随着近年来我国经济结构的不断转型，柴油需求于2015年达到峰值后已逐步降低，而高品质汽油需求持续增长，柴汽比逐年下降已成必然趋势，并且会持续很长一段时间，预计2020年降至1.3，2030年降至1.1左右。因此，炼化产品结构优化、降低柴汽比既是“十三五”期间炼化行业满足市场需求、社会需求、提质增效的重要手段，也是推动炼化企业高效、可持续发展的有效措施[1-3]。降低柴汽比主要从增产汽油、减产柴油、优化利用或消化柴油资源等几个方面考虑。增产汽油措施包括优化炼油装置、增加烷基化油、增大异构化规模、提高催化裂化负荷等；减产柴油措施包括改进生产工艺、增大催化柴油等劣质柴油加氢裂化规模、增加柴油出口和鼓励柴油销售、利用油品价格杠杆等；而在优化利用或消化柴油资源方面，以轻柴油部分替代直馏石脑油用作乙烯裂解的原料可作为炼化一体化企业降低柴汽比的重要途径之一[4-5]。
与常用乙烯原料石脑油相比，轻柴油裂解气相中乙烯、丙烯等收率低，裂解液相中重质组分较多，裂解炉运行周期短；近年来，加氢尾油作为乙烯原料的投入量大幅度增加，已成为裂解原料结构优化、企业增效的重要选择[6-7]，但加氢尾油流动性差，环境温度较低时易结块，从而影响装置运行的稳定性。因此，考虑将轻柴油混入加氢尾油中进行共裂解，本研究通过开展多种轻柴油、加氢尾油的实验室裂解性能评价试验，结合在工业USC裂解炉上进行的轻柴油和加氢尾油的多批次共裂解标定试验，对轻柴油、加氢尾油的裂解产物收率变化趋势以及利用共裂解降低柴汽比的技术可行性和经济合理性进行分析。
原料裂解性能评价试验在美国KBR公司制造的实验室蒸汽裂解评价装置上开展，装置包括进料、加热、反应、急冷回收、计量等系统，模块化设计、精确计量以及稳定运行使其具备原料适应性强、重复性能好、可模拟管式裂解炉等特点[8]。裂解性能评价试验稳定时间为2 h，高温裂解气在经循环裂解气急冷、旋风分离、3次冷却分离后，由气相色谱仪进行在线分析，裂解液相经油水分离后称重计量，试验数据用装置附带的专用软件进行计算和处理。
工业标定试验稳定时间为2 h，其试验装置流程如图 1所示，从裂解炉第一急冷器之后、第二急冷器之前的连接管处(此处裂解产物温度已降至约500 ℃)引出裂解产物进入工业标定装置，经第一、二冷凝器(水冷却)将其中大部分液相冷凝收集后，再经冷阱进一步冷却分离出其中的轻油和水，未凝裂解气(即气相产物)经取样进行全组分分析、体积计量后放空[9]，将两个收集瓶和冷阱中的液相统一收集后进行水油分离，计量水相和油相质量。为保证液相组分完全冷凝，该冷阱温度控制在-2~0 ℃，试验过程中用冰盐水作制冷剂。试验所用分析设备如表 1所列。
实验室裂解评价试验所用的4种原料为北疆轻柴油、长庆轻柴油、吐哈轻柴油和独山子加氢尾油，工业裂解标定试验所用原料按不同混合比例将其分别标记为轻柴油&加氢尾油1#(混合比例2:5)和2#(混合比例1:3)，原料物性分析数据如表 2所列。从表 2可以看出，3种轻柴油密度、特性因数以及体积平均沸点均较为接近，物性差异主要体现在北疆轻柴油的芳烃指数略高，其芳香性更强；长庆轻柴油比其他两种轻柴油初馏点低约20 ℃，10%馏出温度低10 ℃以上，表明长庆轻柴油轻质组分含量更高；独山子加氢尾油在常温常压下为固态、较黏稠、难挥发，在32 ℃时逐渐融化为液态，采用称量法测得其在20 ℃时的密度为0.819 8 g/cm3，加热融化后测得其在37 ℃时密度为0.809 0 g/cm3。工业裂解标定试验所用原料中，轻柴油&加氢尾油1#密度大、体积平均沸点高，比轻柴油&加氢尾油2#初馏点高180 ℃(已达321 ℃)，10%~30%、50%~90%馏出温度至少高78 ℃、40 ℃，但终馏点低10 ℃，说明轻柴油&加氢尾油2#馏程范围更宽，碳数分布更广，且原料中轻质组分居多。
