掺炼轻脱沥青油对DCC-plus催化裂解装置的影响及对策

赵长斌，王胜潮

(中海石油宁波大榭石化有限公司，浙江 宁波 315812)

某石化公司2.2 Mt/a催化裂解装置采用中石化石油化工科学研究院有限公司(简称石科院)研发的DCC-plus专利技术，以常压渣油和加氢裂化尾油为原料，以乙烯、丙烯等低碳烯烃为主要目的产品，副产富含芳烃的裂解石脑油[1]。DCC-plus装置反应-再生系统型式如图1所示。

图1 DCC-plus装置反应-再生系统示意[2]

由图1可以看出，DCC-plus装置采用提升管与流化床串联的组合反应器形式，重质原料油首先在提升管反应器中进行一次裂化反应，然后进入流化床反应器继续进行二次裂化，从而最大量生产丙烯和丁烯[3-4]。再生系统采用烧焦罐+床层再生技术，其中烧焦罐具有高温、富氧、高线速和高烧焦强度等特点，再加上部分床层再生，可以得到很好的催化剂再生效果，同时可有效抑制再生器稀相尾燃[5]。

该装置自2016年6月首次开工以来运行平稳，乙烯和丙烯等低碳烯烃的收率一直保持较高的水平[6]。随着2022年3月1.6 Mt/a溶剂脱沥青(溶脱)装置的开工，0.35 Mt/a(42 t/h)的轻脱沥青油(轻脱油)的去路问题制约着全公司的经济效益。在高油价的严峻形势下，为增加经济效益，拓宽DCC-plus装置的原料来源，根据公司整体经营部署，计划在DCC-plus装置掺炼轻脱油。

为更好地摸索DCC-plus装置掺炼轻脱油的操作经验，充分考虑加工轻脱油对DCC-plus装置的影响，该公司委托中石化石油化工科学研究院有限公司在小型固定流化床(FFB)装置上，以常压渣油和加氢尾油的混合油(质量比为55∶45)作为未掺入轻脱油的基准油，对轻脱油的掺炼比(混合原料油中轻脱油的质量分数)分别为0，10%，20%，30%，100%几种方案进行裂解性能评价。试验中使用的催化剂为DMMC-2老化剂，其微反活性为64。

1 原料油性质的变化

加工原料油的性质见表1。轻脱油掺炼前，常压蒸馏1号装置(I常)一直加工西江原油/南堡原油质量比为4∶6的混合原油，常压渣油性质稳定。由表1可知，掺炼轻脱油后原料中硫、氮含量均有明显增加，原料的密度增加，从馏程上看原料变重，不同切割点温度升高，而残炭稍有降低，重金属含量基本保持不变。轻脱油的氢质量分数只有12.19%，所以混合原料的氢含量呈下降趋势，多产丙烯的能力下降[7]。由于轻脱油族组成中，饱和分含量较低，芳香分、胶质含量较高，因此混合原料生焦倾向增加，裂化性能变差，原料性质呈变差趋势。

表1 原料油性质

2 掺炼轻脱油对DCC-plus装置的影响

2.1 实验室评价结果

在FFB装置上考察掺炼轻脱油后的产物收率及产品性质变化，结果见表2和表3。

由表2可见，单独加工轻脱油，丙烯产率为19.02%，与不加轻脱油的基准油相比，丙烯产率降低了4.62百分点。混合原料中随着轻脱油掺炼比提高，原料油转化率呈降低趋势，产物中干气、裂解轻油、裂解油浆和焦炭产率均呈增加趋势，而液化气和裂解石脑油产率呈降低趋势。随着轻脱油掺炼比提高，乙烯产率呈降低趋势，且乙烯在干气中的占比明显降低，干气中氢气、甲烷、乙烷等的含量明显提高。

表2 不同轻脱油掺炼比下的转化率和产物收率

由表3可以看出，随着轻脱油掺炼比提高，丙烯产率呈降低趋势，丁烯产率呈先升高后降低的趋势。混合原料中加入轻脱油后，液化气烯烃含量明显提高，氢转移系数(异丁烷与异丁烯质量比)明显降低。

表3 不同轻脱油掺炼比下的干气、液化气组成

由表2可以看出，基准油中掺入轻脱油后，丙烯的实际产率高于丙烯的理论产率。这主要是由于轻脱油的吸附力较强，优先吸附在催化剂上生成一定量的焦炭，降低了催化剂上的活性中心数量，减少了氢转移反应，从而提髙了液化气中的丙烯含量。

