史曉迪，于 博，李 妍

(中石化石油化工科學(xué)研究院有限公司，北京 100083)

隨著航運業(yè)的快速發(fā)展,船舶排放的硫氧化物已成為大氣污染的重要來源之一。為控制船舶排放污染,根據(jù)國際海事組織(IMO)制定的《國際防止船舶造成污染公約》規(guī)定,2020年1月1日起,全球低硫重質(zhì)船用燃料油(簡稱低硫船用燃料油)的硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)不得高于0.5%[1-3],與原標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的船用燃料油硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于3.5%相比下降86%,將給全球船用燃料油市場帶來巨大變革[4]。為滿足船用燃料油的最新限硫標(biāo)準(zhǔn),目前共有3種主流的應(yīng)對措施[5],包括升級使用低硫船用燃料油、安裝脫硫洗滌裝置及加裝液化天然氣驅(qū)動系統(tǒng),其中使用低硫船用燃料油相比于其他解決方案更具經(jīng)濟性和可實施性。對船東來說,加注低硫船用燃料油必然造成運輸成本的上漲,除此之外,燃油品質(zhì)的穩(wěn)定性及其供應(yīng)穩(wěn)定等問題,也是在低硫船用燃料油新政下不可忽視的問題。因此,有針對性地結(jié)合煉油企業(yè)的實際情況,開展生產(chǎn)低硫船用燃料油總流程方案研究,探索低硫船用燃料油的低成本生產(chǎn)路線是非常有必要的。

國內(nèi)煉油能力5.0 Mt/a以下的小型煉油廠通常加工流程較短、路線單一、總流程可調(diào)節(jié)空間較小、產(chǎn)品競爭力較差,有轉(zhuǎn)型發(fā)展的需求,但短流程路線對于低硫船用燃料油的生產(chǎn)具有先天優(yōu)勢,所以小型煉油廠可以將低硫船用燃料油生產(chǎn)作為煉油產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要方向。我國煉油產(chǎn)能已結(jié)構(gòu)性過剩,具備實現(xiàn)低硫船用燃料油規(guī)?；a(chǎn)的基礎(chǔ)。但在當(dāng)前國內(nèi)成品油定價機制和稅收政策下,國內(nèi)主營煉油廠及地方煉油廠在生產(chǎn)中普遍存在“吃干榨凈”的現(xiàn)象,研究具有競爭力的低硫船用燃料油生產(chǎn)方案并在實際生產(chǎn)中落地實施,能夠有效地幫助企業(yè)釋放船用燃料油產(chǎn)能。以下針對小型煉油廠,從總流程、調(diào)合組分優(yōu)化等方面進行生產(chǎn)方案研究,并進行生產(chǎn)成本和經(jīng)濟效益的測算,以期為企業(yè)低硫船用燃料油的生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 煉油廠流程分析

國內(nèi)典型的小型煉油廠重油加工路線通常采用焦化脫碳路線,減壓渣油進延遲焦化裝置(簡稱焦化裝置)加工,焦化蠟油及減壓蠟油進催化裂化裝置加工。在目前主要生產(chǎn)國Ⅵ汽油和國Ⅵ柴油的工況下,通常存在汽油、柴油調(diào)合困難的問題,尤其是催化裂化柴油(催化柴油),由于十六烷值較低,已成為企業(yè)難以處理的中間物料,不利于煉油廠柴油池產(chǎn)品調(diào)合。而考慮將催化柴油作為低硫船用燃料油原料調(diào)合出廠,則屬于經(jīng)濟性較好的措施。催化柴油硫含量較低且在50 ℃下黏度很低,因此可以靈活調(diào)變其加氫深度和調(diào)合比例以達到降低低硫船用燃料油產(chǎn)品硫含量和黏度的目的[6]。

目前主流的船用燃料油調(diào)合方式包括:①以渣油加氫尾油為主要調(diào)合組分;②以常壓渣油為主要調(diào)合組分;③以減壓渣油+催化柴油為主要調(diào)合組分;④以減壓渣油+催化柴油+脫固油漿為主要調(diào)合組分。針對重油加工路線采用焦化脫碳路線的小型煉油廠,考慮對煉油廠催化柴油的綜合利用,在生產(chǎn)低硫船用燃料油時,計劃停運焦化裝置,并選用硫含量較低的原油,利用減壓渣油與催化柴油加氫產(chǎn)物(簡稱加氫催化柴油)調(diào)合生產(chǎn)低硫船用燃料油。與采用渣油加氫尾油為主要調(diào)合組分的方式相比[7],以減壓渣油生產(chǎn)低硫船用燃料油的方案具有流程更短、成本更低的優(yōu)勢。煉油廠停開焦化裝置后,催化裂化油漿(簡稱催化油漿)作為煉油廠的低附加值產(chǎn)品,由于其中催化裂化催化劑的量較高,需要通過油漿脫固裝置,先過濾脫除其中的催化劑顆粒物,使(硅+鋁)質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在100 μg/g 以下,才可作為船用燃料油調(diào)合組分,以降低低硫船用燃料油生產(chǎn)成本[8-12]。

