现利用催化裂化外甩油浆作为溶剂脱沥青原料之一进行掺配，能够有效降低原料粘度，减小传质阻力。研究表明，随着掺配量的增加，能有效提高脱沥青油收率，芳香分和饱和分含量也均有上升，此外还能够充分利用催化裂化产生的油浆，拓宽溶剂脱沥青和催化裂化原料的来源。催化油浆掺配比对脱沥青油族组成的影响见表3。

表3催化油浆掺配比对脱沥青油族组成的影响

经溶剂脱除沥青质和重金属的脱沥青油是很好的催化裂化或加氢裂化的原料，针对不同原油性质，科研单位和工作者研究出更多适应性较强的组合工艺。其中，应用较广的有“溶剂脱沥青—催化裂化”组合工艺、“溶剂脱沥青—焦化”组合工艺、“常压闪蒸—溶剂脱沥青”组合工艺、“溶剂脱沥青—减粘裂化”组合工艺等。

中国石油长庆石化利用“溶剂脱沥青—催化裂化”组合工艺［24］，解决了催化裂化装置原料油残炭高，沉降器和分馏塔底易结焦等问题。通过组合工艺优化，降低了催化裂化原料中胶质、沥青质的含量，减压渣油残炭脱除率达48%，轻油收率提高3.64%，总液收提高4.08%。中国石化洛阳分公司的RSDA—FCC组合工艺［25］的运行数据也表明，该组合工艺适用于加工劣质、重质原油，可显著改善催化裂化原料性质，生产出的催化汽油含硫量明显降低。镇海炼化结合自身情况，对原有“溶剂脱沥青—催化裂化”组合工艺进行改进，开发出“溶剂脱沥青—蜡油加氢—催化裂化”组合工艺［26］，将催化裂化油浆返回溶剂脱沥青掺炼改善脱沥青油性质，同时催化裂化装置掺炼一定比例的精制蜡油。溶剂脱沥青产出的脱沥青油去蜡油加氢装置，同时保留去重油催化裂化的工艺路线，保证脱沥青油质量异常或蜡油加氢装置异常时仍能进入重油催化裂化，溶剂脱沥青产出的脱油沥青作为化肥气化炉原料，其工艺流程见图3。

图3“溶剂脱沥青—蜡油加氢—催化裂化”组合工艺流程

“溶剂脱沥青—催化裂化”组合工艺应用于不同炼油企业的产品分布见表4。

表4表明，利用“溶剂脱沥青—催化裂化”及其衍生组合工艺能够提高催化裂化装置的轻收和液收，降低油浆收率，有利于重油轻质化。

孙学文等［27］在研究以辽河减压渣油为原料的“溶剂脱沥青—催化裂化”组合工艺时发现，随着溶剂脱沥青操作压力增大，脱沥青油收率增大，沥青质收率明显降低，当压力升至7.0 MPa时，操作温度160～180℃，剂油比4:1的条件下，脱沥青油收率达到74.22%，将脱沥青油送至催化裂化装置，沥青残渣送至焦化装置反应1 h，总液化气+轻油收率较减压渣油直接焦化提高了4.06%。

宁爱明等［28］以塔河原油为原料，通过常压闪蒸将轻组分蒸出，闪蒸渣油作为溶剂脱沥青单元进料，探究了“常压闪蒸—溶剂脱沥青”组合工艺。研究表明，当闪蒸温度控制在260℃左右，塔河原油中环烷酸腐蚀性较低，能减少设备投资。溶剂脱沥青抽提温度控制在175℃时，脱沥青油收率为75.2%，且基本不含沥青质，可得到优质加氢裂化料。“常压闪蒸—溶剂脱沥青”组合工艺相较于将常渣延迟焦化的工艺，总液收提高9.47%，常压闪蒸操作能有效减少原油中环烷酸腐蚀。目前该工艺工业化装置未见报道但具有一定发展前景。

表4不同炼油企业“溶剂脱沥青—催化裂化”组合工艺产品分布

于志敏等［29］通过将减粘裂化反应后的物料进行分馏，未馏出的减粘重组分油经溶剂脱沥青装置，溶剂采用C3～C6链烷烃复配抽提。去除油品中对生产针状焦不利的裂化活性较高的组分和聚合活性高的组分及大量的催化剂粉末、重金属、硫、氮等杂质，所得针状焦原料产率高、性质好。

KBR和Shell公司提供的1种减粘裂化和溶剂脱沥青组合工艺技术，将减粘裂化装置改质的减压瓦斯油和高压减压闪蒸裂化渣油减压闪蒸后送入溶剂脱沥青装置，以生产氢含量高的石蜡基脱沥青油。据称，将减粘裂化装置置于溶剂脱沥青装置之前能使溶剂脱沥青单元更小，因此节约建设投资。此外减粘减压瓦斯油的质量更高，可为下游裂化装置提供更好的原料，以生产柴油等优质原料［30］。国际海事组织（IMO）于2020年1月开始实施船用燃料油硫含量低于0.5%的标准，今后此种组合工艺的需求量将会增大。

