某大型炼化企业降低柴汽比措施探索与实践
某大型炼化企业降低柴汽比措施探索与实践
洪 波
(中国石油化工股份有限公司镇海炼化分公司)
摘要：受国内油品消费市场变化的影响，近年来柴油市场消费量已达峰值。为了适应柴油市场的变化，某大型炼化企业对新建蜡油和柴油混合加氢裂化装置、中压加氢裂化装置催化裂化柴油加氢转化工艺改造、柴油加氢装置引入部分裂化技术等措施进行了深入的探索与实践，对上述措施进行针对性的调整和优化，使其在柴油转化、柴油质量提升等方面更具竞争力，也更加契合全厂炼油总流程。在炼油厂向化工转型的同时，柴汽比从1.71降至0.91，消除了柴油质量瓶颈，2022年2月出厂车用柴油全部符合国Ⅵ车用柴油产品要求。
关键词：炼化企业 降低柴汽比 加氢裂化 催化裂化柴油加氢转化 柴油加氢
柴油作为基础燃料，被大量应用于工业快速发展时期的生产和运输，在国民经济增长过程中发挥了极其重要的作用。近年来,随着国民经济产业结构的调整,国内成品油消费结构发生了较大变化,突出表现在柴汽比方面,柴油消费已出现峰值拐点,汽油消费仍有缓慢增长,柴汽比整体呈下降趋势,已从2010年的2.17降至2014年的1.61,2015年进一步降至1.46[1]。从国内经济增速、产业结构、汽车行业及房地产行业的发展来看,到2030年,柴汽比将降至0.90[2]。受此影响，柴汽比将成为炼油企业的重要技术经济指标，压减柴油产量成为炼油厂的主要工作之一。
某炼化一体化企业经过多年发展形成了炼油、芳烃、乙烯一体化格局，炼油总流程同时具备“催化+加氢裂化”“焦化+渣油加氢裂化”多种加工路线。但由于历史原因，该企业在柴油加工方面的柴汽比一直居高不下，长年维持在1.6以上，结构短板凸显。近年来，该企业抓住整体向化工型炼油厂转型的契机，结合炼油总流程优化，通过新建蜡油和柴油混合加氢裂化装置、中压加氢裂化装置催化裂化柴油加氢转化工艺改造、柴油加氢装置引入部分裂化技术等手段，实现了柴汽比的大幅降低，并大量增产了化工原料，有效优化了产品结构，增强了企业竞争力。
1 降低柴汽比的措施分析
降低柴汽比的措施较多，如柴油加氢部分裂化、催化裂化柴油转化为芳烃和汽油技术(LTAG)等，均在炼油厂有实施应用[3-5]，但柴油转化技术往往运行成本过高，需要通过流程匹配降低运行成本。通过对该炼化企业总流程进行分析发现，全厂柴油池存在两方面的瓶颈：一方面，直馏柴油缺乏转化或裂解的手段，产成品油的比例过高，超过95%；另一方面，二次柴油质量较差且比例偏高，超过30%，只能通过大量调入直馏柴油平衡整个柴油池品质，限制了直馏柴油用于转化或裂解的量。柴油性质对比见表1。
表1 柴油性质对比
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由表1可知，二次柴油的性质均差于直馏柴油，尤其是催化裂化柴油，严重影响柴油池的调合质量。因此，压减柴油产量需要从直馏柴油、二次柴油两方面同时入手，优化炼油加工总流程。
1.1 蜡油和柴油混合加氢裂化技术
加氢裂化技术可加工常减压蜡油、焦化蜡油、催化裂化柴油、直馏柴油等原料,具有原料适应性强、生产方案灵活性大等特点。但受限于催化剂选择性，并出于产品分布情况考虑，国内在役装置一般以蜡油加氢裂化为主，柴油加氢裂化装置较少，有部分掺炼柴油的蜡油加氢裂化装置，但一般掺炼量有限。该炼油厂与某研究院进行了交流研究，采用了其最新研发的裂化催化剂，拓宽了原料馏程，同时会同设计单位对工程规模化建设进行了攻关论证，“定制化”设计并新建了国内最大规模的单系列4.0 Mt/a蜡油和柴油混合加氢裂化工艺装置。
原料的选择以增产化工原料为主要原则，因此直馏减二线蜡油仍为主要原料，辅以少量的减三线蜡油，同时最大化掺炼柴油。
出于最大化发挥装置裂化性能的考虑[6]，该炼油厂对其柴油加氢原料资源进行了细分，优先选取减一线柴油作为主要的加氢裂化柴油原料。通过优化流程，将直馏减一线(约1.15 Mt/a)全部作为加氢裂化原料。由于常二线和常三线的碳链相对较短，仅保留常三线并入进料的流程，暂不考虑投用。二次柴油普遍不适合作为加氢裂化原料，但是大量直馏柴油裂化后，二次柴油比例增加，对柴油池质量影响过大。因此，在实际设计过程中，结合总流程规划进行了评估，选择掺炼影响相对较小的渣油加氢柴油，降低了柴油池调合难度及柴油加氢反应苛刻度。
