王 偉

(中國石化武漢分公司，武漢 430082)

近年來，日益嚴峻的環(huán)保形勢加快了汽柴油質量升級的步伐。根據(jù)國家環(huán)保部和能源局的要求，全國將分別于2019年1月和2023年1月開始執(zhí)行汽油國ⅥA標準和ⅥB標準，同時將于2020年實行乙醇汽油全覆蓋，MTBE不再作為汽油調合組分[1]。與汽油國Ⅴ標準相比較，國Ⅵ標準在汽油烯烴、芳烴和苯含量以及揮發(fā)性指標上要求更加嚴格，不但限制汽油硫含量，還優(yōu)化了汽油組分和烴類組成。在目前進一步降低柴汽比的市場需求下，結合煉油結構調整改造，如何更有效、更經濟地適應汽油質量升級的要求，既是煉油廠提高經濟效益的重要手段，也是企業(yè)煉油轉型升級的必然結果[2-3]。中國石化武漢分公司(簡稱武漢分公司)正在實施煉油結構調整，新建的0.30 Mt/a離子液烷基化裝置和0.7 Mt/a氣體分離裝置將于2019年上半年建成投產，新建的2.8 Mt/a催化裂化裝置將于2021年上半年建成投產，汽油池組分結構將發(fā)生較大變化。以下主要介紹武漢分公司汽油質量向國ⅥA標準和國ⅥB標準升級中存在的問題及應對措施。

1 現(xiàn)狀分析

武漢分公司的汽油池構成如圖1所示。需要說明的是，在汽油調合組分中，加氫裂化輕石腦油、加氫裂化重石腦油、重整抽余油、蒸汽裂解抽余油、蒸汽裂解甲苯和二甲苯混合后作為一個調合組分，即圖1中的混合石腦油?？偟膩碚f，武漢分公司汽油進一步升級的有利因素是S Zorb精制汽油比例僅59%，且烯烴質量分數(shù)約為23%，有3.5%左右的烷基化油，不利因素是部分重整汽油未經過脫苯，高標號汽油比例偏低。

武漢分公司原油加工能力為8.0 Mt/a，屬于燃料化工型煉油廠，為下游中韓武漢乙烯公司0.8 Mt/a蒸汽裂解裝置提供約80%的原料。煉油廠提供給該公司的原料主要包括富乙烯氣、飽和液化氣、重整拔頭油、重整抽余油、直餾石腦油、加氫石腦油和加氫裂化尾油，該公司返給煉油廠的物料主要是裂解氫、抽余油、甲苯、二甲苯和MTBE。武漢分公司煉油總流程有以下幾個特點：①輕蠟油作為加氫裂化裝置原料，催化裂化裝置加工能力僅占煉油能力的25%，低于中國石化27%的平均水平；②由于直餾石腦油和焦化石腦油主要用作蒸汽裂解制乙烯的原料，故催化重整裝置的原料主要為加氫裂化重石腦油，加工能力僅為0.40 Mt/a，僅占武漢分公司煉油能力的5%，低于中國石化12%的平均水平，而且，受芳烴抽提脫重汽油分離塔能力的限制，僅75%的重整汽油經過脫苯；③高辛烷值汽油調合組分MTBE和烷基化油的生產能力較低，均為60 kt/a；④將部分低辛烷值的加氫裂化輕石腦油和重石腦油作為汽油調合組分；⑤外購中韓武漢乙烯公司的抽余油、甲苯、二甲苯和MTBE作為汽油調合組分，如2017年從中韓武漢乙烯公司外購198.5 kt汽油調合組分，其中有29 kt MTBE，99.6 kt甲苯和二甲苯，69.9 kt蒸汽裂解抽余油，提高了汽油產量。

圖1 武漢分公司的煉油總流程汽油池構成

武漢分公司2017年原油加工量為7.927 Mt/a，汽油總產量為1.752 Mt/a，柴汽質量比為1.43，比中國石化平均水平高0.3個單位。汽油質量執(zhí)行國Ⅴ標準，生產乙醇汽油組分油和車用汽油，共兩大類、5個牌號，乙醇汽油組分油和車用汽油的銷售量比例為57∶43，高標號汽油占比為30.2%。

