中國石化催化裂化裝置運行狀況分析

2022-02-21 16:28:27   來源:瀝青基碳材料   評論:0 點擊:   字體大?。?a href="javascript:SetFont(16)">大

中國石化催化裂化裝置運行狀況分析


李 鵬1,任 曄2,陳學峰2
(1.中國石油化工股份有限公司煉油事業部;2.中國石化石油化工科學研究院)

摘要:總結了近2年中國石油化工股份有限公司系統內50套催化裂化裝置的運行情況,針對裝置運行、產品結構調整、節能減排以及新技術新工藝的運行情況,總結運行經驗并提出優化建議,著重介紹了增產丙烯和液化氣的技術措施。為實現催化裂化裝置長周期運行、綠色生產以及降低碳排放,提出了下一步工作建議。

關鍵詞:催化裂化 煙機 丙烯 油漿 硫氧化物

在2020年第七十五屆聯合國大會上,中國承諾將提高國家自主貢獻力度,二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和?!半p碳”目標的提出、電動汽車和新能源的快速發展,給能源行業尤其是煉油行業帶來了巨大沖擊和挑戰。目前,催化裂化汽油占車用汽油池總量的70%,因而催化裂化裝置的長周期穩定運行是實現汽油穩定生產和碳減排的關鍵[1-2]。

近年來,國內煉油能力增速高于消費增速,成品油產能過剩態勢加劇,煉化產業一體化、煉油向化工轉型發展成為行業共識,生產化工產品成為原油新增需求的主要引擎。2020年以來,在新冠肺炎疫情影響下,汽油需求大幅下降,各煉油廠積極調整產品結構,采取多種措施增產低碳烯烴(尤其是丙烯),其運行經驗對以催化裂化裝置為核心、向化工轉型的企業有很好的借鑒意義。以下對2020年中國石油化工股份有限公司(簡稱中國石化)所屬各企業(為便于表述,均以企業簡稱表示)催化裂化裝置的運行、增產丙烯情況及近年來技術進步進行分析,為企業催化裂化裝置的運行管理和技術選擇提供參考。

1、催化裂化裝置運行情況

1.1 概況


根據中國石化煉油事業部的統計,2020年中國石化所有催化裂化裝置的平均運行負荷為99%,總體處于高負荷運行狀態,但受新冠肺炎疫情影響,也有少量裝置運行負荷降低至75%。統計顯示:催化裂化裝置原料的平均密度(20 ℃)為919.0 kg/m3,殘炭平均為3.1%,平均轉化率達到75%左右;液化氣+汽油的總產率為65%左右,最高可達70%;丙烯平均產率為7.8%,液化氣中丙烯體積分數達到39%。以上數據表明,隨著催化裂化技術的進步以及裝置設計和操作水平的提升,劣質原料轉化、高價值產品生產和產品結構調整能力有了顯著提高。同時,催化裂化裝置充分發揮其產品結構靈活、最大幅度增產丙烯的特性,保障了防疫物資生產原料的供應。

此外,在相同催化裂化工藝中,同一指標的平均值、最高值和最低值的差值較大;同類型、同規模催化裂化裝置的干氣、油漿和焦炭等產品的產率以及能耗變化較大。說明對于催化裂化裝置,其工藝改進、裝置設計和操作等仍需在降低低價值產品產率和裝置能耗等方面加強研發和優化,以實現節能減排。

1.2 裝置運行情況


1.2.1 非計劃停工

2020年中國石化的催化裂化裝置發生5次非計劃停工,主要原因集中在管線腐蝕泄漏、沉降器結焦、襯里脫落、螺栓斷裂、催化劑跑損、煙機設計缺陷等方面。從生產管理來看,一方面在生產過程、設備檢測、維修施工等方面存在管理不到位的問題;另一方面在裝置操作和風險識別,尤其是對于關鍵機組和關鍵部件,存在明顯偏離設計值,隱患識別不充分、不全面的問題。

