袁明江，肖立剛，張曉光

（中國石油工程建設公司華東設計分公司，山東 青島266071）

焦化技術(shù)是高金屬含量、高殘?zhí)苛淤|(zhì)渣油輕質(zhì)化的主要工藝之一。焦化技術(shù)主要分延遲焦化、流化焦化和靈活焦化三種形式，其中延遲焦化技術(shù)應用最廣泛，占全部焦化處理能力的85%以上。流化焦化技術(shù)則主要在加拿大Alberta地區(qū)用于處理改質(zhì)油砂瀝青生產(chǎn)合成油。靈活焦化是在流化焦化基礎上發(fā)展而來的，是將傳統(tǒng)的流化焦化與焦炭氣化相結(jié)合，可以大大減少焦炭量并產(chǎn)生低熱值燃氣。這些低熱值燃氣可以代替煉油廠干氣或者天然氣作為煉油廠燃料，因此靈活焦化裝置具有工藝裝置和公用工程設施的雙重作用。

1976年9月世界上第一套靈活焦化裝置在日本川崎煉油廠建成，至今已有30多年的工業(yè)運行經(jīng)驗，然而靈活焦化技術(shù)并未被全球煉油企業(yè)廣泛采用，目前世界上已經(jīng)投產(chǎn)和在建的裝置僅有7套。靈活焦化裝置在最近幾十年沒有得到大力發(fā)展，既與相對較低的原油和煉油廠燃料價格有關(guān)，也與靈活焦化產(chǎn)生的低熱值燃氣未能找到經(jīng)濟、高效利用的辦法有關(guān)。當前，針對高硫石油焦難以有效利用以及日益攀升的煉油廠燃料價格，靈活焦化技術(shù)的優(yōu)勢又顯現(xiàn)出來，再次成為煉油廠總流程比選中有競爭力的渣油轉(zhuǎn)化技術(shù)之一。

本課題以新建13Mt/a煉油工程為例，對采用延遲焦化＋POX氣化制氫總流程（方案一）和靈活焦化總流程（方案二）進行對比，說明靈活焦化技術(shù)對煉油廠規(guī)劃設計的影響。

1 某新建13Mt/a煉油工程概述

某新建13Mt/a煉油工程加工的原料為中東中質(zhì)高硫原油，其硫質(zhì)量分數(shù)為2.7%；目標產(chǎn)品為滿足歐Ⅴ排放標準的汽油、柴油產(chǎn)品及芳烴化學品。

該項目以重油加氫路線為主，總加工流程方案有兩個：方案一，渣油加氫＋延遲焦化＋加氫裂化＋催化裂化＋POX制氫；方案二：渣油加氫＋靈活焦化＋加氫裂化＋催化裂化。采用方案二無需建設POX制氫裝置，通過外購氫氣來滿足全廠氫氣平衡。根據(jù)全廠總流程優(yōu)化結(jié)果，焦化裝置的進料規(guī)模為1.50Mt/a，包括1.45Mt/a的減壓渣油和0.05Mt/a的催化裂化油漿，此混合進料的預估性質(zhì)為：硫質(zhì)量分數(shù)8.5%，氮質(zhì)量分數(shù)4 700μg/g，（Ni＋V）質(zhì)量分數(shù)193μg/g，殘?zhí)?2.6%。

兩個方案相應的公用工程配置為：方案一以延遲焦化產(chǎn)生的石油焦為原料通過POX氣化制氫，主要以獲得氫氣為主，同時獲得部分煉油所需蒸汽，全廠燃料由煉油廠干氣提供，不足部分外購天然氣補充；方案二中，由于靈活焦化技術(shù)將石油焦轉(zhuǎn)化為低熱值燃氣，可以節(jié)省部分煉油廠干氣，如有不足則外購天然氣補充。

2 靈活焦化技術(shù)的特點

靈活焦化技術(shù)在流化焦化技術(shù)的基礎上增加了石油焦氣化爐，在800～900℃高溫下石油焦與空氣、蒸汽反應生成含氫氣、一氧化碳、二氧化碳、氮氣、水、硫化氫的燃氣。該工藝具有反應溫度高、液體收率高、焦炭收率低的優(yōu)點，可使99%的減壓渣油轉(zhuǎn)化為氣體和液體產(chǎn)品，約1%的焦炭產(chǎn)品中包含了原料中約4%的硫和99%的金屬［1］，經(jīng)過處理可回收焦炭中的金屬。靈活焦化技術(shù)有以下特點：

（1）原料適應性強。靈活焦化裝置可以加工API重度0～20、康氏殘?zhí)?%～40%的物料，包括常減壓渣油、油砂瀝青、脫瀝青油和各種轉(zhuǎn)化過程的渣油。由于沒有加熱爐，進料范圍比延遲焦化更寬。