2 汽油調合數(shù)學模型

為了分析國Ⅵ標準汽油質量升級存在的問題及應對措施，有必要建立汽油調合數(shù)學模型。汽油調合是將不同汽油組分按照一定的比例進行混合的過程，目的是滿足產品出廠內控質量標準和市場需求，同時通過控制調合過程質量過剩，增加煉油廠經濟效益。事實上，油品調合過程可以歸結為帶約束的數(shù)學規(guī)劃模型[4-5]，目標函數(shù)可以是效益或產值最大化，也可以是產量最大化或高標號汽油比例最大化，約束條件一般包括組分資源量約束、質量指標約束、市場需求約束及組分調合量非負約束。

汽油調合過程質量控制指標較多，密度、硫含量、烯烴含量、芳烴含量、苯含量以及餾程等具有線性加和性，研究法辛烷值、抗爆指數(shù)、蒸氣壓等具有非線性特征[6]。總的來說，汽油調合過程是非線性的。線性化處理對規(guī)劃調合方案的影響可以忽略，因此對于規(guī)劃方案測算，為了簡化，將研究法辛烷值、抗爆指數(shù)按線性加和處理，蒸氣壓轉化為蒸氣壓指數(shù)后按線性化處理。

一般地，假設有m個汽油調合組分，n個汽油產品，r個質量控制指標，Xij表示第i個組分調入第j個產品中的數(shù)量，則調合效益J最大化目標函數(shù)為[7-8]：

式中：Pj為第j個汽油產品價格，j=1～n；Ci為第i個汽油調合組分的價格，i=1～m。

約束條件為：

①組分資源量約束，表示第i個汽油調合組分在不同汽油產品j中的數(shù)量Xij之和不能大于其資源量Si,即：

②質量指標約束，表示調合后的產品性質滿足內控質量標準。

按照體積線性加和的原則，對于第j個汽油產品的第k個性質Zjk滿足：

按照質量線性加和的原則，對于硫含量和氧含量等性質Zjk滿足：

式中：di是第i個調合組分的密度；Zik是第i個調合組分的第k個性質；ljk和Ljk分別是第j個產品的第k個質量指標的下限和上限，k=1～r。

③市場需求約束：包括乙醇汽油組分和車用汽油產量比例，單個品種汽油產量的要求等。2020年前，乙醇汽油組分油和車用汽油并存，產品為兩大類、5個牌號，乙醇汽油組分和車用汽油的產量比例為55∶45，98號車用汽油需求量為一相對固定值，無98號乙醇汽油組分。2020年后乙醇汽油全覆蓋，取消車用汽油，只生產3個牌號的乙醇汽油組分油，98號乙醇汽油組分需求量為一固定值。

④非負約束：所有調合組分的Xij≥0。

本研究采用ASPEN公司的PIMS軟件求解汽油調合規(guī)劃模型。PIMS軟件中，汽油調合采用分布遞歸算法，易于收斂。汽油組分和汽油產品價格體系采用武漢分公司2017年全年平均值，不含稅。

3 國Ⅵ標準汽油質量升級方案分析

武漢分公司國Ⅵ標準汽油質量升級路線如圖2所示。根據(jù)汽油質量升級的時間要求及煉油結構調整項目實施規(guī)劃，國Ⅵ標準汽油質量升級可以劃分為以下4個階段：第一階段是新烷基化裝置投產前國ⅥA車用汽油和乙醇汽油并行生產階段；第二階段是新烷基化裝置投產后國ⅥA車用汽油和乙醇汽油并行生產階段；第三階段是新催化裂化裝置投產前國ⅥB乙醇汽油全覆蓋生產階段；第四階段是新催化裂化裝置投產后國ⅥB乙醇汽油全覆蓋生產階段。其中，由于第二階段和第三階段時烷基化油產量增加約120 kt/a，而烷基化油比例提高有利于汽油調合，所以本研究重點是測算不易調合的第一階段。另外，第四階段為汽油質量升級到國ⅥB最終階段，故也作為本研究重點測算階段。