2 調(diào)合配方研究

根據(jù)總流程優(yōu)化思路,考慮采用低硫減壓渣油與低硫柴油或其他低成本組分調(diào)合的方案生產(chǎn)低硫船用燃料油RMG380或RMG180。由低硫船用燃料油產(chǎn)品的硫含量等關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)反推,從國內(nèi)煉油廠普遍加工的原油中,初選出3種硫含量較低的原油(分別為帕茲夫羅、盧拉與朱比利原油)進行減壓渣油調(diào)合生產(chǎn)船用燃料油試驗研究。3種低硫原油的主要性質(zhì)見表1。將帕茲弗洛原油的減壓渣油命名為1號減壓渣油,盧拉原油的減壓渣油命名為2號減壓渣油,朱比利原油的減壓渣油命名為3號減壓渣油,測試此3種低硫減壓渣油的主要性質(zhì),并與RMG180和RMG380船用燃料油指標(biāo)進行比較,結(jié)果見表2。

表1 3種低硫原油的主要性質(zhì)

表2 3種低硫減壓渣油的主要性質(zhì)及與RMG180和RMG380船用燃料油指標(biāo)的比較

1)樣品流動性太差,無法在該測試溫度下測得黏度。

2)燃料油應(yīng)不含ULO。符合下列條件之一,認(rèn)為燃料油含有ULO:w(鈣)>30 μg/g且w(鋅)>15 μg/g;w(鈣)>30 μg/g且w(磷)>15 μg/g。以下同。

由表2可知,3種減壓渣油的硫含量均超出了船用燃料油產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.5%的指標(biāo)限制,且存在傾點、殘?zhí)砍瑯?biāo)的問題,需要將硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯低于0.5%的柴油組分或其他低硫組分與之調(diào)合,方可得到滿足RMG180或RMG380指標(biāo)要求的船用燃料油。從表1和表2還可以看出,雖然朱比利原油的硫含量在3種原油中最低,但其減壓渣油餾分的硫含量不是最低,因為該原油的減壓渣油與原油之間的硫傳遞系數(shù)較高。所以在煉油廠進行船用燃料油生產(chǎn)過程中,并不能一味地選擇硫含量低的原油,還需考慮原油與減壓渣油之間的硫傳遞系數(shù)。

為考察低硫減壓渣油與低硫柴油的調(diào)合規(guī)律,選擇煉油廠的低硫柴油與3種低硫減壓渣油進行調(diào)合試驗,并對該煉油廠低硫船用燃料油的可行配方進行設(shè)計和篩選。低硫柴油的主要性質(zhì)見表3。

表3 低硫柴油的主要性質(zhì)

2.1 減壓渣油與低硫柴油調(diào)合

首先考察了初選的3種低硫減壓渣油與質(zhì)量比例為25%～50%的低硫柴油調(diào)合所得混合餾分的主要性質(zhì),結(jié)果分別見表4～表6。

表4 1號減壓渣油與低硫柴油調(diào)合所得混合餾分的主要性質(zhì)

由表4～表6可知,低硫減壓渣油與低硫柴油調(diào)合時,隨著低硫柴油調(diào)合比例增加,混合餾分的密度、黏度、硫含量及殘?zhí)康戎笜?biāo)逐漸下降,其中,混合餾分黏度隨著低硫柴油比例的增加而變化得最為顯著,是調(diào)合過程中需要重點關(guān)注的指標(biāo)。

對于1號減壓渣油,由于其黏度和硫含量均較高,調(diào)合過程中需要同時關(guān)注黏度和硫含量兩項質(zhì)量指標(biāo)。由表4可知:當(dāng)?shù)土虿裼图尤氡壤?w)為40%時,調(diào)合出的黏度指標(biāo)滿足RMG180船用燃料油要求,但硫含量超標(biāo);當(dāng)?shù)土虿裼图尤氡壤?w)為45%時,調(diào)合出的硫含量指標(biāo)滿足RMG180船用燃料油要求,但黏度又偏低。因此,1號減壓渣油不能直接與柴油調(diào)合出各項指標(biāo)均達標(biāo)的低硫船用燃料油產(chǎn)品。

