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延迟焦化装置大比例掺炼催化油浆优化操作控制的试验应用

发表时间: 2021-01-21 15:04:35

作者: 师彦俊

来源: 中国石油化工股份公司镇海炼化分公司

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摘要:为进一步发挥焦化装置加工催化油浆产生的经济效益优势,本文从催化油浆的性质入手,通过两个阶段性试验摸索通过提高焦炭塔压力、提高加热炉炉出口温度、提高装置循环比等关键参数,达到降低焦化蜡油中的芳烃含量的目地,进一步分析明确影响焦化蜡油中的芳烃含量的主要因素。同时在对以上参数改变后,大比例掺炼催化油浆后延迟焦化装置的产品分布、蜡油质量、能耗及对除焦取料设备的影响等情况进行分析。

关键词:延迟焦化   催化油浆  优化控制   探讨

前言

催化裂化是重质油轻质化重要的二次加工手段,一般外甩量控制在3%~10%(相对原料油量)。由于催化油浆外销困难,外销成本较高,国内一般将催化油浆作为锅炉的燃料调和组分或延迟焦化装置原料调和组分,但都存在一定的问题。按照目前的价格体系,在不考虑掺炼过程中带来的设备、管线、调节阀磨损等问题,且掺炼催化油浆后的焦化蜡油全部经过加氢处理后作为催化裂化原料的情况下,催化油浆进延迟焦化装置加工可产生可观效益。

2016年中石化镇海炼化分公司催化油浆进延迟焦化高比例回炼以来,油浆组分在焦化-加强裂化-催化装置之间存在芳烃“跑龙套”问题,油浆中芳烃含量逐渐上升,直接影响到催化装置渣油掺炼量和焦化装置负荷。为进一步发挥焦化装置加工催化油浆产生的经济效益优势,通过调整焦化装置的焦炭塔压力、加热炉出口压力、循环比等关键参数,提高催化油浆重组分在延迟焦化装置的生焦深度,缓解了催化油浆在焦化-蜡油加氢-催化装置间芳烃“跑龙套”的问题,提高大比例掺炼催化油浆在延迟焦化装置的运行效率,进行焦化装置掺炼油浆操作调整试验。

1  催化油浆与减压渣油的物性及组成特征

催化油浆的主要成分是四环芳烃,及无侧链、少侧链和短侧链的稠环芳烃,其次是饱和烃,还有少量的胶质和沥青质,而减压渣油的主要成分是二三环芳烃,并带有较多较长的原始侧链,因此两者在焦化过程中的反应不同。由表-1可知,催化油浆和减压渣油相比,具有密度大(一般在1000kg/m3以上),粘度低,康氏残碳值低,固含量高(主要是催化剂粉末),芳香分含量高,胶质、沥青质含量低的特点。目前公司两套催化装置油浆进入油浆储罐充分混合后,直供给焦化装置,在焦化装置原料油进料管线中混合,最终进入焦化装置原料罐。

表-1     催化油浆及减压渣油主要性质对比表


混合油浆数据

Ⅰ常减压渣油

Ⅱ常减压渣油

密度(kg/m³)

1095.00

1038

982

粘度(50℃)

19.17

19000


饱和烃(%)

4.88

14.2

23.1

芳烃(%)

94.13

48.3

40.9

胶质(%)

0.70

32.07

27.35

沥青质(%)

0.26

5.15

8.65

馏程(℃)




10%

365



30%

400



50%

420



70%

436



90%

482



350℃馏(ml)

8

0.5

0.1

500℃馏(ml)

100

7.7

8.1

催化油浆在延迟焦化装置的掺炼试验

催化油浆在延迟焦化装置的掺炼过程中,焦化反应过程中侧链断裂的反应较少,断裂的产物也是以小分子的气体烃类为主,而较多多环芳烃缩合成更大分子的胶质为主,在焦炭塔内继续发生缩合缩聚反应而最终生成焦炭,还有部分芳烃在加热炉和焦炭塔内的温度下,未发生断链或缩合反应,而随反应气进入分馏塔,最后以焦化蜡油形式被抽出导致公司催化油浆回炼期间“跑龙套”的现状。

为此,2017年7月份在焦化装置开展催化油浆回炼试验,试验期间焦化装置主要调整三项工艺参数:分别为通过提高压缩机入口压力来提高焦炭塔顶压力,进而延长焦炭塔内反应时间,提高生焦率;二是提高加热炉炉出口温度控制,进而加大焦化反应深度,促进芳烃类组成的生焦;三是提高装置循环比,通过增加蜡油回流下喷淋洗涤量,从而降低蜡油中的芳烃量,以摸索提高催化油浆在延迟焦化装置的掺炼效率,降低焦化蜡油中的芳烃含量,以解决催化油浆在延迟焦化装置的掺炼的芳烃“跑龙套”现状。

