許雙辰,任 亮,楊 平,胡志海,嚴(yán)張艷,王錦業(yè)
(中國石化石油化工科學(xué)研究院,北京 100083)
催化裂化柴油(LCO)是催化裂化裝置的主要產(chǎn)品之一,約占我國柴油池的25%,具有硫、氮含量高、多環(huán)芳烴含量較高、十六烷值低的特點(diǎn)。為解決環(huán)境污染問題,環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格,油品質(zhì)量升級加速推進(jìn),低硫、低芳烴、低密度和高十六烷值成為柴油質(zhì)量升級的趨勢[1]。與此同時(shí),隨著我國煉油行業(yè)發(fā)展進(jìn)入新時(shí)代,煉油能力過剩問題凸顯,成品油消費(fèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大變化,突出表現(xiàn)為消費(fèi)柴汽比大幅降低,如2012年時(shí)成品油消費(fèi)柴汽比為1.97∶1,至2019年時(shí)降低至1.05∶1,柴汽比的降低對企業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整提出了更高的要求[2]。如何實(shí)現(xiàn)柴油的高值化、清潔化利用成為煉化企業(yè)面臨的重大難題之一。
為助力煉化企業(yè)油品質(zhì)量升級、降低柴汽比、多產(chǎn)芳烴原料,中國石化石油化工科學(xué)研究院(簡稱石科院)開發(fā)了LCO選擇性加氫裂化生產(chǎn)高辛烷值汽油或輕質(zhì)芳烴原料(苯、甲苯、二甲苯)技術(shù)(簡稱RLG技術(shù))。該技術(shù)擴(kuò)展了芳烴生產(chǎn)單元的原料來源,以較低的成本、較短的加工流程生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品,緩解煉油企業(yè)劣質(zhì)LCO出廠困難問題,同時(shí)提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益[3]。以下介紹兩代RLG技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用情況。
不同煉油廠的3種典型LCO(分別記作LCO-A,LCO-B,LCO-C)的族組成分析結(jié)果見表1。由表1可以看出:3種LCO中的芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高達(dá)78%以上;其中,雙環(huán)芳烴含量最高,質(zhì)量分?jǐn)?shù)在43%以上,其次為單環(huán)芳烴,此外還有少部分三環(huán)芳烴。與國Ⅵ車用柴油標(biāo)準(zhǔn)[4]相比,LCO的組成與清潔柴油要求的低多環(huán)芳烴含量存在較大的矛盾。
表1 典型LCO的族組成 w,%
LCO的常規(guī)加工方法為加氫精制和加氫改質(zhì)生產(chǎn)清潔柴油調(diào)合組分,這兩種技術(shù)將LCO中的芳烴加氫轉(zhuǎn)化生成高十六烷值組分,存在產(chǎn)品柴油密度降低幅度有限、十六烷值提高幅度不足或達(dá)到產(chǎn)品密度、十六烷值要求時(shí)化學(xué)氫耗較高等問題[5]。結(jié)合LCO的組成特點(diǎn),RLG技術(shù)的開發(fā)目標(biāo)為將LCO中的大分子芳烴加氫轉(zhuǎn)化為高辛烷值汽油組分或輕質(zhì)芳烴原料,從而實(shí)現(xiàn)LCO大分子芳烴的高效利用與轉(zhuǎn)化。
表2為汽油餾分中幾種典型芳烴的結(jié)構(gòu)和研究法辛烷值(RON)數(shù)據(jù)[6]。由表2可知,汽油餾分中小分子的芳烴(苯、甲苯、二甲苯和乙苯)具有較高的RON,結(jié)合RLG技術(shù)的開發(fā)目標(biāo),LCO選擇性加氫裂化生產(chǎn)高辛烷值汽油的關(guān)鍵是盡可能將LCO中的大分子芳烴轉(zhuǎn)化為小分子的芳烴。
表2 汽油餾分中典型芳烴的結(jié)構(gòu)和RON
圖1為雙環(huán)芳烴加氫裂化反應(yīng)過程示意。由圖1可知,對于萘類等雙環(huán)芳烴,加氫裂化過程中涉及加氫飽和、選擇性開環(huán)及斷側(cè)鏈等過程,同時(shí)四氫萘、大分子烷基苯以及小分子烷基苯會繼續(xù)加氫飽和。圖2為單環(huán)芳烴加氫裂化反應(yīng)過程示意。由圖2可知,單環(huán)芳烴加氫裂化同樣涉及選擇性斷側(cè)鏈、加氫飽和等過程。
圖1 雙環(huán)芳烴加氫裂化反應(yīng)過程示意
圖2 單環(huán)芳烴加氫裂化反應(yīng)過程示意
