1 国外延迟焦化工艺技术和发展情况.docx

1、1 国外延迟焦化工艺技术和发展情况国外延迟焦化工艺技术及发展情况申海平 龙军(中国石化石油化工科学研究院,北京 100083)1、前言原油开采技术的改进降低了重质原油的开采成本，炼油企业为了降低成本，越来越多地选择加工重质原油。过去发电、制造合成气的企业大量使用重质燃料油现逐步改用煤或其它燃料，造成重质燃料油市场逐步萎缩，而市场对高质量清洁汽柴油有更多的需求，劣质渣油转化技术越来越受到重视。焦化工艺由于技术成熟、渣油转化率高、原料适应性强、生产成本低，被广泛用于重油深加工。表1是世界1998年1月至2002年1月延迟焦化能力统计。2002年世界延迟焦化能力已达到1.5亿吨/年，从1998年到2

2、002年总计增加了7.57%。这个统计数字实际上没有包括中国许多焦化装置，从资料看仅包括了镇海、台湾国外持股的某些公司的焦化装置，不够全面。因为仅中国焦化能力在1999年已超过2063万吨/年，而统计数字中亚太地区的总加工能力也只有1718万吨/年，统计与实际相差甚远。表1 世界延迟焦化加工能力统计地 区延迟焦化能力 （万吨/年）0102的增加量，%9802的增加量，%1/981/991/001/011/02美国8187.58801.59090926195342.9516.44加拿大7981.582.582.582.504.43拉美/加勒比地区1068.51068.51510127012700

3、18.86西欧13201362136712521237-1.20-6.29独联体/中东欧16801523.51521.5106510650.00-36.61中东3913914334334330.0010.74非洲82.582.582.582.582.50.000亚太1528.5165016491563.51718.59.9112.43合计1433714960.515735.515009.515422.52.757.57根据2003年美国SFA太平洋公司统计（见表2），世界重油加工能力已超过原油加工能力的20，大约31的渣油是通过焦化工艺加工的，美国焦化能力在世界上最大，占世界总能力40左右，由

4、于美国对重质燃料油的需求较少，减粘装置很少。表2 世界渣油加工能力统计*(x104吨/年)转化技术美国欧洲加拿大墨西哥委内瑞拉日本其它地区世界合计%分布热加工 裂化/减粘22811752172112585022232326 焦化116743500494534360792654131脱沥青14722392038339023823加氢 固定床2595775156307354181202214 沸腾床530411126912025525843 浆液床20200RFCC432135411461165495262049824合计2081020223977153923016586367100占原油能力,%

5、241530221920*截止2003年3月所有运行和再建装置 据油气杂志（Oil&Gas Journal）统计，截至2005年1月世界原油加工能力已达到41.5亿吨年，焦化能力为2.49亿吨年，世界原油加工能力和焦化能力的增长主要集中在亚洲地区。2、国外焦化工艺技术状况焦化是一个非催化热加工过程，与其它催化重油加工工艺（如重油催化裂化、渣油加氢处理等）相比，具有加工成本低、原料适应性强的优势。特别是炼油企业加工大量的高硫、高氮、高金属、高沥青质含量的劣质渣油时，如果采用催化加工路线，渣油中的胶质、沥青质很容易吸附在催化剂表面结炭，造成催化剂失活；渣油中的金属元素在催化剂上沉积，破坏催化剂结构

6、，造成催化剂中毒。另外环保对汽油中硫含量、烯烃含量要求越来越严格，采用渣油催化裂化生产的汽油很难满足汽油质量指标。如果采用焦化处理，渣油中的重金属几乎全部浓缩在焦炭中，焦化液体产品中硫、氮、沥青质含量也远小于渣油，为进一步催化加工创造了条件。在焦化过程中，当一个焦炭塔充满焦炭后，原料被切到另外一个空塔，原来充焦老塔进行冷却除焦。 一般设计焦化周期为3236小时，1618小时充焦，1618小时用于除焦。典型的1 6小时除焦周期时间分配是吹汽1.5小时、急冷充水5.5小时、排水1.5小时、拆头盖0.5小时、水力钻孔和切焦2.5小时、装头盖和试压1小时、预热3.5小时。为扩大焦化装置处理能力，有些装