2.1  催化油浆第一阶段掺炼调整试验

7月3日开始油浆调整首个阶段的试验,装置油浆掺炼量维持20t/h(10%左右),将压缩机入口压力提高至65kPa(原60 kPa左右),7月5日至7月12日持续提高加热炉炉出口温度控制,并在7月12日达到加热炉出口温度稳定提高3℃的试验要求;于7月13日至7月18日提高装置循环比,加热炉出口温度逐步恢复到495℃,压缩机入口压力仍维持65 KPa,并在7月18日将装置循环比提高至1.3左右(原循环比为1.13左右),在试验最后三天催化油浆掺炼量由20t/h提至35t/h,比例达到15%以上,具体见表-2。

表-2   催化油浆掺炼工艺参数调整表

时间项目

循环比

油浆掺炼量

/(t.h-1)

炉出口温度/℃

压缩机入口压力

装置负荷

/t/d

7月2日

1.15

20.0

495.7

60.4

5800

7月3日

1.14

20.0

496.0

64.6

6090

7月4日

1.11

20.0

494.3

65.5

6237

7月5日

1.12

20.0

495.2

65.2

5777

7月6日

1.12

20.0

495.5

65.3

5881

7月7日

1.13

20.0

495.9

64.9

5895

7月8日

1.17

20.0

496.6

65.2

5742

7月9日

1.16

20.0

496.9

65.5

6010

7月10日

1.17

20.0

498.6

65.2

6227

7月11日

1.17

20.0

499.0

65.3

6217

7月12日

1.21

20.0

498.4

65.3

6183

7月13日

1.19

20.0

497.1

65.2

5979

7月14日

1.21

20.0

496.2

65.3

5932

7月15日

1.21

20.0

496.0

65.3

5577

7月16日

1.21

20.0

496.1

65.3

5534

7月17日

1.23

35.0

495.8

65.5

5516

7月18日

1.27

35.0

495.5

65.4

5313

7月19日

1.31

35.0

495.5

65.2

5082

2.1.1  产品收率的变化情况

在这个阶段试验期间焦炭收率从试验开始的26%上升至33%,蜡油收率从试验开始的22%下降至18%,柴油收率从试验开始26%下降至24.8%,汽油收率从试验开始的18.7%下降至16.3%;干气及液化气收率略有上升。随着试验的开展焦化装置的加工负荷由试验开始6000t/d左右的加工负荷降低至5000t/d,主要是由于循环比的提高,以及催化油浆掺炼比例提高,生焦率增加所致。

2.1.2  产品性质的变化情况

在试验过程中分别安排7月5日、7月11日、7月17日及7月20日共4次对焦化蜡油进行四组份分析,时间分别对应于装置压力调整到位、装置炉出口温度调整到位、装置循环比调整到位及装置油浆掺炼量调整到位四个阶段。分析数据如表-3及表-4。

表-3  催化油浆与焦化蜡油芳烃含量

      项目时间

7月5日

7月11日

7月17日

7月20日

Ⅱ焦化蜡油芳烃含量/%

62.88

52.8

61.6

66.52

Ⅰ催化芳烃含量/%

92.79

88.67

90.38

90.15

Ⅱ催化芳烃含量/%

94.24

91.43

90.02

87.76

表-4  催化油浆与焦化蜡油芳烃物料平衡

          时间项目 

7月5日

7月11日

7月17日

7月20日

焦化蜡油芳烃量/t.d-1

811

701

645

620

催化油浆芳烃量/t.d-1

446

432

436

764

(备注:7月20日催化油浆掺炼量由20t/h提至35t/h,对芳烃量增加有一定影响。)

由表-3、表-4可以看出,试验前后催化油浆芳烃含量与焦化蜡油芳烃含量通过提高装置压力及提高炉出口温度,焦化装置芳烃转化率提高,蜡油产品芳烃量下降100t/d以上,而当装置循环比提高后,焦化蜡油芳烃含量上升,但由于循环比提高后蜡油收率下降,装置总体芳烃转化率也是提高的。

试验期间,装置炉出口温度提高后,产品蜡油残炭从0.85%左右下降至0.7%,装置循环比调整到位后,产品蜡油残炭再次从0.7%下降至0.55%,说明试验过程中产品蜡油质量改善,蜡油重组分进入焦炭中。