結(jié)合圖1與圖2可知,在LCO加氫裂化過程中,要得到更多的小分子芳烴,同時(shí)保持較低的氫耗,關(guān)鍵在于控制好芳烴轉(zhuǎn)化路徑,即:控制加氫精制反應(yīng)段中芳烴加氫飽和程度適中,促進(jìn)裂化反應(yīng)段中四氫萘類單環(huán)芳烴的選擇性開環(huán),促進(jìn)烷基苯類單環(huán)芳烴的脫烷基,同時(shí)盡可能避免大分子或小分子單環(huán)芳烴發(fā)生過飽和反應(yīng)。
以取自國內(nèi)某煉油廠的LCO(記作LCO-D)為原料,采用石科院開發(fā)的加氫精制劑RN-411/加氫裂化劑RHC-100組合,在250 mL中型固定床加氫裝置上考察氫分壓、反應(yīng)溫度、氫油比和空速對RLG技術(shù)反應(yīng)效果的影響。LCO-D的主要性質(zhì)和組成如表3所示。
表3 LCO-D的性質(zhì)及組成
在精制段反應(yīng)溫度為360 ℃、裂化段反應(yīng)溫度為400 ℃、精制段入口氫油體積比為800、總體積空速為1.0 h-1的條件下,考察系統(tǒng)入口氫分壓對RLG產(chǎn)品收率及性質(zhì)的影響,結(jié)果見表4。
表4 系統(tǒng)入口氫分壓對產(chǎn)品收率及性質(zhì)的影響
由表4可以看出:系統(tǒng)氫分壓由基準(zhǔn)提高到(基準(zhǔn)+2.0)MPa,重汽油產(chǎn)品(85~205 ℃餾分)的收率由26.29%提高到38.32%,RON由94.0降低至90.9,降低了3.1;柴油產(chǎn)品(大于205 ℃餾分)的收率由71.33%降低到55.79%,密度(20 ℃)由911.0 kg/m3降低至897.2 kg/m3,十六烷指數(shù)由26.9提高至34.1,提高了7.2。可見,提高系統(tǒng)氫分壓可以提高重汽油收率和柴油的十六烷指數(shù),但重汽油的RON會降低。因此在考察范圍內(nèi),兼顧重汽油收率及RON,系統(tǒng)氫分壓宜選擇為(基準(zhǔn)+1.0)MPa。
在系統(tǒng)氫分壓為(基準(zhǔn)+1.0)MPa、精制段反應(yīng)溫度為360 ℃、精制反應(yīng)器入口氫油體積比為800、總體積空速為1.0 h-1的條件下,考察裂化段反應(yīng)溫度對RLG產(chǎn)品收率及性質(zhì)的影響,結(jié)果見表5。
由表5可以看出:裂化反應(yīng)溫度由380 ℃提高到400 ℃,重汽油產(chǎn)品的收率由27.5%提高到36.0%,RON由92.0提高至96.3,提高了4.3;柴油產(chǎn)品的收率由69.10%降低到58.40%,密度(20 ℃)由907.9 kg/m3降低到899.2 kg/m3,十六烷指數(shù)由29.3提高至31.0,提高了1.4??梢?,提高裂化段反應(yīng)溫度可以提高重汽油收率、RON以及柴油十六烷指數(shù)。兼顧重汽油收率及重汽油RON,在考察范圍內(nèi)該技術(shù)較優(yōu)的裂化反應(yīng)溫度為400 ℃。
表5 裂化段反應(yīng)溫度對產(chǎn)品收率及性質(zhì)的影響
在系統(tǒng)氫分壓為(基準(zhǔn)+1.0)MPa、精制段反應(yīng)溫度為370 ℃、裂化段反應(yīng)溫度為400 ℃、總體積空速為1.0 h-1的條件下,考察精制段入口氫油比對RLG產(chǎn)品收率及性質(zhì)的影響,結(jié)果見表6。
表6 精制段入口氫油比對產(chǎn)品收率及性質(zhì)的影響
由表6可知:精制反應(yīng)器入口氫油體積比由500提高到1 100,重汽油產(chǎn)品的收率由19.4%提高到28.9%;柴油產(chǎn)品的收率由77.0%降低到65.5%;重汽油產(chǎn)品的RON由91.6提高至94.0,提高了2.4;柴油產(chǎn)品的密度(20 ℃)由915.3 kg/m3降低到902.8 kg/m3,十六烷指數(shù)由27.0提高至29.0,提高了2.0??梢姡岣叻磻?yīng)氫油比可以在提高重汽油收率的同時(shí)提高重汽油的RON和柴油的十六烷指數(shù)。在本課題中,選擇800以上的氫油體積比,即可使重汽油RON達(dá)到92以上。
在系統(tǒng)氫分壓為(基準(zhǔn)+1.0)MPa、精制段反應(yīng)溫度為370 ℃、裂化段反應(yīng)溫度為400 ℃、精制段入口氫油體積比為800的條件下,考察空速對RLG產(chǎn)品收率及性質(zhì)的影響,結(jié)果見表7。
表7 總體積空速對產(chǎn)品收率及性質(zhì)的影響