（2）可靠性高，在線率高。靈活焦化裝置的平均開工系數(shù)在90%以上，有的達到95%以上［2］，平均運轉(zhuǎn)周期為30個月，最長的運轉(zhuǎn)周期達到39個月。由于不需要進行日常除焦，減少了裝置定員和工人勞動強度。

（3）環(huán)境友好。靈活焦化是完全密閉、連續(xù)自動化操作，裝置區(qū)跟其它普通煉油工藝裝置一樣，而延遲焦化卸焦和儲焦都是露天操作，難免有揮發(fā)性油氣泄漏到環(huán)境中，對操作人員的健康產(chǎn)生威脅。另外，靈活焦化裝置產(chǎn)生的瓦斯氣體通過ExxonMobil公司的專利脫硫技術(shù)能夠?qū)⒖偭蛸|(zhì)量分數(shù)降至10μg/g以下，更多的硫得到回收，特別是處于環(huán)境敏感地區(qū)的煉化企業(yè)，采用靈活焦化技術(shù)可以有效減少污染物排放。

（4）低熱值燃氣利用。靈活焦化裝置產(chǎn)生的燃氣的熱值及組成與典型煉油廠燃料氣有較大差別，兩者的對比見表1。從表1可以看出，靈活焦化燃氣中氮氣、二氧化碳含量過高，體積分數(shù)分別達到45.55%、10.43%，甲烷含量過低，體積分數(shù)僅有0.82%左右，這是造成其熱值低的主要原因。另外，由于靈活焦化燃氣中氫氣與一氧化碳體積分數(shù)只有40%左右，使經(jīng)濟地回收氫氣或合成氣具有一定的困難，對于一般的煉油廠，無法利用這種氣體。從目前全球范圍內(nèi)在運行的靈活焦化裝置可知，靈活焦化燃氣作煉油廠燃料在技術(shù)上是完全可行的，一般將靈活焦化燃氣與常規(guī)燃氣按熱值85∶15（對應體積比34∶1）的比例進行混合燃燒?；旌铣Ｒ?guī)燃氣是非常必要的，因為靈活焦化燃氣燃燒時可能出現(xiàn)熄火情況，常規(guī)燃氣可保證燃燒器正常運行?；旌铣Ｒ?guī)燃氣還可以節(jié)省一定的爐膛體積，保證燃料溫度。

表1 靈活焦化燃氣與煉油廠燃料氣的熱值及組成對比

（5）焦粉的利用。靈活焦化裝置需排出占焦炭質(zhì)量3%的焦粉，這些焦粉的顆粒直徑通常在10～20μm，水洗過程回收的焦粉顆粒更小，直徑在5μm左右。這些焦粉可用在水泥廠燃煤鍋爐上，由于這些焦粉金屬含量很高，也可以送至冶金工廠回收其中的重金屬（釩和鎳）。

3 靈活焦化對總流程的影響

靈活焦化與延遲焦化工藝的產(chǎn)物分布對比見表2。從表2可以看出，靈活焦化的液體產(chǎn)品收率略高于延遲焦化，而干氣及液化氣產(chǎn)率之和略低于延遲焦化，主要差別在于柴油收率降低而蠟油收率增加，這與物料在反應器內(nèi)的停留時間有關(guān)?？梢酝ㄟ^適當增加靈活焦化中物料的停留時間來增加柴油產(chǎn)品收率。

表2 靈活焦化與延遲焦化產(chǎn)物分布對比 w，%

采用靈活焦化技術(shù)時，相當于用靈活焦化裝置代替了方案一中延遲焦化＋POX制氫組合工藝，方案一和方案二的全廠物料平衡對比見表3。從表3可以看出，方案二的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與方案一有所不同，主要表現(xiàn)在汽油產(chǎn)品量增加、柴油產(chǎn)品量減少。以本項目為例，若采用方案二，由于柴油收率降低，柴油加氫裝置處理量由4.30Mt/a降至4.10Mt/a；由于蠟油收率增加，加氫裂化裝置處理量由2.50Mt/a增至2.60Mt/a，渣油加氫脫硫裝置處理量由3.80Mt/a增至3.90Mt/a。另外，由于方案二中靈活焦化裝置的進料適應性更強，減壓蒸餾部分可以進一步深拔。

表3 靈活焦化方案與延遲焦化方案的全廠物料平衡對比

4 靈活焦化對公用工程的影響

采用靈活焦化技術(shù)時，需要考慮配套低熱值燃氣利用系統(tǒng)（包括工藝加熱爐或鍋爐）的特殊要求。新建煉油廠的加熱爐在設計時考慮到利用靈活焦化燃氣可以及時做出相應修改，而老廠改造現(xiàn)有加熱爐比較麻煩，技術(shù)上需要專利商提供關(guān)于低熱值燃氣適用的加熱爐設計工藝包，設計單位據(jù)此完成設計。