7、置采用更短甚至12小时的除焦程序。限制单系列延迟焦化处理能力的因素是焦炭塔的大小，焦炭塔的直径最大为30英尺（9.14米），高度120英尺（36.5米）。新建的焦化装置处理能力规模已超过90,000桶天（450万吨/年）、石油焦产量达5,000吨/天（175万吨/年）。最大的一炉两塔的处理能力为45,000桶/天、焦炭产量为2,500吨/天，更大的处理量需要多系列焦化装置。为提高液体产品收率，延迟焦化通常采用较低焦炭塔操作压力（0.103MPag），但在旧装置改造扩大处理量时，通常采用较高的焦炭塔压力（0.275MPag）以便控制焦炭塔油气线速。自从1929年美国Standard Oil Co

8、mpany of Indiana 建成第一套延迟焦化装置以来，有关延迟焦化的技术革新就从未停止过。尽管目前延迟焦化技术已经比较成熟，但焦化的专利商及炼油公司仍在不断改进技术以便改善产品分布、提高处理量、降低焦炭收率、提高自动化控制水平和安全性、减少污染。目前世界上焦化技术主要专利商有ABB Lummus，Conoco/Bechtel，Foster Wheeler, Kellog Brown&Root，Lurgi 和 Petrobras。2.1 Foster Wheeler 选择收率的延迟焦化工艺（SYDECTM）Foster Wheeler（FW）公司 SYDECTM工艺是调整产品收率的延迟焦

9、化工艺。为得到最大的液体产品收率，FW建议增加加热炉注汽量、降低焦炭塔压力。焦炭塔的操作压力范围为103689kPa，压力进一步下降需要将焦炭塔顶管线的闸阀更换为大直径球阀。SYDECTM焦化加热炉可以是单面或双面辐射型式，加热炉负荷可以使焦炭塔的入口温度提高到510oC，采用FW的在线清焦技术加热炉的运行周期达到一年以上。SYDECTM装置以超低循环比或零循环比操作以便提高液体收率，在超低循环比操作时，在分馏塔底使用一个喷淋洗涤室替代分馏塔盘或填料避免塔盘结焦。在零循环比操作时，即使急冷产生的液体也收集作为重焦化蜡油，这些液体不会作为循环油返回加热炉（见图1）。两种操作方式的产品分布及重焦化

10、蜡油性质比较见表3（焦炭塔顶压力103kPa）, 零循环比操作焦炭收率降低了1.3w%，重质焦化蜡油收率增加了3.81%。重焦化蜡油的质量下降了，比重、残炭、C7不溶物、金属含量和馏程均有增加。增加部分的重焦化蜡油残炭是13.7 w%， oAPI为4.35，可见循环少量的重焦化蜡油可以明显改善重焦化蜡油的质量，特别是重焦化蜡油进加氢裂化时，炼厂应根据焦化蜡油质量决定采用那一种操作方式。图1 Foster Wheeler零循环操作示意图表3 超低循环比和零循环比焦化产品收率及重蜡油性质对比超低循环比零循环比产品分布干气， %(FOE)5.805.78C3/C4， %7.277.07石脑油， %1

11、3.3412.41柴油， %32.5230.48蜡油， %24.0227.83石油焦， w%32.7331.43蜡油性质重度， oAPI12.7811.55密度(20oC)，g/cm30.98440.9928硫， w %2.582.55氮， g/g53035078残炭， w%0.532.43C7不溶物， g/g4322000Ni+V, g/g1.03.8T10, oC387390T50, oC462478干点， oC578616FW在焦炭塔底安装一个特殊的阀门缩短焦炭冷却和排水过程，加速除焦过程，使生焦周期缩短到16小时。SYDECTM的另一个技术特点是有自动拆头盖机专利，操作工在与焦炭塔保持

12、安全的距离下遥控液压设备升降焦炭塔底盖和斜槽，采用滑车组合可以安全地将底盖移开。石油焦处理可以采用焦炭池或脱水仓型式，FW的脱水仓有两种型式浆液传输和重力传输。FW延迟焦化在线咨询软件（FWDCOA）为操作人员提供在线指导，优化焦化操作避免事故发生，这些信息有助于提高焦化处理量、优化焦化换塔周期、指导消泡剂注入、缩短冷焦时间、减少分馏塔的波动、延长加热炉运行周期、预测设备的状态等，也可以避免焦炭塔冲塔、冷焦不充分和仪表故障。FWDCOA同时收集集散控制系统、历史数据库以及Laboratory Information Management System(LIMS)系统数据，并自动收集储存12小时

13、的历史数据；它可以以任何速度进行历史操作回放以便解决问题或用于其他人员学习。通过比较实测值和模型数据检测收集数据的精确度，然后对数据进行分析确定该装置是否存在问题以及是否需要改变操作。收集到的数据通过三层智能信息系统FWInform传送给操作人员。第一层信息是对问题提供一个简短信息和建议；第二层是提供比较详细的信息，包括有关问题是如何发现和纠正的；第三层是提供一个超级链接到FW标准装置操作过程的文档。如果操作人员确认FWDCOA诊断是准确的，即可让系统自动进行必要的修改。在2002年初，FW延迟焦化装置投资大约是$25004000bpsd(相当于100万吨/年装置的投资50008000万美元)