由表5可知,與1號減壓渣油相比,2號減壓渣油與低硫柴油調(diào)合過程中,隨著低硫柴油比例的增加,混合餾分的黏度和傾點降幅較小,需要調(diào)入較多的低硫柴油才能獲得各項質(zhì)量指標(biāo)均達標(biāo)的低硫船用燃料油產(chǎn)品。當(dāng)?shù)土虿裼图尤氡壤?w)為45%時,調(diào)合出的黏度指標(biāo)滿足RMG380船用燃料油要求,但鈣含量超標(biāo);當(dāng)?shù)土虿裼图尤氡壤?w)為50%時,調(diào)合出的黏度指標(biāo)滿足RMG180船用燃料油要求,但鈣含量仍然超標(biāo)。因此,若對生產(chǎn)該減壓渣油的原油進行脫鹽脫水處理,解決2號減壓渣油鈣含量較高的問題,則可利用2號減壓渣油與低硫柴油按照上述比例進行調(diào)合生產(chǎn)合格的RMG380或RMG180船用燃料油。

表5 2號減壓渣油與低硫柴油調(diào)合所得混合餾分的主要性質(zhì)

對于3號減壓渣油,因其黏度和傾點均較低,適合與較少的低硫柴油調(diào)合。從表6可以看出,當(dāng)?shù)土虿裼图尤氡壤?w)為25%～35%時,可以調(diào)合出除硫含量以外其他質(zhì)量指標(biāo)均達標(biāo)的混合餾分?？紤]到硫含量超標(biāo)問題,3號減壓渣油不能直接與低硫柴油調(diào)合出各項指標(biāo)均達標(biāo)的低硫船用燃料油產(chǎn)品。

表6 3號減壓渣油與低硫柴油調(diào)合所得混合餾分的主要性質(zhì)

與1號減壓渣油和2號減壓渣油相比,3號減壓渣油與原油之間具有更高的硫傳遞系數(shù),但其黏度較低,在3種減壓渣油硫含量相近的情況下,3號減壓渣油與低硫柴油調(diào)合過程中,隨著低硫柴油調(diào)合比例增加,黏度(50 ℃)迅速降低至100 mm2/s以下但硫含量依然超標(biāo),所以黏度較低的3號減壓渣油不適宜與低硫柴油調(diào)合生產(chǎn)低硫船用燃料油。

綜上所述,船用燃料油調(diào)合過程中重點需要考慮的性質(zhì)指標(biāo)是硫含量和黏度,低硫柴油的調(diào)入一方面降低硫含量,一方面降低黏度,若以單一減壓渣油與低硫柴油調(diào)合,選擇2號減壓渣油作為主要調(diào)合組分更有望獲得合格的低硫船用燃料油。同時,因3種減壓渣油的硫含量和黏度調(diào)合規(guī)律不同,還可以考慮利用混合減壓渣油調(diào)合低硫船用燃料油以進一步提高產(chǎn)品質(zhì)量并降低成本。

2.2 混合減壓渣油與低硫柴油調(diào)合

綜合減壓渣油性質(zhì)、關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)的調(diào)合規(guī)律以及減壓渣油收率等因素,以1號減壓渣油和2號減壓渣油按不同比例調(diào)合獲得了3種混合減壓渣油(MVR),進一步考察混合減壓渣油與低硫柴油的調(diào)合規(guī)律,并設(shè)計和篩選合格的低硫船用燃料油配方。將1號減壓渣油與2號減壓渣油按照質(zhì)量比1.9∶1混合得到的混合減壓渣油命名為MVR1;將1號減壓渣油與2號減壓渣油按照質(zhì)量比1.4∶1混合得到的混合減壓渣油命名為MVR2;將1號減壓渣油與2號減壓渣油按照質(zhì)量比2.4∶1混合得到的混合減壓渣油命名為MVR3?？疾炝?種混合減壓渣油與質(zhì)量比例為38%～45%的低硫柴油調(diào)合所得混合餾分的主要性質(zhì),結(jié)果分別見表7～表9。

表7 MVR1與低硫柴油調(diào)合所得混合餾分的主要性質(zhì)