以本項目為例，采用方案二時，根據(jù)全廠總流程及氫氣平衡優(yōu)化結(jié)果，需外購氫氣118.5kt/a，數(shù)量較大。此時煉油廠只產(chǎn)14.9kt/a石油焦，煉油廠制氫原料只能使用輕烴或石腦油。而方案一中利用自產(chǎn)石油焦經(jīng)過POX制氫能夠提供的氫氣量為73.7kt/a，全廠只需外購41.5kt/a氫氣，能節(jié)省氫氣成本11億元/a左右。

以本項目優(yōu)化建設1.50Mt/a延遲焦化裝置為例，若改成靈活焦化工藝，由表2中低熱值燃氣的收率26.96%計算可知，該靈活焦化裝置可以產(chǎn)生燃料氣404.4kt/a，折算為標準燃料氣246.7kt/a。這些靈活焦化燃氣作為煉油廠燃料，全廠燃料平衡后有富余燃氣54.7kt/a，節(jié)省下來的煉油廠干氣可以用來制氫。而方案一需要外購天然氣192.7kt/a，費用為6～7億元/a。

靈活焦化裝置首次開工時需使用一定數(shù)量的焦炭，在開工時需噴燃料油。如果靈活焦化裝置在運行中出現(xiàn)問題或停工，則可能給全廠公用工程燃料平衡帶來嚴重影響，因此需要儲備燃料供開工和發(fā)生事故時使用。

靈活焦化裝置所產(chǎn)的低熱值燃氣在廢熱鍋爐中燃燒時，如再配15%的煉油廠燃料氣同時使用，燃燒效果會更好一些。低熱值燃氣在裝置加熱爐中（包括重整加熱爐和加氫加熱爐）也是能燃燒的。由于低熱值燃氣中氮氣含量較高，因此煙氣量較大，煙氣帶走的熱量較多，在相同的排煙溫度下，加熱爐的效率會低一些。但是由于脫硫后的低熱值氣體硫含量較低，可以通過降低排煙溫度來保證加熱爐的熱效率，空氣預熱器的體積會有所增大，投資會略有增加。

5 工程建設和操作運行費用分析

靈活焦化（包括氣化部分）的整個系統(tǒng)操作條件緩和，所用設備均為普通碳鋼材質(zhì)，沒有特殊專利設備，其投資費用大致相當于延遲焦化的1.3倍（包括反應、分餾、氣化、吸收穩(wěn)定、燃氣凈化、粉料倉等設備，但不包括低熱值燃氣利用所帶來的投資增加部分）。如果一套1.50Mt/a延遲焦化裝置的投資按6億元計算，那么靈活焦化裝置的投資就為7～8億元。低熱值燃氣輸送管線、加熱爐等投資費用需要和專利商進行技術(shù)與商務談判，國內(nèi)目前尚沒有這方面的工程設計與施工經(jīng)驗。

當工藝加熱爐或鍋爐使用靈活焦化生產(chǎn)的低熱值燃氣時，與使用高熱值燃氣相比，雖可節(jié)約燃料成本，但加熱爐的投資約增加20%，蒸汽鍋爐即使是按高效率設計，設備投資仍比常規(guī)鍋爐高10%～15%。國內(nèi)鍋爐廠有該種鍋爐的設計和制造經(jīng)驗。以某新建13Mt/a煉油工程項目為例，采用靈活焦化方案每年可節(jié)省燃料成本6～7億元；而在氫氣成本上比延遲焦化＋POX制氫組合方案每年多花11億元。

靈活焦化工藝在裝置工程建設和配套燃氣利用方面的投資比傳統(tǒng)延遲焦化高，但總投資仍低于延遲焦化＋POX制氫組合方案的總費用。

6 結(jié)束語

在煉油廠規(guī)劃設計以及總流程比選過程中，是否推薦靈活焦化方案需要考慮的因素很多，包括煉油廠外部購買燃料及氫氣的來源及價格，所產(chǎn)石油焦的性質(zhì)及市場情況，是否有石化園區(qū)提供公用工程依托等，這些因素都對全廠經(jīng)濟效益以及投資回收周期有較大影響。在總流程優(yōu)化及方案比選中，以靈活焦化代替延遲焦化的投資估算和技術(shù)經(jīng)濟評價還需要進一步開展有關(guān)工作。

靈活焦化工藝適合解決煉油廠燃料不足以及燃料成本過高的問題，但由于國內(nèi)尚沒有運行裝置，因此煉油廠對該技術(shù)的應用普遍持謹慎態(tài)度。

［1］康建新，申海平.流態(tài)化焦化的發(fā)展概況［J］.炭素技術(shù)，2006，25（3）：28－33

［2］Hammond D G，Lampert L F，Mart C J，et al.Review of fluid bed coking and flexicoking technologys［C］.AIChE 2003 Spring National Meeting.New Orleans，2003：1－11