2.2  催化油浆第二阶段掺炼调整试验

第二阶段催化油浆掺炼试验主要是将装置循环比维持在1.28左右,炉出口温度较正常高2℃,达到497℃,压缩机维持较高压力65KPa不变,催化油浆掺炼量提高到35t/h的工况下,掺炼比例超过15%以上。考察在这三个关键参数调整后工况下,高比例掺炼催化油浆产品收率情况、蜡油质量、油浆转化率以及除焦设备工作情况等影响。

2.2.1  催化油浆第二阶段掺炼调整试验

该阶段试验从7月24日持续到8月10日,高比例掺炼催化油浆期间工况参数变化如表-5。

表-5  高比例掺炼催化油浆工况数据表

项目时间

原料密度

/(kg.m-³)

加工量

/(t.d-1)

炉出口温度/

循环比

压缩机入口压力/KPa

7月24日

957

5108

495

1.3

65.1

7月25日

959

5190

495

1.27

65.3

7月26日

959

5238

495

1.26

65.7

7月27日

962

5316

494

1.24

65.4

7月28日

962

5172

494

1.25

65.3

7月29日

945

5092

495

1.29

65.4

7月30日

935

5602

496

1.27

65.3

7月31日

933

5774

496

1.26

65.5

8月1日

933

5810

497

1.26

65.5

8月2日

935

5964

497

1.26

65.48

8月3日

939

5834

497

1.27

65.41

8月4日

938

5808

497

1.28

65.54

8月5日

954

5728

496

1.26

65.48

8月6日

964

5372

494

1.27

65.23

8月7日

965

5292

494

1.26

65.40

8月8日

963

5276

494

1.26

65.29

8月9日

958

5258

494

1.27

65.59

8月10日

942

5276

496

1.31

65.57

2.2.2  试验前后Ⅱ焦化产品收率分布

焦化装置第二阶段催化油浆掺炼试验前后的产品收率变化见表-6、表-7。

表-6     试验前Ⅱ焦化产品收率分布表

项目时间

加工量/ (t.d-1)

原料密度/(kg.m-³)

干气收率/%

液化气收率/%

汽油收率/%

柴油收率/%

蜡油收率/%

焦炭收率/%

6月25日

6034

935

4.64

1.67

16.8

26.5

22.6

27.9

6月26日

6094

948

5.02

1.65

16.7

24.6

21.6

30.5

6月27日

5792

944

4.98

1.75

16.4

24.6

22.6

29.6

6月28日

5760

954

4.93

1.69

15.8

23.4

23.4

30.7

6月29日

5522

960

5.20

1.83

15.9

23.7

22.0

31.4

6月30日

5606

951

5.12

1.83

16.3

24.9

21.9

30.0

7月1日

5858

937

4.77

1.72

17.2

25.7

23.4

27.2

7月2日

6152

928

4.57

1.69

18.7

26.2

22.5

26.4

日均值

5852

945

4.9

1.7

16.7

25.0

22.5

29.2

表-7      试验期间Ⅱ焦化产品收率分布表

    项目

时间

加工/

(t.d-1)

原料密度/(kg.m-³)

干气收率

/%

液化气收率/%

蜡油收率/%

柴油收率/%

汽油收率/%

焦炭收率/%

8月3日

5834

939

5.44

1.57

18.3

26.3

19.0

29.4

8月4日

5808

938

5.41

1.59

18.4

27.0

18.8

28.9

8月5日

5728

954

5.53

1.60

18.6

24.4

17.6

32.2

8月6日

5372

964

5.89

1.59

20.0

22.2

15.8

34.4

8月7日

5292

965

5.84

1.55

19.8

22.5

16.1

34.3

8月8日

5276

963

5.74

1.62

20.8

21.9

15.4

34.5

8月9日

5258

958

5.53

1.72

21.1

22.8

16.4

32.4

8月10日

5276

942

5.20

1.76

20.4

25.1

17.3

30.2

日均值

5481

953

5.5

1.6

19.7

24.0

17.0

32.0

该工况下由于催化油浆掺炼量增加,导致生焦率明显增加,同时由于循环比主动提高,这些因素综合影响到Ⅱ焦化的加工量,影响降负荷约下降500t/d,产品分布上干气收率上升0.5%,液化气收率下降0.1%,汽油收率基本不变,柴油收率下降1%,蜡油收率下降2%,焦炭收率上升3%。

2.2.3  试验前后Ⅱ焦化蜡油质量变化

表-8    Ⅱ焦化蜡油质量变化

油浆试验前

残炭

350℃ 体积

馏程

10%

50%

90%

终馏

0.83

19ml

314℃

418℃

478℃

510℃

油浆试验期间

残炭

350℃ 体积

馏程

10%

50%

90%

终馏

0.54

20ml

311℃

400℃

445℃

480℃

油浆改入前以及改入期间Ⅱ焦化装置蜡油产品质量改善比较明显,蜡油残炭大幅下降,蜡油馏程组成变轻。

试验期间延迟焦化蜡油与催化油浆芳烃含量变化趋势见表-9,表中数据显示焦化装置的蜡油芳烃含量有增加的趋势,催化装置芳烃含量有下降的趋势,总体趋势变化比较明显,这也验证了延迟焦化装置的焦炭塔压力、加热炉出口问题和循环比的优化调整对改善催化油浆的掺炼效果比较明显。