图2和图3为以未掺炼时产率为基准、DCC-plus掺炼轻脱油后部分产物的产率变化。由图2和图3可知：混合原料中轻脱油掺炼比例低于20%，对产品分布影响较小；轻脱油掺炼比例超过20%，乙烯、丙烯、LPG、裂解石脑油产率明显降低，焦炭、干气、裂解轻油产率明显增加，对装置整体效益影响较大。因此，工业化装置回炼轻脱油时，掺炼比不宜超过20%。

图2 乙烯、丙烯、LPG、裂解石脑油的产率变化■—乙烯; ●—丙烯; ▲—液化气; ◆—裂解石脑油

图3 干气、裂解轻油、焦炭的产率变化■—干气; ●—裂解轻油; ▲—焦炭

2.2 工业化装置运行结果

自2022年5月18日，DCC-plus装置开始首次掺炼轻脱油，初期掺炼量控制在10～15 t/h，装置稳定运行4 d后，逐步将轻脱油掺炼量提至40 t/h。掺炼比控制在20%以下。

2.2.1对产品分布的影响

表4为DCC-plus装置掺炼轻脱油前后的产物分原。由表4可知，轻脱油掺炼量提至40 t/h时，掺炼比为17.3%，加工同种常压渣油，其转化率和反应深度降低，产品分布变差。液化气收率降低了1.91百分点，汽油组分(裂解石脑油+裂解C5)收率降低了0.94百分点；裂解轻油收率提高了1.62百分点，生焦产率提高了0.41百分点。高附加值产品乙烯收率降低了0.13百分点，丙烯收率降低了0.57百分点。与表2实验室结果(掺炼比20%)相比，各物料产率的变化趋势是一致的。其中干气、油浆、焦炭、乙烯、丙烯产率变化幅度比较接近，而液化气、裂解轻油产率偏差较大，特别是裂解轻油产率比实验室结果高5.00百分点，说明了轻脱油的裂解性能较差，大部分转化为中间柴油馏分。

表4 工业化装置产物分布

2.2.2对主要产品性质的影响

裂解干气和裂解液化气的组成见表5。由表5可知：加工轻脱油后，产品裂解干气中硫化氢体积分数增加了350 μL/L，乙烯选择性有所降低，乙烯体积分数降低了1.06百分点，干气中的氢气、甲烷、乙烷等的体积分数分别提高了0.39，1.06，0.38百分点。与表2得出的结论一致。

表5 裂解干气和裂解液化气的组成

由表5还可知，加工轻脱油后，产品液化气中硫质量浓度升高了96 mg/m3，丙烯体积分数增加了0.41百分点。验证了前面提到的“轻脱油的吸附力较强，优先吸附在催化剂上生成一定量的焦炭，降低了催化剂上的活性中心数量，减少了氢转移反应，从而提髙了液化气中丙烯的质量分数”的结论。

裂解石脑油性质见表6。由表6可知，掺炼轻脱油后，裂解石脑油中硫质量分数增加了53 μg/g。与实验室评价的结论一致，芳烃质量分数增加2.9百分点，烯烃质量分数量降低了1.4百分点。

表6 裂解石脑油的产品性质

2.2.3对操作参数的影响

掺炼轻脱油前后反应-再生系统主要操作参数见表7。为提高丙烯选择性，第三反应器催化剂藏量降低2 t；因原料明显变重，生焦略有增加，为保持热平衡，油浆回炼量降低9 t/h，其余操作参数未作调整。

表7 反应-再生系统的主要操作参数

2.2.4对装置能耗的影响

掺炼轻脱后前后DCC-plus装置能耗的变化见表8。由表8可见，掺炼轻脱油后，装置总进料单耗为88.21 kgOE/t(1 kgOE=41.8 MJ)，比掺炼前降低了1.12 kgOE/t，主要表现在装置3.5 MPa蒸汽和催化烧焦两方面变化。

表8 掺炼轻脱油前后装置物耗和能耗的变化

(1)3.5 MPa蒸汽。因掺炼轻脱油，原料变重，反应生焦率增加，反再过剩热量有所增加，外取热汽包产汽量增加了3.2 t/h；因轻脱油全部采用直供料，原料进装置温度增加，油浆与原料换热负荷降低，相应油浆蒸汽发生器取热负荷增加，油浆蒸汽发生器汽包产汽量增加2.6 t/h。同时因原料裂解性能降低，气体产量减少，气压机组运行负荷降低，汽轮机耗汽量降低3.8 t/h，综合上述原因，装置3.5 MPa蒸汽进装置量降低了9.1 t/h，3.5 MPa蒸汽单耗降低了3.08 kgOE/t。