1.2.2 煙機運行

煙機的穩定運行對裝置長周期運行至關重要。2018年以來,中國石化催化裂化裝置共發生4次煙機葉片斷裂情況,主要問題在于葉片質量缺陷、超溫疲勞、維修不到位等。

1.2.3 主風機運行

2020年以來,在企業檢修過程中發現,中國石化催化裂化裝置共發生9起(涉及8套裝置)主風機葉片大面積裂紋現象。這可能是因為主風機低負荷運行時存在激振現象,會加速葉片疲勞。鑒于主風機葉片發生裂紋和故障事故呈增長趨勢,各企業檢修時應加強檢測。

1.2.4 膨脹節運行

近年來,膨脹節故障呈多發趨勢,其中彈性元件穿孔和開裂故障占60%。膨脹節故障原因分布比例如表1所示。波紋管本體是膨脹節薄弱點,需要加強質量管控和運行監測。

表1 膨脹節故障原因分布情況
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1.3 催化裂化裝置長周期運行注意事項


為實現催化裂化裝置“五年一修”的長周期穩定運行目標[3],需要在以下方面做好工作:

(1)控制沉降器結焦風險。需要控制原料的轉化率不低于70%,避免油漿回煉;控制原料金屬質量分數低于30 μg/g,避免因金屬污染催化劑導致原料轉化率降低。

(2)控制煙機結垢風險。需要控制煙機入口粉塵質量濃度不大于150 mg/m3,且輪盤蒸汽溫度需控制在250~260 ℃。

(3)控制反應器-再生器內構件故障風險。需要控制裝置操作參數不超限值,減少超溫和超設計線速等問題;增強內構件和襯里的耐磨性能,適當加厚旋風分離器殼體,采用高鎳合金材料制作膨脹節波紋管等。

(4)加強襯里管理。當襯里修補超過50 m2時,需采用支模加機械振搗的方式施工;斜管襯里需整段更換,推薦采用自然干燥和300 ℃烘干組合措施進行熱處理。

(5)控制分離系統故障風險。采用分餾塔在線除鹽技術,分餾塔塔頂操作溫度要比露點溫度高14 ℃以上。

(6)控制腐蝕風險。需要減少氨逃逸,降低低溫區銨鹽結晶腐蝕;添加不超過系統藏量質量分數5.0%的硫轉移助劑,以降低煙氣中SOx濃度和提高煙氣露點溫度,減少腐蝕;采用外保溫等方式提高爐墻板外壁溫度,避免煙氣露點腐蝕。

(7)加強設備管理。單動及雙動滑閥導軌和螺栓建議1~2周期更換;適當降低特閥動作靈敏度,減少閥門動作頻次;每月檢查緊固特閥執行機構與閥桿連接螺栓和閥桿填料,控制好閥桿反吹流量;開展余熱鍋爐爐管和外取熱器換熱管剩余壽命評估,制定合理更換周期。

2、產品結構調整

2.1 增產丙烯


2020年3月以來,為盡快從新冠肺炎疫情的影響中恢復過來,中國石化在復工復產后積極開展“百日攻堅創效”“持續攻堅創效”等活動,各下屬企業為增產丙烯多措并舉,保障防疫物資原料供應。通過采用原料優化、工藝調整、催化劑主劑調整、添加增產丙烯助催化劑(簡稱丙烯助劑)、組分回煉等措施,使丙烯產量屢創新高。

2020年中國石化各煉油企業催化裂化裝置丙烯產率的變化如圖1所示。從圖1可以看到:與2019年相比,中國石化29家煉化企業催化裂化裝置的丙烯產率平均增幅達13.4%,而增幅超過9%的裝置共有10套;其中,天津分公司和洛陽分公司的丙烯產率增幅較大,其次是青島煉化、揚子石化等;多數企業采取各種措施增產丙烯,丙烯產率明顯提升。

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圖1 中國石化煉油企業催化裂化裝置丙烯產率增幅

2.1.1 添加丙烯助劑增產丙烯

采用添加丙烯助劑的方式增產丙烯,手段靈活、見效迅速,且對產品性質影響較小。圖2為丙烯助劑藏量與丙烯、液化氣產率增幅之間的關系。從圖2可以看到:添加丙烯助劑能夠明顯增加液化氣和丙烯的產率;丙烯助劑加量占催化劑總量的質量分數為3.0%左右時,丙烯產率提高最明顯,適當優化操作,丙烯產率均可提高0.8百分點以上。

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圖2 丙烯助劑藏量與丙烯及液化氣產率增加值間關系
■—丙烯產率;■—液化氣產率;■—丙烯助劑質量分數