在实验室裂解评价装置上分别进行了停留时间为100 ms、水油质量比0.65、裂解温度890 ℃的北疆、长庆、吐哈轻柴油的裂解试验，以及水油质量比为0.75、裂解温度830 ℃的独山子加氢尾油的裂解试验，其裂解产物收率比较结果如图 2所示。
由图 2可知，在相同的裂解条件下，3种轻柴油裂解乙烯、丙烯收率排列顺序由大到小为：长庆轻柴油(30.99%、13.61%)>吐哈轻柴油(30.10%、13.03%)>北疆轻柴油(27.15%、12.91%)，丁二烯收率均在6%左右；加氢尾油裂解产物收率远高于长庆轻柴油，乙烯、丙烯和丁二烯收率高达33.40%、18.98%和8.6%；4种原料裂解三烯(乙烯+丙烯+丁二烯，下同)和C5&C5+收率总计达到76%~80%，其中加氢尾油裂解三烯收率最高，达到60.98%，C5&C5+收率最低，仅14.17%，北疆轻柴油裂解三烯收率最低，仅45.95%，C5&C5+收率最高，达到30.59%；结合物性分析数据可知，长庆轻柴油初馏点低、轻质组分多，裂解性能优于其他两种轻柴油，而北疆轻柴油芳烃指数高，导致裂解气相产物收率低，液相产物收率高，易导致炉管结焦进而缩短裂解炉运行周期。加氢尾油虽密度大，流动性差，但其主要由长链烷烃组成，易发生断链反应生成大量低碳烯烃(如丙烯、丁二烯)和少量甲烷等小分子烷烃，加氢尾油宜在高水油比、低裂解温度下裂解，裂解三烯收率高达61%，应将其视为乙烯原料结构多样化的合理补充。而且当工业裂解炉裂解原料油品储量不能满足大型裂解炉1个周期的用量时，考虑将其与物性相近的原料掺混进行共裂解[10-12]。
为了考察轻柴油和加氢尾油在工业裂解炉共裂解的产物分布情况，在USC裂解炉上进行了裂解炉出口温度(co-pyrolysis outlet temperature，以下简称COT)分别在835 ℃、838 ℃、841 ℃下的轻柴油&加氢尾油1#共裂解标定试验，裂解炉运行工况为原料进料速率12 t/h、裂解炉入口压力0.31 MPa、操作设置水油比0.80，其主要产物收率比较结果如图 3所示。
从图 3可以看出，当COT为835 ℃时，轻柴油&加氢尾油1#共裂解乙烯、丙烯和三烯收率可达31.48%、15.29%和53.05%，裂解深度(即丙烯收率/乙烯收率)为0.486，说明在加氢尾油中掺入轻柴油在较低温度下进行共裂解技术上可行，与常用石脑油裂解相比具有一定的经济效益潜力；当COT为835~841 ℃时，随着COT的提高，轻柴油&加氢尾油1#裂解气相中乙烯、丙烯、丁二烯收率均呈下降趋势，C5&C5+收率呈上升趋势，COT提高6 ℃后，双烯、三烯收率分别下降1.17%、1.3%，C5&C5+收率提高2.06%；且从835 ℃提高到838 ℃时的产物收率变化幅度比从838 ℃提高到841 ℃时的更为明显。综合考虑能耗、乙烯产率、三烯产率以及工况稳定性等方面得出，轻柴油&加氢尾油1#在某石化公司USC裂解炉上进行共裂解，其出口温度宜控制在835 ℃，裂解炉入口压力0.3 MPa，操作设置水油比为0.80。