14、。每加工一吨原料消耗19x104kcal燃料、22.68度电和0.86t冷却水，产生114kg蒸汽。2.2 ConocoPhillips/Bechtel馏分油循环ConocoPhilllips的馏分油循环焦化专利技术是在分馏塔底安装一个抽出盘抽出所有的重焦化蜡油，通常称为闪蒸区蜡油或自然循环油，常规工艺的循环油被更轻的焦化馏分油（315426oC）替代作为循环油进加热炉。这样降低了进焦化反应塔中的重蜡油量，提高了重蜡油的收率，最终结果是焦炭收率降低、液体产品收率增加。一般情况下重焦化蜡油直接进催化裂化装置，如果重焦化蜡油进加氢裂化，它必须过滤除去蜡油中焦粉。ConocoPhillips采用一种

15、专利金属盘过滤器过滤直径大于25m的颗粒。分馏塔闪蒸区加装分馏塔盘、喷淋洗涤油降低焦化蜡油中固体夹带和重蜡油金属含量。ConocoPhillips和Bechtel于1994年结成合作伙伴共同开发延迟焦化技术，该技术包括以下特征： 零或最小自然循环比 馏分油循环 优化焦炭塔压力 较高的焦炭塔操作温度 较短焦炭塔生焦时间（11小时和20小时焦化操作） 延长焦炭塔寿命 Conoco-Bechtel完全零循环比工艺在新建和改造装置上均可实施，分馏塔下部冷凝的重焦化蜡油从重蜡油抽出塔盘抽出，经过滤器过滤除去焦粉后出装置，而轻焦化石脑油、馏分油作为循环油和新鲜料混合。这一措施避免了焦粉在分馏塔底的沉积，同

16、时在蒸发段可使用大量洗油避免分馏塔内部结垢。与传统延迟焦化工艺相比（见表4），Conoco-Bechtel工艺的焦炭收率降低大约10左右，除了循环部分的馏分油收率降低之外，其它馏分油收率增加，这就使炼厂能灵活地调节它们的产品分布。由于采用馏分油循环，提高了炉管线速、缩短了停留时间，可以延长加热炉操作周期，提高焦炭塔温度。如果焦炭塔体积是扩能瓶颈的话，采用馏分油循环降低焦炭收率可以提高装置的处理量。表4 Conoco焦化技术*与传统工艺对比产品传统工艺Conoco-Bechtel差值C4 以下组分9.210.4+1.2C5168oC11.311.6+0.3168343 oC21.916.3-5.

17、6343 oC25.432.9+7.5石油焦32.228.8-3.4*装置处理能力112x104t/a(20000bpsd)，塔顶压力104kPa。原料：阿拉伯重质渣油，切割点566 oC，3.5oAPI，残炭23.2w%Conoco-Bechtel提供了一个更安全的除焦系统，采用敞开口的斜槽替代传统的箱式斜槽，这样在石油焦发生塌陷时有助于及时消除石油焦的冲击，使石油焦迅速流入焦炭池中。当然该技术还包括许多安全和环境的措施，如自动拆卸头盖系统、安全联锁系统、石油焦引导通道、钻杆脱落制动器以及油气密闭处理系统。为客户专门定制焦化方案会带来较高的或不可预见的投资，降低装置的竞争优势。ConocoB

18、echtel提供标准的焦化方案，标准焦化装置有两个系列：一个两塔20,000bpsd（112x104t/a）和四塔40,000bpsd（224x104t/a）。这些设计有一定的灵活性可以适应不同的土地布局。使用标准装置建设周期和投资可以减少30左右。标准装置的投资回报率（ROI）至少比定制传统焦化工艺要高50以上。Conoco-Bechtel报道建设了世界上最大的焦炭塔直径是30英尺（9.14m），两塔的处理能力是34,500桶天(193x104t/a)，该装置用来配合炼厂加工重质Maya原油。2002年初期，Conoco和Hyprotech签署一个5年协议建立一个技术联盟使炼厂的效率得到最大