表-9   Ⅱ焦化蜡油芳烃含量变化表

时间项目

7月5日

7月11日

7月17日

7月20日

7月31日

8月7日

Ⅱ 焦化蜡油

芳烃含量 / %

62.88

52.8

61.6

66.52

64.19

70.32

Ⅰ 催化芳烃

含量/ %

92.79

88.67

90.38

90.15

92.02

90.87

Ⅱ 催化芳烃

含量/ %

94.24

91.43

90.02

87.76

90.13

92

3 高比例掺炼催化油浆对延迟焦化装置的其他影响

3.1  对装置能耗影响

这里选取2017年5月和2017年8月的装置数据,对比催化油浆正常掺炼量及高比例掺炼量下装置能耗变化。测算在装置负荷相近时出油浆掺炼比例提高后,循环比提高,燃料气单耗上升约0.4kgEo/t;产品干气收率提高,压缩机3.5MPa蒸汽单耗上升约0.3kgEo/t。同时由于催化油浆的生焦率远远高于减压渣油,导致装置加工量降低,装置综合能耗增加明显,具体见表-10。

表-10   催化油浆掺炼装置能耗对比表


高比例掺炼

正常掺炼

能耗合计(kgEo/t)

31.84

31.1

电(耗)(kgEo/t)

4.214

3.715

蒸汽1.0MPa(耗)(kgEo/t)

5.297

5.879

蒸汽3.5MPa(耗)(kgEo/t)

7.679

7.305

燃料气(耗)(kgEo/t)

15.26

14.831

3.2   对除焦取料设备的影响

随着试验期间炉出口温度提高产品焦炭硬度增加,除焦期间频繁出现顶钻现象,导致除焦时间有所延长。同时由于焦炭硬度上升,破碎机运行困难,7月13日、7月23日出现大块硬焦卡住取料机的现象,另外当油浆掺炼量提高后,皮带机输焦期间粉尘量增加。

图-1  试验阶段料仓中的大块焦炭

4  结论

2018年公司延迟焦化装置共消化催化油浆30万吨,据统计可以产生效益3000余万元,但也要考虑到催化油浆掺炼所带来管线设备,调节阀等部位磨损造成的风险,催化油浆中的固含控制非常重要,这方面需要加强关注检测。

4.1  试验工况下,根据四次焦化蜡油四组份分析的数据,焦化蜡油芳烃含量增加,催化蜡油芳烃含量下降,装置芳烃转化生焦的比例增加。同时从试验数据中可以初步确定通过提高焦炭塔压力,炉出口温度及循环比,可以明显提高催化油浆中芳烃在延迟焦化装置中转化率,进而降低催化蜡油中的芳烃含量,减少芳烃“跑龙套”情况。 

4.2  催化油浆掺炼试验中,通过调节延迟焦化装置反应压力、炉出口温度、循环比三个操作参数,使产品焦炭收率上升约3~5%、产品蜡油收率下降约2~4%、产品柴油收率下降约1%、产品汽油收率下降约2%,这与流程模拟软件测算结果基本一致。同时在催化油浆高比例掺炼后,延迟焦化装置加工负荷下降明显,在同等原料性质下加工能力下降约300t/d,这部分减少的加工量可改为沥青料出厂产生效益。

4.3  油浆掺炼比例提高后,相应参数调整,导致燃料气单耗上升约0.4kgEo/t;产品富气收率提高,压缩机3.5MPa蒸汽单耗上升约0.3kgEo/t,同时由于催化油浆的生焦率远远高于减压渣油,导致装置加工量降低,综合以上因素导致焦化装置催化油浆掺炼比例提高后综合能耗增加明显,由于减压渣油油性变化,焦化装置能耗增加可能更多。

4.4  试验工况下除焦取料过程中出现多次顶钻和大块焦卡取料机的现象,同时焦池内粉焦量明显增加,这需要根据原料油在线密度动态调整加热炉出口温度,同时通过合理的催化油浆掺炼量解决该问题,目前掺炼比例是10%左右,同时在停炉烧焦时按比例调整掺炼量。

作者简介:师彦俊,男,高级工程师,2001年毕业于江苏石油化工学院,现在中国石化镇海炼化分公司炼油二部从事管理工作。

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