按照以上原则，新建的加氢裂化装置以直馏蜡油、直馏减一线柴油、渣油加氢柴油作为混合原料，进料中柴油的比例可达37.5%以上，实际运行时柴油加工比例接近50%。
基于上述混合原料，在选择精制催化剂时，考虑更多的是催化剂的加氢处理活性，要尽可能脱除原料中的氮；在选择裂化剂时，考虑更多的是产品的分布及其性质的优化。对于作为乙烯原料的尾油，掺炼柴油的加氢裂化尾油收率相对偏低且BMCI值(芳烃指数)相对偏高[7-8]。而新建的加氢裂化装置掺炼了芳烃含量更高的渣油加氢柴油，对尾油BMCI值影响更大。经多方对比论证，选用中国石油化工股份有限公司大连石油化工研究院(FRIPP)的FC-80B裂化剂，该剂可显著降低加氢裂化尾油BMCI值，适用于生产低BMCI值的加氢裂化尾油。采用上述催化剂，预测尾油初馏点可切割至不大于310 ℃，收率维持在27% 以上，BMCI值可以控制在不大于13。
1.2 催化裂化柴油加氢转化技术
新建的加氢裂化装置需要消耗大量的直馏柴油，二次柴油掺炼量有限，柴油池调合难度仍很大。采用FRIPP的FD2G催化裂化柴油加氢转化工艺，对1套1.5 Mt/a中压加氢裂化装置进行改造，进一步降低了柴油产量，有效改善了柴油质量。
FD2G工艺以催化裂化柴油为原料，氢耗略高于加氢裂化工艺，同时为了控制加氢饱和深度，需要适当降压，循环氢负荷相应降低。鉴于此，综合考虑原装置压缩机负荷能力以及全厂催化裂化柴油产量，装置改造后的加工负荷从1.5 Mt/a降至1.0 Mt/a，反应器入口压力从14 MPa左右降至8～12 MPa(变压操作)。
FD2G工艺理论上需搭配专用催化剂，其加氢饱和性能和裂解性能相匹配，同时具备弱加氢活性和强裂解性能，但换剂成本偏高。本着最大化利旧的原则，将原有精制剂进行部分再生回用。由于再生精制剂的加氢活性仍很高，对级配方案进行针对性优化，减少再生精制剂的回用量，余下的反应器空间使用空白剂补足，在不影响反应效果的前提下，大大降低了换剂成本。
1.3 柴油加氢部分裂化技术
柴油加氢部分裂化技术根据加氢剂和裂化剂反应温度区间不同的特点，通过在催化剂床层下部装填部分裂化剂的方式，实现柴油部分裂化的功能，在压减柴油产量的同时可以增产石脑油。
该炼油厂1套3.0 Mt/a柴油加氢装置分馏系统具备副产10% 石脑油的能力，在装置换剂期间优化催化剂装填方案，不需要进行额外改造即可实现柴油产量的压减，并能最大化发挥石脑油生产能力。
由于装置分离石脑油的能力有限，并且裂化段与精制段的氢耗差别也较大，该技术对裂化剂的装填量和装填位置均提出了较为苛刻的要求。在装填量方面，经核算得出裂化剂的装填量约为50 t，控制体积空速6 h-1；在装填位置方面，主要考虑裂化温度及产品质量的可控性，裂化剂装填于第二反应器上床层和中间床层的顶部，第二反应器的下床层装填后精制剂以确保产品的硫含量满足要求。
随着石脑油产量的增加，其产品性质及出路也愈发重要，为此该技术在原料选择上需增加针对性的限制条件。由于催化裂化柴油芳烃含量高，裂化副产的石脑油含有较高比例的环烷烃和芳烃，不适合作为乙烯原料，若作为汽油组分则会导致汽油辛烷值偏低。
结合总流程优化，该炼油厂的催化裂化柴油采用FD2G工艺转化、渣油加氢柴油掺炼至加氢裂化，柴油加氢装置主要以直馏柴油和焦化柴油为原料，压减了柴油产量，同时副产的以链烷烃为主的石脑油是优质的乙烯原料。
2 实施效果
2.1 加氢裂化装置
该炼油厂新建的4.0 Mt/a加氢裂化装置已于2021年下半年开工投产，达到预期效果，运行良好。新建的加氢裂化装置开工投产后，对混合原料蜡柴比的适应性好于预期，可根据全厂蜡油和柴油的实际平衡情况调整进料的蜡柴比，蜡油加工比例能够实现在55%～80%可控调节，大幅缓解了全厂蜡油和柴油的平衡压力。在二次柴油的加工方面，该装置对渣油加氢柴油原料的适应性较强，可满足70 t/h左右的渣油加氢柴油全量掺炼，对主要产品分布及品质控制的影响较小。加氢裂化原料组成对比见表2。