丙烯助劑可以提高液化氣中的丙烯濃度,而對汽油性質的影響較小,汽油中苯的含量基本保持不變。統計部分企業催化裂化液化氣中丙烯含量及汽油中苯含量的變化情況,結果如圖3所示,從圖3可以看到,滄州煉化和青島煉化的催化裂化裝置中丙烯質量分數增幅明顯,分別達到3.2百分點和6.5百分點;高橋石化2號催化裂化裝置和揚子石化2號催化裂化裝置因原料質量波動和生產方案調整,丙烯含量略有降低。就汽油餾分中苯含量而言,添加增產丙烯助劑后,多數催化裂化裝置的汽油餾分中苯含量基本不變,而濟南煉化1號催化裂化裝置的汽油餾分中苯含量增加,原因在于其原料中摻煉渣油比例過高。

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圖3 丙烯助劑對液化氣中丙烯含量和汽油中苯含量的影響
■—丙烯質量分數;■—苯質量分數

需要注意的是,添加丙烯助劑有可能對煙機結垢和煙機振動產生影響,有待長周期試驗驗證。在長周期運行過程中,除關注丙烯助劑的使用對裝置運行和關鍵設備的影響外,也要加強助劑質量管控,保證助劑與主劑性能匹配。表2為某丙烯

表2 丙烯助劑與催化劑主劑性質對比
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助劑與催化劑主劑的性質對比。從表2可以看到,丙烯助劑的活性和比表面積均低于催化劑主劑,且磨損指數相差較大,必將影響原料的轉化和煙機的運行,對裝置生產帶來負面影響。

2.1.2 綜合施策增產丙烯

2020年1—5月,受新冠肺炎疫情和市場需求變化的影響,青島煉化降低催化裂化裝置加工負荷。在低負荷運行期間,多措并舉增產丙烯,通過調整主劑配方、添加丙烯助劑、降低加劑速率、降低催化劑活性、提高反應溫度以及進行粗汽油回煉等方法,使液化氣的產率最高增加4百分點,其中丙烯產率最高增加1.3百分點,達7.2%,為企業創造效益8 000萬元以上。圖4為青島煉化在低負荷運行期間液化氣和丙烯產率變化情況。從圖4可以看到,在催化裂化裝置的加工量從420 t/h降至287 t/h的過程中,液化氣和丙烯產率呈不斷上升趨勢,且保持良好的運轉狀態和產品分布。

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圖4 青島煉化低負荷運行期間液化氣和丙烯產率變化情況
■—液化氣產率;■—加工量;■—丙烯產率

2.2 噴氣燃料回煉增產液化氣和汽油


為有效解決噴氣燃料存儲壓庫問題,石家莊煉化將噴氣燃料進行回煉,以增產液化氣和汽油,2020年3—5月累計回煉噴氣燃料約34 kt,增產液化氣9 300 t。當回煉噴氣燃料占催化裂化原料質量分數5%和9%時,產品產率的變化如圖5所示。由圖5可以看到,回煉噴氣燃料可顯著增產液化氣和汽油,液化氣產率增加0.2百分點,汽油產率增加0.73~1.79百分點,油漿產率下降0.56~0.82百分點,焦炭產率下降0.1~0.2百分點,總液相產物產率增加0.60~0.76百分點。表3為噴氣燃料回煉產物的表觀分布情況。從表3可知:噴氣燃料回煉后,其組分大部分轉化為汽油、液化氣,少量轉化為柴油、干氣、焦炭;基于噴氣燃料進料,液化氣產率為27.38%,汽油產率為56.67%。

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圖5 不同回煉比下噴氣燃料回煉產品產率變化
■—回煉比5%;■—回煉比9%

表3 噴氣燃料回煉轉化產物分布
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2.3 催化裂化柴油轉化增產汽油