圖2 武漢分公司汽油國Ⅵ質量升級路線

3.1 新烷基化裝置投產前國ⅥA汽油升級方案

武漢分公司汽油國ⅥA質量升級于2019年1月正式執(zhí)行。在新烷基化裝置投產前，生產流程和汽油池構成與2017年基本一致，該階段的裝置生產及汽油調合有4個特點：一是原油加工8.0 Mt/a，二是車用汽油和乙醇汽油并行生產；三是新烷基化裝置還未投產，MTBE仍然作為車用汽油調合組分；四是汽油開始執(zhí)行國ⅥA質量內控標準。

汽油質量從國Ⅴ標準升級到國ⅥA標準，質量控制指標主要有以下兩方面的變化：對于車用汽油，50%餾出溫度由120 ℃下調至110 ℃，苯體積分數(shù)由1.0%下降到0.8%，芳烴體積分數(shù)由40%下降到35%，烯烴體積分數(shù)由24%下降到18%(98號汽油15%)；對于乙醇汽油組分油，50%餾出溫度由120 ℃下調至113 ℃，苯體積分數(shù)由1.0%下降到0.8%，芳烴體積分數(shù)由43%下降到38%，烯烴體積分數(shù)由26%下降到19%(98號汽油16%)。

質量控制指標的變化對汽油調合的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：為了滿足烯烴含量指標，S Zorb汽油在92號車用汽油和92號乙醇汽油組分油中的調入比例受到進一步限制；為了滿足芳烴和苯含量指標，高標號汽油中重整汽油和脫苯混合芳烴調合比例下降，高標號汽油比例下降。

根據(jù)測算，汽油質量從國Ⅴ升級到國ⅥA標準，現(xiàn)有裝置結構及汽油池構成能滿足生產要求，無需進行適應性改造。升級的重點在于組分油質量指標控制，一是通過優(yōu)化催化裂化原料和反應溫度，控制S Zorb精制深度，使S Zorb汽油烯烴體積分數(shù)不大于24%，蒸氣壓不大于64 kPa；二是控制重整汽油苯體積分數(shù)不大于1.5%；三是加強現(xiàn)有60 kt/a 氫氟酸烷基化裝置設備維護和操作平穩(wěn)，確保烷基化裝置滿負荷生產。按原油加工計劃為8.0 Mt/a測算，汽油產量為1.799 Mt/a，汽油池組成及性質見表1，汽油調合方案見表2。

表1 國ⅥA標準汽油池組成

表2 國ⅥA汽油調合方案

3.2 新催化裂化裝置投產后國ⅥB汽油升級方案

武漢分公司新建2.8 Mt/a催化裂化裝置預計于2021年上半年建成投產。2013年汽油質量將從國ⅥA標準升級到國ⅥB標準，屆時煉油生產及汽油調合有以下變化：一是為了滿足中韓武漢乙烯公司擴能改造以及武漢分公司新建催化裂化裝置加工負荷的需求，原油加工量將提高到8.5 Mt/a；二是從2020年開始已取消車用汽油，實行乙醇汽油全覆蓋，MTBE不再作為汽油調合組分；三是2019年上半年完成重整裝置擴能改造，加工能力提高到0.45 Mt/a，并完成重整汽油脫苯改造，重整汽油苯體積分數(shù)下降到0.5%；四是新建催化裂化裝置采用MIP-CGP工藝，設計原料密度(20 ℃)為935 kg/m3，摻渣比為26%，殘?zhí)繛?.87%，同時，為了降低柴汽比，催化裂化柴油(LCO)將采用LTAG工藝處理，可使催化裂化穩(wěn)定汽油RON提高1.6個單位，烯烴體積分數(shù)提高到28%，苯體積分數(shù)上升到0.9%；五是離子液烷基化油裝置滿負荷生產，汽油池中烷基化油比例提高到13%。

