高苛刻度延迟焦化装置掺炼催化裂化油浆的工业实践

顾 承 瑜

(中国石化金陵分公司，南京 210033)

延迟焦化是当前炼油厂劣质重油加工的重要手段，我国现有延迟焦化装置100余套，总加工能力超过110 Mt/a，居世界第二位[1]。中国石化拥有30余套焦化装置，加工能力超过40 Mt/a。随着加工原料的日益劣质化和环保要求的逐步提高，延迟焦化装置作为炼油厂的“垃圾桶”，一方面可平衡炼化企业重油加工，处理最为劣质的重油；另一方面也可处理催化裂化油浆、脱油沥青、污油、浮渣等其他装置难以处理的物料，具备一定的平衡和环保功能[2-3]。随着联锁顺控和密闭除焦等技术的应用，延迟焦化装置自身的安全环保技术水平得到了明显改善，从而在新形势下提高了延迟焦化工艺的生命力。

催化裂化油浆是催化裂化装置较难转化而外甩的副产物，一般外甩量为装置处理量的3%～10%。催化裂化油浆的品质差、芳香分含量高、灰分高，含有催化剂颗粒，目前主要的处理方式是作为燃料油调合组分和延迟焦化装置的原料进行掺炼。因油浆中存在催化剂颗粒，会导致燃料喷嘴磨损，且由于燃料油消费税提高，油浆作为燃料油的效益较差[4]。因此，油浆进入延迟焦化装置掺炼，生产干气、液化气、汽油、柴油、蜡油和石油焦等产品，成为多数炼油厂催化裂化油浆处理的主要途径[5-7]，具有相对较好的经济效益。

目前，延迟焦化装置加工催化裂化油浆主要有两种掺入方式：一种是将催化裂化油浆直接与减压渣油混合，然后经过换热器、分馏塔、加热炉等，最后进入焦炭塔进行生焦反应；另一种是将催化裂化油浆单独加热至500 ℃左右，在加热炉出口与渣油混合，然后进入焦炭塔反应。前者只需少量改动即可利用现有装置进行油浆掺炼，且油浆掺炼比例可灵活调节，但油浆固含量高时，存在换热器易结垢、进料流量控制阀冲刷腐蚀、泵叶轮磨损等问题[8-11]；后者油浆不经过换热器和分馏塔，可避免催化剂沉积结垢问题，但需新建油浆加热炉，受装置空间和投资等限制，仅适用于部分有条件的装置[12-13]。然而，由于催化裂化油浆中的短侧链的芳香分含量高，热反应活性低，无论采用哪种掺炼方式，都需要提高催化裂化油浆在延迟焦化装置的转化深度，缓解催化裂化油浆在延迟焦化-蜡油加氢-催化裂化装置间的“跑龙套”问题[14]。

为发挥延迟焦化装置加工催化裂化油浆的优势，提高掺炼催化裂化油浆的综合效益，调研了国内不同装置催化裂化油浆的组成与性质，采用重油微型热反应装置，研究催化裂化油浆与减压渣油的热反应产品分布差异，以及掺炼比例对产品分布的影响。针对掺炼催化裂化油浆的特点，对某延迟焦化装置进行了提高焦化炉反应苛刻度的技术改造，在高苛刻度延迟焦化装置上进行了掺炼催化裂化油浆的工业实践。

1 催化裂化油浆组成特点

催化裂化油浆是经过高温催化反应的副产物，主要成分为一环至五环芳烃，其次为饱和烃，还含有一定量的胶质和沥青质。表1为加工不同原料催化裂化装置油浆的主要性质对比[7，15]。

表1 不同装置催化裂化油浆性质对比

不同来源催化裂化油浆的对比数据表明，与减压渣油相比，催化裂化油浆具有密度大(通常大于1 000 kg/m3)，芳香分含量高，胶质、沥青质含量低，残炭低，固含量高(主要是催化剂)的特点。由于原油种类及催化裂化/裂解反应条件、催化剂旋风分离效果等存在较大差别，不同装置副产的催化裂化油浆组成也具有一定的差异性。表1中不同催化裂化油浆的芳香分质量分数从最低47.4%到最高88.4%，差别很大；H/C原子比最高为1.38，最低为1.03。由此可知，不同催化裂化油浆的反应特性和产品分布也会存在一定差异。此外，文献[16]报道，催化裂化油浆的微量法残炭与电炉法残炭存在较大差别，主要原因是两种残炭测量方法的反应温度和油气分压不同，而油浆在测试温度下的生焦率对油气分压较为敏感，导致催化裂化油浆的微量法残炭明显小于电炉法残炭。因此，参考催化裂化油浆残炭时应明确测试方法。

2 催化裂化油浆反应特性

为了考察催化裂化油浆的热反应特性，采用重油热加工性能微反评价装置[17]，分别在相同热反应条件下(500 ℃、2 h和500 ℃、4 h)进行金陵减压渣油、金陵油浆和不同油浆掺炼比例(w，下同)下的热反应试验，主要结果见表2。

表2 催化裂化油浆、减压渣油及不同油浆掺炼比例下的热反应试验结果

条件一(500 ℃，2 h)下的试验结果显示，尽管催化裂化油浆的残炭低于减压渣油，但相同反应条件下，油浆的焦炭产率和气体产率均明显高于减压渣油，纯油浆的焦炭产率高达36.63%，掺炼油浆后减压渣油的焦炭产率随油浆掺炼比例的增大而不断升高。条件二(500 ℃，4 h)下的评价结果显示：增加反应时间后，减压渣油的产品分布变化很小，表明生焦反应较为彻底；而催化裂化油浆的焦炭产率降低了3.07百分点，气体产率和液体收率分别增加了0.54百分点和2.53百分点，掺炼油浆后减压渣油的焦炭产率也较条件一时有所降低，表明高芳烃含量的催化裂化油浆发生断链与缩合反应需要更多的热量和更高的反应苛刻度。文献[14]中的工业试验结果亦表明，提高焦炭塔压力、加热炉出口温度及装置循环比等有利于提高催化裂化油浆的芳烃转化率，但提高焦炭塔压力和循环比将增加装置焦炭产率，提高加热炉出口温度会加速焦化炉管的结焦。