中國石化石油化工科學研究院(簡稱石科院)開發的催化裂化柴油定向加氫-選擇性開環裂化(LTAG)關鍵技術,可以將劣質催化裂化柴油高效轉化為高辛烷值汽油[4-5]。目前,該技術已在中國石化29套裝置上成功應用,有效解決了催化裂化柴油轉化和高辛烷值汽油生產之間的矛盾。LTAG技術已在福建聯合石油化工有限公司2.3 Mt/a催化裂化裝置上應用,不同進料模式下的產物分布情況如表4所示。由表4可以看到,以加氫柴油和蠟油為原料,采用混合進料或分層進料兩種進料模式均能大幅降低柴油產率,顯著提高汽油和液化氣的產率。以加氫柴油單獨進料作為基準進料模式,與其產物分布相比,采用加氫柴油和蠟油混合進料或分層進料時柴油產率分別降低10.51百分點和11.18百分點,汽油產率分別提高4.55百分點和6.20百分點,液化氣產率分別提高4.98百分點和4.25百分點,說明采用加氫柴油和蠟油混合進料或分層進料時的產物分布明顯改善。

表4 不同進料模式下LTAG工藝的產物分布 w,%
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注:基準進料原料為加氫柴油;混合進料、分層進料原料為加氫柴油和蠟油。

然而,當LTAG工藝采用分層進料模式時,劑油比和反應溫度均較高,致使產品汽油中苯體積分數增加0.2~0.4百分點?!皣觥避囉闷唾|量標準要求汽油中苯體積分數需控制在0.8%以下,從而對LTAG技術的應用產生一定影響。這是因為汽油中苯含量的升高,影響了催化裂化裝置調整產品結構的功能,成為產品結構調整的“卡脖子”問題。然而通過采取技術措施,可解決催化裂化柴油轉化中汽油苯含量提高的問題,并且已成功在天津分公司得到實施。

2.4 降低SOx排放


為降低煙氣中SOx排放,有效控制藍煙拖尾和設備腐蝕,石科院開發了RFS硫轉移助劑。圖6為RFS硫轉移助劑在完全再生模式下的應用結果[6]。由圖6可以看到,自2018年1月30日將RFS硫轉移劑加入裝置后,煙氣中SO2的質量濃度從最高450 mg/m3降至接近0。統計RFS硫轉移助劑在不同企業的應用效果發現,在完全再生模式下可將SOx脫除70%~95%,堿耗降低60%~80%,外排廢水鹽含量降低60%~80%;而在不完全再生操作下,SOx脫除效果也很顯著。

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圖6 在完全再生模式下RFS硫轉移劑的應用效果

目前,中國石化的煉化企業已有40套催化裂化裝置應用RFS硫轉移助劑。其應用效果表明[7],硫轉移助劑可降低煙氣露點,有利于回收煙氣熱能,減少洗滌塔新鮮水量。煙氣中SOx含量降低,煙羽顯著改善,而且可減少堿液用量和廢水排鹽量,降低污水處理難度。硫轉移助劑可實現源頭減排SOx約18 kt/a,回收硫磺約9 kt/a,節省堿液約7.5 kt/a,減少廢水鹽排放約35 kt/a,有效改善有色煙羽現象,增加效益超5 000萬元/a。

2.5 油漿脫固


催化裂化油漿中帶有固體催化劑粉末,嚴重影響下游產品的質量,因此必須進行脫固處理。相關行業對油漿原料的固體含量有嚴格要求:用于生產炭黑或橡膠填充劑的油漿固體質量分數不大于500 μg/g;用于生產針狀焦的油漿固體質量分數不大于100 μg/g;用于生產碳纖維的油漿固體質量分數不大于20 μg/g;用于調合船用燃料油的油漿灰分不大于0.1%,硅+鋁的總質量分數不大于60 μg/g。因此,催化裂化油漿中催化劑粉末的脫除分離是其綜合利用的前提[8]。

按操作溫度高低,油漿脫固技術可分為高溫法和低溫法;按油漿形態不同,油漿脫固技術可分為固態法和液態法。企業需根據油漿來源和去向選擇不同的油漿脫固技術路線?,F有油漿脫固技術均可以實現油漿凈化,但目前均未完成規?;?、長周期生產運行檢驗,仍有待驗證和完善。表5為不同油漿脫固技術的應用情況對比。

表5 不同油漿脫固技術的應用情況對比
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3、新技術研發與應用