(2)催化烧焦。掺炼轻脱油后，原料密度、馏程都有明显增加，原料变重，反应生焦量增加，催化烧焦单耗增加了1.63 kgOE/t。

2.2.5对系统催化剂的影响

掺炼轻脱油前后平衡剂的主要性质见表9。从表9可以看出，系统内平衡剂活性、比表面积、孔体积没有明显降低，筛分组成变化不大，表明掺炼轻脱油后，生焦量增加，但对再生器烧焦未造成大的影响，未对催化剂产生破碎、水热失活等不利影响。从三级旋风分离器入口和烟机入口粉尘质量浓度一直维持在360 mg/m3和118 mg/m3左右，也证明这一点。由于轻脱油本身重金属含量不高，所以平衡剂上重金属含量没有大的变化，也不会影响催化剂的活性及选择性。

表9 掺炼轻脱油前后平衡剂的主要性质

2.2.6对再生烟气污染物含量的影响

从表10可以看出，掺炼轻脱油后再生烟气中污染物NOx的排放质量浓度变化不大，由34 mg/m3增加到50 mg/m3，远未达到100 mg/m3的环保指标上限。这表明轻脱油带来的氮只有一部分转化为NOx进入再生烟气，其余转化为氮气。

表10 掺炼轻脱油前后再生烟气污染物排放浓度变化

3 对 策

按照公司的生产经营计划，溶脱装置的轻脱油产量为42 t/h，全部作为DCC-plus装置掺炼原料，DCC-plus原料基本符合质量指标，考虑到轻脱油为首次掺炼，为确保装置平稳运行，在加工溶脱轻脱油时，采取以下对策：

(1)轻脱油加工过程中要注意原料的硫含量、氮含量、残炭、密度等指标。因溶脱轻脱油性质总体与石蜡-中间基常压渣油类似，在加工时可以代替部分常压渣油。为确保装置平稳运行，前期按10～15 t/h进行少量掺炼；在原料的硫、氮含量未超工艺指标且未对产品分布造成较大影响的情况下，可考虑逐步提高轻脱油掺炼比例，直至达到20%。

(2)要密切注意混合原料性质变化对反应生焦量的影响，重点关注外取热器产汽量变化，可通过油浆回炼量进行调节热平衡，保持装置运行平稳。

(3)因轻脱油直链烷烃含量较低，环烷烃、芳烃含量较高，产品液化气、丙烯收率会降低，汽油、裂解轻油收率会增加，分馏稳定系统、精制气分MTBE装置相应做好操作调整，保证产品质量合格，同时要重点关注精制干气和MTBE产品中硫含量变化，精制装置可适当提高碱液置换量，保证产品硫化物含量指标合格。

(4)定期分析系统平衡剂的主要性质，重点关注催化剂活性及筛分组成指标，根据实际工况可适当提高新鲜剂的加注量，保证催化剂性能指标，提高催化裂解反应深度。

(5)因轻脱油中硫、氮含量要高于常压渣油，要密切关注低温烟囱外排烟气SOx、NOx浓度，及时提高烟脱除尘塔碱液注入量，避免外排烟气污染物浓度超环保指标。

4 效益分析

由于DCC-plus装置掺炼20%轻脱油后，解决了1.6 Mt/a溶脱装置0.35 Mt/a(42 t/h)的轻脱油的出路问题，公司可减少采购高价的低硫石蜡基轻质原油0.6 Mt/a，特别是在高油价下，可实现资源合理优化利用，经测算，可获得540元/t(对轻脱油)的效益，年增效益达1.9亿元。

5 结 论

该公司DCC-plus装置首次成功掺炼20%轻脱油后，经过半年的运行表明：

(1)DCC-plus装置掺炼轻脱油后，原料中硫、氮含量和密度均有所增加，明显变重，反应生焦量增加。

(2)掺炼轻脱油后，实验室与工业化装置产品分布趋势一致，随着掺炼比的提高，产品分布呈变差趋势。掺炼比控制在20%以下，对产品分布影响最小，装置效益最佳。

(3) 工业化装置的掺炼比控制在20%以下，液化气收率降低了1.91百分点，裂解轻油收率提高了1.62百分点，生焦收率提高了0.41百分点。高附加值产品乙烯收率降低了0.13百分点，丙烯收率降低了0.57百分点。

(4) 掺炼轻脱油对催化剂的损耗无明显影响，对烟机平稳运行无不良影响，对再生烟气中污染物排放浓度也没有产生负面影响。

(5) 虽然高附加值产品乙烯、丙产率略有降低，但从公司资源合理优化利用的角度分析，不仅解决了1.6 Mt/a溶脱装置0.35 Mt/a(42 t/h)的轻脱油的去路问题，而且在高油价市场环境下拓宽了DCC-plus装置的原料来源，证明了DCC-plus工艺对不同原料的适应性，可获得540元/t(对轻脱油)的效益，年增效益可达1.9亿元。