19、化。Conoco使用Hyprotech的工程模拟软件优化油气生产和炼厂产品加工。2.3 ABB Lummus ABB Lummus延迟焦化专利技术已在60多个装置上应用，装置的规模在75200万吨/年之间。其延迟焦化技术不断改进以期达到以下目的： 最大的液体产品收率和空冷 最小的焦炭收率和水冷 优化能量回收、焦炭塔设计和原料预热焦化操作参数选择是满足以上目的的关键因素。焦炭塔低压操作可以提高馏分油收率、降低石油焦收率，但增加了焦炭塔油气线速，使处理量降低。焦炭塔的压力范围为1590psig(103620kPa), 压力越低、效果越明显（参见表5）。表5 焦炭塔压力对焦化产品分布影响（高残炭原料

20、）中等压力低压干气液化气基准4.3%石脑油基准3.5%LCGO基准3.4%HCGO基准3.7%石油焦基准4.7%焦化加热炉可以是单面辐射，即加热炉管的一面接受辐射热，或新的双面辐射炉，加热炉管两面接受辐射热。Lummus认为双面辐射加热均匀可以有效延缓加热炉结焦、延长加热炉运转周期。由于具备在线清焦手段，Lummus焦化工艺可以采用较高的加热炉出口温度900950oF(482510oC)。在在线清焦过程中向部分炉管注入蒸汽或冷凝介质进行除焦时，其它炉管仍在生产，装置不需要停工检修。随着加热炉管的快速升温冷却，在线清焦的加热炉管内部的焦剥落被随后蒸汽吹扫到焦炭塔中。焦化循环比可以在0100变化。

21、低循环比有利于提高液体产品收率、降低焦炭收率；低循环比操作时增加分馏塔洗涤段塔盘，这些塔盘用于除去液体产品中的焦粉，使重焦化蜡油适合下游装置加工。Lummus也提供先进过程控制技术软件包用于调整操作条件、保证产品质量和优化产品收率。该控制系统包括一个焦化模型去预测产品收率和焦炭塔生焦速度。Lummus认为他们的焦化技术具有以下特征：技术特征操作好处大量的工业和中试数据；预测模型优化操作条件和产品分布API污油处理技术污油处理能力专利焦池/焦炭塔框架设计降低投资和维护费用环境友好设计减少气体和废物排放最新的焦炭塔机械设计延长各种规模焦炭塔寿命更加可靠的联锁和自动化技术增加操作的安全性2000年一

22、个加工112x104t减压渣油/a（20,000bpsd）生产燃料焦的延迟焦化装置美国海湾投资价$4000/bpsd，包括了气体回收部分。2002年第一季度，投资为$4173bpsd。一般加工一吨原料需要消耗23x104kCal燃料、24.5度电、4.28t冷却水同时生产57kg蒸汽。2.4 Kellogg Brown & Root（KBR）KBR延迟焦化技术可以适合不同的工艺条件，焦炭塔压力可以维持在103kPa，加热炉出口温度最高可达510oC和零循环比。降低压力操作必然使富气压缩机负荷增加，并需要对焦炭塔、分馏塔等连接管线进行改造。KBR的自动头盖拆卸系统有条件使生焦周期缩短。 KBR提

23、供两种操作压力的延迟焦化技术，高压172 kPa(25psig)，低压设计103kPa(15psig)，图2是两种压力操作的压力分布图，装置降压的主要限制因素是分馏塔顶富气压缩机结构和驱动设备功率。如果装置在103kPa操作时，为减少压力降，焦炭塔顶油气管线直径通常不小于0.61米。对于同一种渣油原料，其不同操作压力下的焦炭塔状态见表6。图2 Kellogg公司焦化压力分布表6 两种压力下焦炭塔状态原 料减压渣油CCR23减压渣油CCR15焦炭塔压力， kPa172103172103新鲜原料， 104t/a130130140120焦炭塔直径， m8.48.48.48.4实际线速/允许线速0.8

24、71.01.01.0焦化生焦周期， h18181818生焦高度， m33.533.228.525.9瓶颈生焦周期线速线速线速 2002年初，KBR加工延迟焦化装置的海湾投资价$32684357/bpsd（相当于100x104t/a的投资为$5,888x1047,850x104）。每加工一吨原油需要消耗17 .4x104kcal燃料、18.9度电以及42.8kg蒸汽和6.4t冷却水。3 延迟焦化技术进展3.1 新的焦炭塔设计延迟焦化装置的焦炭塔要不断经受骤冷和骤热的变化。特别是在水冷过程中，环绕焦炭塔焊缝的金属刚性增强，导致焊缝周围硬度较低的金属鼓胀、变薄甚至产生裂缝。然而径向焊缝却不会发生此类