催化裂化新型技術的研發主要致力于劣重質油轉化、煉化一體化、高品質清潔燃料生產和過程清潔環保等方面,以在煉油向化工轉型和“碳中和”等方面繼續發揮積極的作用。

(1)2020年,高摻渣低排放重油催化裂化技術在荊門石化的工業應用取得成功。在原料殘炭為6.55%、密度(20 ℃)為938 kg/m3、減壓渣油摻煉比例為46.60%的條件下,汽油產率達44.6%,汽油和液化氣的總產率達64.9%,同時產出10 MPa級高壓蒸汽,能耗僅為1 796 MJ/t。

(2)2020年,高效催化裂解技術(RTC)在安慶石化的工業應用取得成功[9]。該工藝的原料為加氫蠟油摻煉50%加氫渣油,與改造前的工藝相比,丙烯產率增加2.56百分點,乙烯產率增加0.49百分點,汽油中烯烴體積分數降低19百分點,芳烴體積分數增加10百分點。RTC技術進一步拓寬了催化裂解工藝的原料適應性,可加工中間基或中間-環烷基劣重質原料,以滿足多變的化工市場需求。

(3)2020年,生產超低烯烴汽油的催化裂化技術在石家莊煉化工業應用成功。采用該技術可直接生產烯烴體積分數小于10%的清潔汽油,同時保證生產汽油具有較高的辛烷值,且工藝的焦炭選擇性較低。該技術通過采用專用分子篩和催化劑制備方法實現超潔凈排放,為未來汽油質量升級做好技術儲備。

(4)2021年,多產丙烯和低硫船用燃料油技術(MFP)在青島石化開始進行工業試驗[10],且已打通工藝流程。MFP技術在增產丙烯的同時可明顯降低焦炭產率,油漿全回煉時焦炭產率可降低約25%;專用催化劑藏量達到40%時,丙烯產率可從6.6%增加到9.1%,液化氣中丙烯體積分數可從34.6%升高到39.6%。

(5)煙氣脫硫新技術方面,半干法雙循環凈化成套技術和負壓式半干法煙氣治理技術分別在清江石化和荊門煉化應用成功,均可實現煙氣中SO2質量濃度穩定在30 mg/m3以下,顆粒物質量濃度小于10 mg/m3。此外,活性焦脫SOx技術即將在燕山石化應用;金陵石化、洛陽石化、石家莊煉化、廣州石化等企業的催化裂化裝置實施的消白煙技術,取得較好效果。

4、展 望


中國石化以凈零碳排放為終極目標,力爭比國家承諾提前10年實現“碳中和”。在此背景下,以催化裂化工藝為核心的煉油技術如何在“雙碳目標”下發揮作用,在綠色低碳高效清潔轉型發展中賦予新動能、展現新活力,是所有煉油技術工作者的努力方向和目標。

首先,“安、穩、長、滿、優”是企業生產運行的首要目標,催化裂化裝置作為汽油的主要生產裝置和煉化一體化發展的核心單元,保證長周期穩定運行是關鍵。因此,催化裂化裝置需要在結焦結垢風險控制、內構件和襯里質量管理、關鍵機組和設備巡檢、腐蝕泄露隱患排查等方面進一步落實強化管理。

其次,打造世界領先潔凈能源化工公司,推進綠色生產和降碳減排。因此,在催化裂化裝置推廣應用硫轉移劑,降低SOx排放;開展消除“視覺污染”工作,消除“白煙”;加快廢催化劑回收和集中處理工作,盡量避免使用銻型鈍鎳劑,做好非銻型鈍鎳劑的評價及容鎳劑的開發工作。

再者,持續提高催化裂化裝置增產丙烯能力,提高液化氣產率,增大液化氣中丙烯濃度;同時控制汽油中的苯含量。

未來,要持續推進科技攻關和技術儲備,抓好RTC、MFP、原油催化裂解等技術的進一步優化研究,注重挖潛增效新技術開發,加強瓶頸技術攻關,深入研究催化裂化和S Zorb工藝協同降苯技術方案,加大柴油餾分高效分離和轉化技術開發力度。加強科技對高質量生產的促進作用,尤其是低碳、循環經濟技術開發,催化裂化煙氣CO2回收等碳捕集和減排技術的開發,低能耗、低碳排放催化裂化和催化裂解技術的開發等。

本文內容來源于《石油煉制與化工》 2022年第1期,緣整理發布


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