表2 加氢裂化原料组成对比
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该加氢裂化装置以增产化工原料为主，主要产品包括重石脑油和尾油。加氢裂化柴油产品在乙烯原料的选择拓宽后，也可部分用以生产乙烯原料。主要产品分布对比见表3。
表3 主要产品分布对比
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整体而言，新建的蜡油和柴油加氢裂化装置对原料的适应性强，柴油掺炼比例最高可达45%，能较好地兼顾炼油厂增产化工原料及压减柴油产量的目的。
2.2 催化裂化柴油转化装置
1.5 Mt/a加氢裂化装置改造为1.0 Mt/a FD2G催化裂化柴油加氢转化工艺装置，并于2022年初中交投产。此次装置改造，基本利旧了加氢裂化装置的设施设备，对催化剂级配方案也进行了针对性的调整。改造完成后，整体运行效果均能达到或超过预期，产品分布及性质优于预期。可见，FD2G工艺能较好地完成全厂催化裂化柴油转化任务，获得高辛烷值汽油，有效降低了柴汽比。主要产品分布对比见表4，汽油产品主要性质见图1。
表4 主要产品分布对比
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图1 汽油产品主要性质
2.3 柴油加氢部分裂化装置
3.0 Mt/a柴油加氢装置于2021年4月完成停工换剂工作，开工投产后，柴油收率明显下降，石脑油收率增加。柴油及石脑油收率对比见表5，石脑油主要组成对比见表6。
表5 柴油及石脑油收率对比
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表6 石脑油主要组成对比
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由表6可知，柴油加氢石脑油的烷烃含量与直馏石脑油基本相当，其中正构烷烃含量略低，环烷烃含量偏高。作为乙烯原料，柴油加氢石脑油的性质优于裂解抽余油、加氢裂化重石脑油等，略差于直馏石脑油。
2.4 总流程优化改造的效果
该炼油厂经过总流程优化改造后，在2022年1月下旬全部中交投产。2019年的柴汽比为1.71，2022年2月1—10日的柴汽比为0.91，2022年2月1—28日的柴汽比为1.33。优化改造后柴汽比降低，并可根据柴油市场情况随时调整。
优化改造前后柴油池主要性质对比见表7。由表7可知，优化改造后柴油池密度明显下降，其他指标均能达到或优于国Ⅵ车用柴油指标要求，柴油性质获得大幅改善，2022年2月出厂车用柴油全部符合国Ⅵ车用柴油产品要求。
表7 优化改造前后柴油池主要性质对比
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3 结 论
随着成品油市场的逐渐饱和以及化工品市场的进一步发展，在寻求降低柴汽比的措施时，应该重点探索通过增产化工原料来压减油品产量的举措，这是未来发展的方向和趋势。
加氢裂化工艺是压减油品产量、增产化工原料的主要措施之一，该工艺对蜡油和柴油原料的适应性较强，大比例柴油裂化是降低柴汽比的有效手段，但增加柴油加工比例会降低作为乙烯原料的尾油的品质。因此在新建或扩建加氢裂化装置时，炼化企业需平衡好柴油加工比例并控制乙烯原料品质，根据下游乙烯裂解炉的配置情况进行定制化设计，优化总流程，实现效益最大化。
FD2G工艺作为催化裂化柴油转化工艺，通过转化二次柴油、增产汽油，能够实现有效降低柴汽比、改善柴油产品质量的目的，但其压减成品油产量的效果并不明显，单独规划该工艺装置不甚合理。该工艺比较适合直馏柴油大量转化后(如新建大规模的柴油加氢裂化装置等)柴油池质量难以平衡的炼油总流程，通过改造闲置的中低压加氢裂化装置，在低投资下可快速实现全厂柴油池的质量升级。
柴油加氢装置引入部分裂化技术作为压减柴油产量的补充手段，具有改动小、见效快、易根据工况控制柴油收率等优点。可通过调整原料中催化裂化柴油、渣油加氢柴油等二次柴油的掺炼量，适当控制石脑油的组成，有选择性地生产乙烯原料或重整原料，充分发挥该技术的作用。