法国石油研究院开发了1种“沸腾床加氢—溶剂脱沥青组合工艺”［31］，将沸腾床加氢装置的反应产物经分馏切割出300℃以上重质馏分，重质馏分进入溶剂脱沥青装置，溶剂采用至少1种极性溶剂和1种非极性溶剂，可通过调节其比例来控制脱沥青油收率，极性溶剂比例越高，脱沥青油的收率越高，沥青相含油越少。该组合工艺优点为：（1）能够明显降低油品中的硫、氮、金属和残炭含量；（2）原料适应性广，加工方案灵活，可用于加工原油、常渣、煤直接液化重油、木质纤维素直接液化重油等；（3）通过调节溶剂组成控制产品质量。

美 国Foster-wheeler公 司［32］开 发 了“VDUSDA-HC”（减压蒸馏—溶剂脱沥青—加氢裂化）其工艺路线为：常渣馏分送至减压塔蒸馏，减压塔底部的减压渣油经溶剂脱沥青装置处理，得到的脱沥青馏分与减压馏分油（VGO）作为加氢裂化原料，沥青经调和后出厂。由于溶剂脱沥青装置能有效将减渣中的多核芳烃（PNA）从分离出来，避免加氢裂化装置催化剂结焦失活。

表5部分溶剂脱沥青组合工艺的原料性质

表5对部分溶剂脱沥青组合工艺的原料性质作了归纳整理，对于高黏高酸原油（如塔河原油），利用“常压闪蒸—溶剂脱沥青”组合工艺，能有效减少环烷酸带来的酸腐蚀问题；而残炭高、胶质、沥青质高的原料（如辽河减渣），采用“溶剂脱沥青—催化裂化—焦化”组合工艺能够进一步降低固体焦炭产率，提高液收，也可以采用“溶剂脱沥青—气化—催化裂化”组合工艺，充分利用脱油沥青中附加值较低的残炭、胶质、沥青质；“溶剂脱沥青—蜡油加氢—催化裂化”组合工艺利用溶剂脱沥青装置抽提出脱沥青油进行蜡油加氢，获得精制蜡油作为催化裂化原料，适合于含有较多蜡油馏分的减渣或其它劣质重油。生产实践中，还应结合装置特点、已有条件、投资预算、产品方案、全厂调度等因素综合分析，选择合适的组合工艺。

近年来，随着新型重油加工技术不断推陈出新，其与溶剂脱沥青的组合工艺成为发展趋势，如2018年底建成投产的大连恒力2 000×104t/a炼化一体化项目，采用世界领先的沸腾床渣油加氢裂化+溶剂脱沥青组合工艺技术，使渣油、蜡油等附加值较低的重质油最大限度转化成高附加值的重整石脑油，渣油转化率可达到90%。溶剂脱沥青工艺还可与悬浮床加氢裂化工艺、三聚环保MCT工艺等结合起来，在提高劣质重油转化率的同时，加氢尾油能够灵活选择回炼或进行溶剂脱沥青处理，一方面可有效减轻加氢反应器和分馏系统负担，另一方面可进一步提高轻油收率。

3 结束语

纵观近几十年世界范围内溶剂脱沥青技术的技术发展历程，国外成熟的工艺如ROSE、Demex、LEDA、Solvahl等工艺技术已在全球广泛应用。同时，新的工艺技术也在不断推陈出新。首先，从装置运行情况看，采用亚临界抽提、超临界溶剂回收技术能够明显降低能耗，且占地少、设备投资少，对于新建或改建的溶剂脱沥青装置应优先考虑。其次，通过对国内外溶剂脱沥青技术进展情况和工业应用情况的调查和总结，国内装置的能耗普遍高于国外，未来可以从工艺技术、设计理念、管理水平、生产监督等方面寻求节能减排的方法。目前对溶剂脱沥青技术的科学研究和工艺开发主要围绕工艺流程优化、抽提器结构优化、专有设备研发以及新型分离技术等方面展开，主要目标是降低能耗、提高脱沥青油收率、改善沥青产品品质、扩宽原料适应性等。最后，溶剂脱沥青与催化裂化、延迟焦化、减粘裂化等技术的组合工艺能有效解决催化裂化积碳、催化剂中毒的问题，也能弥补延迟焦化高附加值产品收率低的不足，同时能减轻设备结焦，企业可结合自身装置特点、已有条件、投资预算、产品方案、全厂调度等因素综合分析，选择合适的组合工艺生产。随着国际原油价格回升，溶剂脱沥青工艺与陆续发展起来的世界先进的重油加工技术相结合，开发更完善的组合工艺技术链，将高残炭、高沥青质部分的劣质油直接或间接转化为高附加值的产品，是未来溶剂脱沥青工艺发展的重要方向。