汽油質量從國ⅥA標準升級到國ⅥB標準，對于乙醇汽油組分油，烯烴體積分數(shù)由19%下降到16%，其余指標沒有變化。由于產品牌號和汽油池組成發(fā)生了較大變化，不利的方面有：S Zorb汽油比例提高，烯烴和苯體積分數(shù)增加；乙醇汽油組分油蒸氣壓指標均為58 kPa，對S Zorb汽油和混合石腦油蒸氣壓控制要求更高。有利的方面有：重整汽油苯體積分數(shù)已控制在0.5%；烷基化油在汽油池中的比例提高到13%。升級的措施主要是生產的優(yōu)化控制，一是優(yōu)化新建催化裂化裝置原料和操作，控制催化裂化穩(wěn)定汽油烯烴體積分數(shù)不大于28%，S Zorb汽油烯烴體積分數(shù)不大于22%，蒸氣壓不大于60 kPa；二是控制混合石腦油蒸氣壓不大于58 kPa；三是確保新建烷基化裝置的長周期運行，完善異常工況下外購烷基化油的應急措施。按原油加工量為8.5 Mt/a測算，汽油產量為2.446 Mt/a。此時，汽油池組成中無MTBE，其他組分的種類和性質與表1所列相同，汽油調合方案見表3。

4 靈敏度分析

汽油質量升級到國Ⅵ標準后，汽油調合部分關鍵質量指標富余度明顯下降，組分量及性質的變化顯著地影響汽油調合的產品結構及經濟效益。對汽油調合組分量及性質變化進行靈敏度計算與分析，有助于制定應對預案，更好地滿足汽油調合要求。

表3 國ⅥB標準汽油調合方案

4.1 烷基化油產量對汽油調合的影響

以新烷基化裝置投產前國ⅥA標準汽油調合方案為例。烷基化油產量對汽油調合產量和效益的影響見圖3，對高標號汽油產量和比例的影響見圖4。從圖3和圖4可以看出，隨著烷基化油產量的下降，汽油調合產量和效益下降，高標號汽油產量和比例同時下降。在無烷基化油的極端情況下，汽油調合產量下降62 kt/a，高標號汽油產量下降245 kt/a，調合效益下降13 200萬元/a。值得注意的是，汽油調合產量并非隨烷基化油產量的下降而單調下降，如烷基化油年產量為零時的總汽油產量反而高于烷基化油年產量為20 kt時的總汽油產量，原因在于沒有烷基化油的條件下，已無法調合出95號乙醇汽油組分油和98號車用汽油，低標號的92號乙醇汽油組分油和92號車用汽油產量上升，總汽油產量有所增加。

圖3 烷基化油產量對汽油調合產量和效益的影響■—汽油調合產量； ●—汽油調合效益

圖4 烷基化油產量對高標號汽油產量和比例的影響■—高標號汽油產量； ●—高標號汽油比例

4.2 重整汽油苯含量對汽油調合的影響

以新烷基化裝置投產前國ⅥA標準汽油調合方案為例。重整汽油苯含量對汽油調合產量和效益的影響見圖5，對高標號汽油產量和比例的影響見圖6。從圖5和圖6可以看出，隨著重整汽油苯體積分數(shù)上升，汽油調合產量和效益下降，高標號汽油產量同時下降，但是在苯體積分數(shù)大于2%的情況下，高標號汽油比例反而有所上升。總的來說，在重整汽油苯體積分數(shù)小于1.5%的條件下，對汽油調合產量和效益基本無影響。

圖5 重整汽油苯含量對汽油調合產量和效益的影響■—汽油調合產量； ●—汽油調合效益

圖6 重整汽油苯含量對高標號汽油產量和比例的影響■—高標號汽油產量； ●—高標號汽油比例

4.3 S Zorb汽油烯烴含量對汽油調合的影響

以新催化裂化裝置投產后國ⅥB標準汽油調合方案為例。S Zorb汽油烯烴含量對汽油調合產量和效益的影響見圖7，對高標號汽油產量和比例的影響見圖8。從圖7和圖8可以看出，隨著S Zorb汽油烯烴含量上升，汽油調合產量和效益下降，高標號汽油產量同時下降，但是在烯烴體積分數(shù)大于22%的情況下，高標號汽油比例反而有所上升?？偟膩碚f，在S Zorb汽油烯烴體積分數(shù)小于22%的條件下，對汽油調合產量和效益基本無影響。在烯烴體積分數(shù)由22%提高到26%的情況下，汽油調合產量下降362 kt/a，高標號汽油產量下降228 kt/a，調合效益下降52 500萬元/a。