3 焦化炉高苛刻度改造

如上所述，催化裂化油浆因芳香分含量高，热反应活性低，进延迟焦化装置掺炼时需提高其反应苛刻度，从而缓解油浆在装置间的“跑龙套”问题。为了提高延迟焦化装置掺炼催化裂化油浆的转化深度，同时确保装置长周期运行，对某1.80 Mt/a延迟焦化装置焦化炉进行了高苛刻度技术改造。在焦化炉辐射室入口增加6根炉管(Φ114 mm×8.56 mm，共6路进料)，焦化炉辐射进料先进入新增的6根炉管，再进入辐射室底部炉管，自下往上流动，最后从辐射室顶部出焦化炉，进入焦炭塔。通过增加辐射炉炉管的方式延长物料在炉管内的反应停留时间，从而可在不提高炉出口温度的情况下，增加炉管内物料的转化率和反应苛刻度，有利于延缓高苛刻度下焦化炉炉管结焦。焦化炉改造前后的关键工艺参数与模拟结果如表3所示。

表3 焦化炉改造前后关键工艺参数与模拟结果

模拟结果显示，增加辐射炉炉管后，焦化炉炉管内430 ℃以上馏分停留时间由36 s延长至50 s，管内裂化转化率由8%提高至12%，同时由于增加了炉管吸热面积，降低了炉管平均热强度，炉管最高边界层温度由515 ℃降至508 ℃。因此，采用延长炉管内反应停留时间的方式，增加焦化炉管内反应给热量，有利于提高掺炼油浆的转化率，并在高苛刻度下控制焦化炉炉管结焦速率。

4 工业应用效果分析

为了考察高苛刻度延迟焦化装置掺炼油浆的效果，对装置改造前后的运行数据进行了统计分析。为提高对比数据的代表性，统计数据均采用月度平均值，对比工况加工的减压渣油和催化裂化油浆来自相同的上游装置，原料性质相近，焦化炉出口温度、装置循环比和焦炭塔压力相同。

4.1 炉管壁温

焦化炉管壁温度是监测炉管结焦状况的主要依据，管壁热偶温升速率能反映炉管的结焦速率。为了全面监测关键炉管结焦情况，从焦化炉出口起向内第8根炉管上设置了10支壁温热电偶。采用有效管壁热电偶测量结果的平均值作为监测指标，以尽量消除负荷波动、火焰飘散、热电偶误差等因素的干扰，统计了改造前后一个清焦周期内的炉管壁温变化情况，结果如图1所示。由图1可见，因改造后炉管平均热强度和炉膛温度降低，炉管壁温的总体温升趋势较改造前有所缓解，表明焦化炉高转化率条件下，炉管结焦速率可得到有效控制，未出现升温速率加快的情况。

图1 改造前后的炉管壁温变化情况

为了考察装置产品分布变化情况，统计了原料性质相近情况下改造前后1个月的产品分布数据，对比结果如表4所示。由表4可见，改造后焦化炉出口转化率由8%提高至12%，装置石油焦收率降低了1.1百分点，干气产率增加了0.4百分点，液化气和汽油收率均增加了0.2百分点，重蜡油收率增加了0.3百分点，柴油和轻蜡油收率变化较小。这是因为在生焦反应后期，裂化反应以短侧链的断键为主，因此产生的主要是小分子组分。

表4 改造前后的装置产品分布

4.2 产品质量

石油焦的挥发分含量是反映延迟焦化装置原料“吃干榨尽”程度的重要指标。在相同原料条件下，石油焦的挥发分含量越低，代表原料的热转化程度越高，通常石油焦中的氢含量也随之降低。统计对比了改造前后1个月的石油焦性质数据，结果列于表5。由表5可见，改造后石油焦挥发分质量分数较改造前降低2.1百分点，表明原料的热转化程度有所提高，高苛刻度条件有利于油浆的深度转化。

表5 改造前后的石油焦性质

5 结 论

针对延迟焦化装置掺炼催化裂化油浆时油浆转化率低，容易在装置间“跑龙套”的问题，采用重油微型反应装置，研究了催化裂化油浆的热反应特性。在工业延迟焦化装置上进行了高苛刻度掺炼催化裂化油浆的工业实践。

(1)尽管催化裂化油浆的残炭低于减压渣油，但在相同反应条件下，油浆的焦炭产率和气体产率均高于减压渣油，纯油浆在500 ℃、2 h反应条件下焦炭产率高达36.63%。反应时间由2 h延长到4 h后，减压渣油的产品分布变化很小，而催化裂化油浆的焦炭产率降低了3.07百分点，表明催化裂化油浆热反应需要更多的热量和更高的反应苛刻度。

(2)焦化炉高苛刻度改造后，炉管壁温的总体温升趋势较改造前有所缓解，炉管结焦速率得到了有效控制。改造后焦化炉出口转化率由8%提高至12%，装置石油焦收率降低了1.1百分点，干气产率增加了0.4百分点，液化气和汽油收率均增加了0.2百分点，在生焦反应后期，产生的主要是小分子组分。

(3)焦化炉高转化率条件下，石油焦挥发分质量分数较改造前降低2.1百分点，表明原料的热转化程度提高，高苛刻度条件有利于油浆的深度转化。