表8 MVR2與低硫柴油調(diào)合所得混合餾分的主要性質(zhì)

表9 MVR3與低硫柴油調(diào)合所得混合餾分的主要性質(zhì)

由表7～表9可知,1號減壓渣油與2號減壓渣油按照質(zhì)量比(1.4∶1)～(2.4∶1)混合后再與質(zhì)量比例38%～45%的低硫柴油調(diào)合,可獲得主要質(zhì)量指標(biāo)均達標(biāo)的RMG380或RMG180船用燃料油。在實際生產(chǎn)中,可以根據(jù)原油價格、盧拉原油的脫鹽效果以及不同牌號船用燃料油產(chǎn)品的生產(chǎn)計劃量等因素選擇調(diào)合方案。與單一減壓渣油的調(diào)合方案相比,混合減壓渣油方案更靈活、可操作性更強。

2.3 脫固油漿作為調(diào)合組分

為了進一步降低低硫船用燃料油生產(chǎn)成本,且對煉油廠副產(chǎn)的催化裂化油漿(簡稱油漿)進行高價值利用,選擇混合減壓渣油MVR1,MVR2,MVR3,分別調(diào)入質(zhì)量比例為45%的低硫柴油得到混合餾分(分別命名為PL1,PL2,PL3),再分別調(diào)入質(zhì)量比例為15%～25%的脫固油漿,考察混合減壓渣油、低硫柴油與脫固油漿的調(diào)合規(guī)律,并設(shè)計和篩選合格的低硫船用燃料油配方。調(diào)入脫固油漿后所得混合餾分的主要性質(zhì)見表10～表12。

表10 以PL1調(diào)入脫固油漿所得混合餾分的主要性質(zhì)

表11 以PL2調(diào)入脫固油漿所得混合餾分的主要性質(zhì)

表12 以PL3調(diào)入脫固油漿所得混合餾分的主要性質(zhì)

由表10～表12可知:調(diào)入脫固油漿能夠增加樣品的黏度;當(dāng)調(diào)入油漿質(zhì)量比例低于23%時,調(diào)合出的混合餾分主要質(zhì)量指標(biāo)均滿足RMG380或RMG180船用燃料油的要求;當(dāng)調(diào)入油漿質(zhì)量比例為25%時,調(diào)合出的混合餾分主要質(zhì)量指標(biāo)基本滿足RMG380船用燃料油的要求,但密度超標(biāo)。在實際生產(chǎn)中,適當(dāng)調(diào)入一定比例的脫固油漿,能夠緩解柴油調(diào)入后產(chǎn)品黏度與硫含量的矛盾,進一步降低船用燃料油生產(chǎn)成本,實際生產(chǎn)過程中,可以根據(jù)油漿產(chǎn)量適當(dāng)調(diào)整調(diào)入量。

綜上所述,基于國內(nèi)可采購的原油資源,選擇帕茲夫羅原油及盧拉原油作為船用燃料油生產(chǎn)的主力油種,調(diào)合方案考慮采用“混合減壓渣油+低硫柴油”以及“混合減壓渣油+低硫柴油+脫固油漿”。

3 總流程方案研究

設(shè)計一個原油加工能力為5.0 Mt/a的煉油廠,進行總流程方案研究,考察低硫船用燃料油生產(chǎn)方案的經(jīng)濟性[13-16]。

3.1 方案設(shè)計

方案1為基礎(chǔ)方案:常減壓蒸餾裝置加工量為5.0 Mt/a,減壓渣油進延遲焦化裝置加工,焦化蠟油及減壓蠟油進催化裂化裝置加工?；旌显土蛸|(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.48%,API重度為27.27,酸值為0.83 mgKOH/g。

方案2為:5.0 Mt/a常減壓蒸餾裝置減壓渣油+加氫柴油,生產(chǎn)RMG180船用燃料油。方案2在方案1的基礎(chǔ)上,焦化裝置停運,減壓渣油與加氫柴油調(diào)合生產(chǎn)RMG180。由于方案1的混合原油硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.48%,減壓渣油的硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.88%,無法與加氫柴油調(diào)合生產(chǎn)低硫船用燃料油,因此需要在考察可獲得的原油資源總量情況下,對生產(chǎn)低硫船用燃料油的原油結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。根據(jù)第2節(jié)試驗研究結(jié)果,選擇帕茲夫羅原油及盧拉原油作為主力油種生產(chǎn)低硫船用燃料油產(chǎn)品?；旌显土蛸|(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.36%,API重度為27.25,酸值為1.09 mgKOH/g。利用加氫柴油與直餾減壓渣油調(diào)合生產(chǎn)RMG180船用燃料油。