由表7可以看出:當(dāng)總體積空速由1.0 h-1降低至0.8 h-1時(shí),重汽油產(chǎn)品的收率由27.20%增加至30.89%,柴油產(chǎn)品的收率由67.33%降低至63.00%;重汽油產(chǎn)品的RON由93.4降低至92.3,下降了1.1;柴油產(chǎn)品的密度(20 ℃)由904.4 kg/m3降低到900.7 kg/m3,十六烷指數(shù)由28.5提高至29.8,提高了1.3。降低空速有利于提高重汽油收率和柴油產(chǎn)品十六烷指數(shù),但不利于重汽油產(chǎn)品RON的提高??疾旆秶鷥?nèi),總體積空速為0.8 h-1時(shí)可兼顧重汽油收率和RON,為適宜的空速。
RLG技術(shù)工藝條件考察結(jié)果表明:在考察范圍內(nèi),適宜的系統(tǒng)氫分壓為(基準(zhǔn)+1.0)MPa,裂化反應(yīng)溫度為400 ℃,氫油體積比為800以上,總體積空速為0.8 h-1。
在工藝條件考察的基礎(chǔ)上,張毓瑩等[5]研究了RLG技術(shù)的原料油適應(yīng)性及運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性,結(jié)果表明采用RLG技術(shù)及配套催化劑加工各種劣質(zhì)LCO均可以生產(chǎn)高辛烷值汽油調(diào)合組分,且運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性良好。
第一代RLG技術(shù)分別于2017年12月和2017年7月在中國石化安慶分公司(簡稱安慶分公司)和中國石化上海石油化工股份有限公司(簡稱上海石化)進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用。
安慶分公司新建的1.0 Mt/a RLG裝置以LCO為原料生產(chǎn)高辛烷值汽油調(diào)合組分,同時(shí)兼顧生產(chǎn)低硫柴油調(diào)合組分。于2018年5月對裝置進(jìn)行了技術(shù)標(biāo)定,結(jié)果見表8和表9。
表8 安慶分公司RLG裝置標(biāo)定期間的原料和產(chǎn)品性質(zhì)
表9 安慶分公司RLG裝置標(biāo)定期間的物料平衡數(shù)據(jù) w,%
由表8可以看出,安慶分公司RLG裝置以密度(20 ℃)為928.1 kg/m3的LCO為原料,可生產(chǎn)硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4 μg/g、RON為92.0的高辛烷值汽油調(diào)合組分,同時(shí)柴油產(chǎn)品的十六烷指數(shù)較原料LCO提高了13.3。由表9可見,安慶分公司RLG裝置標(biāo)定期間的化學(xué)氫耗(w)為2.94%,汽油收率為48.03%,其中富含苯的C6餾分收率為6.21%,抽出富含苯的C6餾分后的穩(wěn)定汽油收率為41.82%,柴油收率為49.43%。此外,RLG裝置投產(chǎn)后,安慶分公司全廠柴汽比由1.03降低至0.74,企業(yè)實(shí)現(xiàn)全面生產(chǎn)車用柴油[7]。RLG裝置自2018年1月1日至2019年6月的累計(jì)經(jīng)濟(jì)效益為2.61 億元,年均經(jīng)濟(jì)效益為1.74 億元,每噸LCO原料的經(jīng)濟(jì)效益為219 元[8]。
上海石化對改造的0.65 Mt/a RLG裝置于2017年9月進(jìn)行了技術(shù)標(biāo)定,結(jié)果見表10和表11。
表10 上海石化RLG裝置標(biāo)定期間的原料和產(chǎn)品性質(zhì)
表11 上海石化RLG裝置標(biāo)定期間的物料平衡數(shù)據(jù) w,%
由表10可以看出,上海石化RLG裝置以密度(20 ℃)為944.2 kg/m3的LCO為原料,可生產(chǎn)硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.3 μg/g、RON為94.3的高辛烷值汽油調(diào)合組分,同時(shí)柴油產(chǎn)品的十六烷指數(shù)較原料LCO提高了8.6。由表11可見,上海石化RLG裝置標(biāo)定期間的化學(xué)氫耗(w)為3.49%,汽油收率為43.48%,其中輕汽油收率為2.17%,重汽油收率為41.31%,柴油收率為49.71%。此外,RLG裝置投產(chǎn)后,按100%工況計(jì)算,年效益為5 364.68萬元,加工LCO測算效益為83.03 元/t[9]。