为了考察不同混合比例、不同物性的轻柴油和加氢尾油在工业裂解炉进行共裂解的产物分布情况，在USC裂解炉上还进行了轻柴油&加氢尾油2#共裂解标定试验，裂解炉运行工况为原料进料速率24 t/h、COT为835~841 ℃、裂解炉入口压力0.31 MPa、操作设置水油比0.80，其与轻柴油&加氢尾油1#共裂解产物收率比较结果如图 4所示。
从图 4可以看出，随着COT的升高，轻柴油&加氢尾油2#裂解气相中乙烯、三烯收率均呈增加趋势，乙烯、丙烯、丁二烯三种烯烃中乙烯收率增幅较为明显，C5&C5+收率呈下降趋势；在841 ℃下裂解乙烯、三烯收率最高，分别可达32.22%和54.20%，且裂解C5&C5+收率最低，达到20.76%，这说明轻柴油&加氢尾油2#裂解气相中烯烃收率高，裂解液相产物收率略低，但其中包含一系列高附加值且市场需求大的副产品(如苯、甲苯、二甲苯、裂解汽油等)，对其进行有效利用可使乙烯成本显著降低。综合考虑能耗及乙烯产率等可得，轻柴油&加氢尾油2#裂解炉出口温度宜控制在约841 ℃，符合轻质乙烯原料裂解温度一般高于重质乙烯原料裂解温度的规律。轻柴油&加氢尾油2#比1#裂解乙烯、三烯收率高，这与裂解运行工况和原料物性等因素有关，轻柴油&加氢尾油2#中掺入的加氢尾油比例低3.57%、馏程范围宽且原料中轻质组分含量更高，而原料进料速率大导致炉管内压降大，吸热量和动力消耗大，停留时间缩短，可产生大量乙烯和丙烯，裂解深度更高，C5&C5+收率低减少了二次反应发生的几率，炉管结焦量减少，延长了裂解炉的运行周期[13-14]；同时，轻柴油&加氢尾油2#共裂解时消耗柴油量高达6 t/h，减少了直馏石脑油的裂解用量，混合原料在管道中流动性增强，裂解炉运行工况稳定，可切实有效地降低炼化一体化企业的柴汽比。综合考虑原料物性、存储量、烯烃产率以及工况稳定性等方面得出，轻柴油&加氢尾油在某石化公司USC裂解炉上进行共裂解，其轻柴油与加氢尾油的混合比例宜控制为1:3，COT宜控制在841 ℃。
(1) 降低柴汽比是炼化企业满足市场和社会需求、提质增效、可持续发展的有效措施。优化利用或消耗柴油资源可在一定程度上降低柴汽比，而加氢尾油已成为乙烯裂解原料结构优化的重要选择，轻柴油混入加氢尾油中进行共裂解可作为炼化一体化企业降低柴汽比的重要途径之一。
(2) 由轻柴油、加氢尾油的裂解评价试验可知，裂解乙烯、丙烯收率排列顺序为：独山子加氢尾油>>长庆轻柴油>吐哈轻柴油>北疆轻柴油，与轻柴油相比，独山子加氢尾油丁二烯收率高2.4%以上；试验原料裂解三烯和C5&C5+收率总计达到76%~80%，其中，加氢尾油裂解三烯收率最高(达到60.98%)，北疆轻柴油裂解C5&C5+收率最高(达到30.59%)。
(3) 由多批次轻柴油与加氢尾油共裂解工业标定试验可知，轻柴油与加氢尾油的比例为2:5，原料在COT为835 ℃时的裂解乙烯、丙烯、三烯收率已分别达到31.48%、15.29%和53.05%；同时，不同物性的轻柴油与加氢尾油之比为1:3、在841 ℃下共裂解低碳烯烃收率更高，即利用轻柴油与加氢尾油共裂解降低柴汽比技术可行、经济合理。
2019, Vol. 48 Issue (1): 7-11
2019, Vol. 48 Issue (1): 7-11