圖7 S Zorb汽油烯烴含量對汽油調合產量和效益的影響■—汽油調合產量； ●—汽油調合效益

圖8 S Zorb汽油烯烴含量對高標號汽油產量和比例的影響■—高標號汽油產量； ●—高標號汽油比例

4.4 S Zorb汽油蒸氣壓對汽油調合的影響

以新催化裂化裝置投產后國ⅥB標準汽油調合方案為例。S Zorb汽油蒸氣壓對汽油調合產量和效益的影響見圖9，對高標號汽油產量和比例的影響見圖10。從圖9和圖10可以看出，隨著S Zorb汽油蒸氣壓上升，汽油調合產量和效益下降，高標號汽油產量同時下降，但是在蒸氣壓大于62 kPa的情況下，高標號汽油比例反而有所上升，原因是S Zorb汽油調入量減少，導致95號以上高標號汽油比例上升?？偟膩碚f，在S Zorb汽油蒸氣壓小于60 kPa的條件下，對汽油調合產量和效益基本無影響。蒸氣壓由60 kPa提高到64 kPa，汽油調合產量下降621 kt/a，高標號汽油產量下降398 kt/a，調合效益下降90 200萬元/a。

圖9 S Zorb汽油蒸氣壓對汽油調合產量和效益的影響■—汽油調合產量； ●—汽油調合效益

圖10 S Zorb汽油蒸氣壓對高標號汽油產量和比例的影響■—高標號汽油產量； ●—高標號汽油比例

5 問題及對策

根據(jù)以上分析，武漢分公司國Ⅵ標準汽油質量升級存在以下問題：一是烷基化油產量對調合效益的影響較大；二是重整汽油苯含量對高標號汽油產量影響較大；三是新催化裂化裝置投產后，S Zorb汽油烯烴含量和蒸氣壓對國ⅥB標準汽油調合效益影響較大。針對以上問題，擬采取以下措施：①外購烷基化油。建設烷基化油碼頭進廠和汽車進廠設施，滿足烷基化裝置異常生產條件下汽油調合的需求。該項目將于2019年第2季度完成。②重整汽油脫苯。計劃在2019年上半年重整裝置改造期間，完成芳烴抽提脫重塔塔底抽出泵及后冷卻器更新，消除重整汽油脫苯瓶頸。③S Zorb汽油烯烴、蒸氣壓控制。優(yōu)化新建催化裂化裝置的原料及操作，對S Zorb裝置穩(wěn)定塔進行必要的核算和改造，滿足蒸氣壓控制要求。④增設汽油在線調合系統(tǒng)，進一步提高調合效益。

6 結 論

(1)武漢分公司汽油質量從國Ⅴ標準升級到國ⅥA標準，現(xiàn)有裝置結構及汽油池構成能滿足生產要求，無需進行適應性改造，升級的重點在于組分油質量指標控制，S Zorb汽油烯烴體積分數(shù)不大于24%，蒸氣壓不大于64 kPa，重整汽油苯體積分數(shù)不大于1.5%。

(2)武漢分公司汽油質量從國ⅥA標準升級到國ⅥB標準，升級的措施主要是控制催化裂化穩(wěn)定汽油烯烴體積分數(shù)不大于28%，S Zorb汽油烯烴體積分數(shù)不大于22%，蒸氣壓不大于60 kPa，控制混合石腦油蒸氣壓不大于58 kPa。

(3)建設烷基化油外購設施、實施重整汽油脫苯改造以及S Zorb裝置穩(wěn)定塔降低汽油蒸氣壓改造，是優(yōu)化汽油調合生產和提高經濟效益的必要措施。