方案3為:5.0 Mt/a常減壓蒸餾裝置減壓渣油+加氫柴油+脫固油漿,生產(chǎn)RMG380船用燃料油。方案3與方案2采用相同原油結(jié)構(gòu)。考慮將低附加值油漿作為船用燃料油調(diào)合組分,需對油漿進行脫固處理,故在方案2的基礎(chǔ)上,新建0.1 Mt/a油漿脫固裝置,油漿經(jīng)脫固處理后與減壓渣油、加氫柴油一起調(diào)合生產(chǎn)RMG380,考察脫固油漿加入對船用燃料油生產(chǎn)成本的影響。

3.2 方案測算結(jié)果

3種方案下全廠物料平衡數(shù)據(jù)如表13所示,其中方案2和方案3為生產(chǎn)船用燃料油工況,為保證對比基準(zhǔn)一致,采用相同的原油結(jié)構(gòu),總加工量均為5.0 Mt/a。方案2生產(chǎn)RMG180低硫船用燃料油,方案3生產(chǎn)RMG380低硫船用燃料油,生產(chǎn)船用燃料油工況下均不再生產(chǎn)石油焦,由于牌號和配方的差別,各方案的柴油產(chǎn)量有所區(qū)別。

表13 全廠物料平衡數(shù)據(jù)

方案2和方案3的船用燃料油調(diào)合結(jié)果見表14～表15。根據(jù)前期的配方研究,重點需要考慮的性質(zhì)指標(biāo)是硫含量和黏度,RMG180的黏度指標(biāo)上限為180 mm2/s,同時以100 mm2/s作為指標(biāo)內(nèi)控下限,而這兩個指標(biāo)隨著加氫柴油作為稀釋油的加入互相制約,即加氫柴油一方面降低硫含量,一方面降低黏度,因此對原油硫含量和原油的減壓渣油黏度都有一定的要求,而適當(dāng)調(diào)入一定比例的脫固油漿,能夠緩解柴油調(diào)入后產(chǎn)品黏度與硫含量的矛盾,從本次測算中選擇的原油和配方調(diào)合結(jié)果來看,調(diào)合配方存在適度的靈活性。

表14 方案2船用燃料油調(diào)合結(jié)果

表15 方案3船用燃料油調(diào)合結(jié)果

3.3 效益測算

方案測算采用價格體系為國內(nèi)過去3年(2020—2022年)的原油平均價格,RMG180/RMG380船用燃料油價格均按出口柴油價格減去50美元/t計算,測算結(jié)果如表16所示。

表16 調(diào)合方案的利潤對比 元/t

1)以方案1的利潤為基準(zhǔn)計算。

從表16可以看出,低硫船用燃料油在免除消費稅和增值稅的前提下,價格具有一定的競爭力,且隨著配方的調(diào)整有所不同。由于低硫船用燃料油是方案2和方案3的主要產(chǎn)品,總體來說,船用燃料油調(diào)合組分中餾分油摻入越少、油漿摻入越多,成本越低,效益越好。

4 結(jié) 論

與不生產(chǎn)低硫船用燃料油工況的方案1相比,生產(chǎn)低硫船用燃料油方案在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整上均有明顯改善。低硫船用燃料油生產(chǎn)方案中以帕茲夫羅、盧拉原油作為主力油種,兼顧了原油資源量和原油性質(zhì),調(diào)合配方已通過試驗驗證,可生產(chǎn)合格的低硫船用燃料油產(chǎn)品。同時,在方案3中需要新建油漿脫固裝置,可以進一步降低生產(chǎn)成本,對全廠產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整效果最為明顯,在多重作用下,企業(yè)生產(chǎn)燃料油的總效益和噸油效益均得到明顯提升。

針對國內(nèi)典型小型煉油廠的流程特點,通過合理的原料結(jié)構(gòu)配置和調(diào)合配方優(yōu)化,通過技術(shù)經(jīng)濟性評價,比選出低成本生產(chǎn)低硫船用燃料油的技術(shù)路線。該研究不僅能夠幫助小型煉油廠優(yōu)化低硫船用燃料油生產(chǎn)方案,在區(qū)域競爭中掌握先機,同時為生產(chǎn)低硫船用燃料油的煉油廠設(shè)計具有經(jīng)濟競爭力的加工方案提供參考依據(jù)。