25、问题。芝加哥Bridge Iron公司为避免该问题提出了新的焦炭塔设计概念，即钢板的长边径向布置，避免了环绕焦炭塔柱体焊缝。当然用于建造旧式焦炭塔的材料和焊接技术同样适用于这一新的发明，这一技术既可以用于新塔制造，也可以用于旧塔改造。这种新型焦炭塔在2000年已得到工业应用，BP公司有四个旧塔改造也选用了该技术。3.2 旋流分离器Krebs公司研制了旋流分离器用于延迟焦化的水处理系统，脱除水中的固体和焦粉，这可以减少对切焦水泵、阀门及管线的腐蚀。进料物流产生的离心力使固体颗粒甩向旋流器的外壁，经过分离后的水循环使用。据Krebs介绍，旋流分离器需要较低的投资、建设及维护费用，并且容易操作。3.

26、3 焦化先进控制系统延迟焦化装置的计算机先进控制系统近年来已受到广泛重视和应用，几家公司开发的系统各具特色，详见表7。表7 焦化先进控制系统发展状况开发商系统/目标控制特征经济性应用情况ABB Simcon先进控制系统/最大处理量和液收 专有焦化模型根据原料性质和操作条件预测焦化产品收率. 神经网络模型推测各馏分质量 多变量预测模型调节操作变量对于150万吨/年装置, 50150万美元/年.已有几家使用Aspen Technology,Inc多变量控制/改进产品产量和质量,提高处理量 控制加热炉、焦炭塔、分馏塔及气体回收 40个操纵变量、10个前馈变量和80个控制变量每桶获利1530美分30套

27、装置C.F. PicouAssociates 先进控制/提高装置稳定性和产品质量,提高处理量 基于原料性质及操作变量预测焦炭塔液位 加热炉约束条件控制 主分馏控制产品产量和干点液收增加12，处理量增加5。8套装置Honeywell严格的多变量预测控制系统/稳定产品质量、优化热量回收、提高处理量 使用在线分析仪和操作变量预测产品质量 加热炉进料最大化 采用动力学模型每桶效益1025美分,处理量提高15%17套装置3.4 提高处理量和液收技术 增加馏分油收率和减压渣油处理量是提高延迟焦化装置效益的两个关键因素，延迟焦化处理量经常受油气线速制约或焦炭产量制约。油气线速制约模式是指焦炭塔的油气线速太高

28、，造成焦粉夹带比较严重。焦炭产量制约模式是指生焦量超过焦炭塔体积所容许的处理量，焦炭塔空高已达到或小于防止泡沫夹带所允许的最小空高。 在油气线速制约的情形下，提高馏分油收率与提高处理量发生矛盾。为了使装置的效益最大化，必须调整操作参数优化馏分油收率和石油焦产量。压力、温度和循环比的改变对馏分油和石油焦收率的影响见表8。表8 操作参数对焦化产品收率的影响操作参数改变 装置调整产品收率影响馏分油石油焦焦炭塔温度升高升高加热炉出口温度。通过加热炉材质升级或使用在线清焦技术保证加热炉运转周期。增加焦炭挥发分降低、石油焦收率降低。除焦操作中焦粉量增加。促进弹丸焦形成和加剧焦炭塔泡沫夹带。操作压力升高油气

29、线速制约的脱瓶颈措施：1、 分馏塔内安装低压降气液接触设备。2、 增加分馏塔顶冷却负荷，降低压缩机负荷。降低增加焦炭收率。抑制弹丸焦生成，延缓泡沫形成和夹带。降低重质焦化蜡油循环量在分馏塔下部有足够的液体洗涤焦化油气，或采用特殊的塔盘及喷淋设施的情况下尽可能降低循环比。增加重焦化蜡油的干点、残炭和金属含量升高。加工劣质原料有可能形成弹丸焦（加芳烃组分可以避免）馏分油循环替代自然循环油从焦化分馏塔抽出过滤凝缩重焦化蜡油，循环沸点较低的石脑油或馏分油去加热炉。增加降低焦炭收率。焦化加工能力可以通过改进除焦操作、缩短焦化生焦周期来增加。缩短老塔处理时间的一个办法就是缩短焦炭塔预热时间、也可以通过加快水冷过程以及试压过程；其它常用的方法还有加快头盖自动拆卸系统，例如Fluor Daniel使用新型无螺栓设备加快头盖拆装过程。另外一种可能的办法是省去排水过程，在焦炭塔装满水的情况下直接拆除头盖。表9是调整4个除焦步骤可能引起的问题，应该引起较大的重视。表9 除焦步骤调整可能引起的问题步骤潜在问题后果及措施水冷水冷不充分会导致焦炭存在“热点”（局部过热）和残留油，容易带来安全事故。尽早开始水