雖然第一代RLG技術(shù)在上海石化和安慶分公司進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用,但未完全實(shí)現(xiàn)LCO的高轉(zhuǎn)化率或全轉(zhuǎn)化。對催化裂化裝置規(guī)模大的煉油廠來說,未轉(zhuǎn)化的LCO不能全部調(diào)入柴油池中,全廠生產(chǎn)國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)以上的柴油產(chǎn)品仍有困難。針對這些問題,石科院在第一代RLG技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過開發(fā)新的加氫裂化催化劑RHC-100B、優(yōu)化催化劑級配以及優(yōu)化工藝流程,提高大分子芳烴轉(zhuǎn)化為苯、甲苯、二甲苯的選擇性和轉(zhuǎn)化率,延長催化劑操作周期,完成了RLG-Ⅱ技術(shù)的開發(fā)。
為考察RLG-Ⅱ技術(shù)對不同LCO的適應(yīng)性,在中型試驗(yàn)裝置上以來自5個不同煉油廠的LCO為原料油(分別記作LCO-E,LCO-F,LCO-G,LCO-H,LCO-I)進(jìn)行了試驗(yàn)。5種原料油的組成和性質(zhì)見表12。
試驗(yàn)采用LCO加氫轉(zhuǎn)化產(chǎn)品中輕柴油(205~250 ℃餾分段柴油)循環(huán)流程或一次通過流程,5組原料油適應(yīng)性試驗(yàn)的汽油收率、汽油辛烷值、柴油十六烷值結(jié)果如表13所示。其中,輕柴油循環(huán)比為0的試驗(yàn)采用的是一次通過流程。
由表12和表13可知,RLG-Ⅱ技術(shù)加工不同密度、氮含量、芳烴含量的LCO原料時(shí),在產(chǎn)品輕柴油循環(huán)或一次通過條件下,均可生產(chǎn)得到收率大于62.39%的汽油產(chǎn)品,且汽油產(chǎn)品的RON均在93.5以上,柴油產(chǎn)品的十六烷指數(shù)為34.1~50.8、硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于10 μg/g。上述結(jié)果表明,RLG-Ⅱ技術(shù)對各類型的LCO具有良好的適應(yīng)性,可以得到高收率、高辛烷值的汽油及低硫、低氮的清潔柴油。
表12 5種LCO原料油的組成和性質(zhì)
表13 RLG-Ⅱ工藝原料油適應(yīng)性試驗(yàn)工藝參數(shù)及全餾分性質(zhì)
(1)在固定床加氫試驗(yàn)裝置上研究了工藝條件對RLG產(chǎn)品收率及產(chǎn)品性質(zhì)的影響,結(jié)果表明;提高系統(tǒng)氫分壓可以提高重汽油收率及柴油的十六烷指數(shù),但重汽油的RON會降低;提高裂化段反應(yīng)溫度和精制段入口氫油比,均可以提高重汽油收率、RON和柴油的十六烷指數(shù);降低總體積空速,有利于提高重汽油收率和柴油產(chǎn)品十六烷指數(shù),但不利于重汽油RON的提高。RLG技術(shù)適宜的工藝條件為:系統(tǒng)氫分壓(基準(zhǔn)+1.0)MPa、裂化反應(yīng)溫度400 ℃、精制段入口氫油體積比800以上、總體積空速0.8 h-1。
(2)第一代RLG技術(shù)在安慶分公司工業(yè)應(yīng)用的結(jié)果表明,RLG技術(shù)以密度(20 ℃)為928.1 kg/m3的LCO為原料可以生產(chǎn)收率為48.03%、硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4 μg/g、RON為92.0的高辛烷值汽油調(diào)合組分,同時(shí)可兼顧生產(chǎn)硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5 μg/g、十六烷指數(shù)較原料LCO提高13.3的清潔柴油,化學(xué)氫耗為2.94%。
(3)第一代RLG技術(shù)在上海石化工業(yè)應(yīng)用的結(jié)果表明,RLG技術(shù)以密度(20 ℃)為944.2 kg/m3的LCO為原料,可生產(chǎn)收率為43.48%、硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.3 μg/g、RON為94.3的高辛烷值汽油調(diào)合組分,同時(shí)柴油產(chǎn)品的十六烷指數(shù)較原料LCO提高了8.6,化學(xué)氫耗為3.49%。
(4)在第一代RLG技術(shù)的基礎(chǔ)上完成了RLG-Ⅱ技術(shù)的開發(fā)。RLG-Ⅱ原料油適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果表明,RLG-Ⅱ技術(shù)對各類型的LCO具有良好的適應(yīng)性,可得到高收率、高辛烷值的汽油及低硫、低氮的清潔柴油。