袁明江，肖立刚，张晓光

（中国石油工程建设公司华东设计分公司，山东 青岛266071）

焦化技术是高金属含量、高残炭劣质渣油轻质化的主要工艺之一。焦化技术主要分延迟焦化、流化焦化和灵活焦化三种形式，其中延迟焦化技术应用最广泛，占全部焦化处理能力的85%以上。流化焦化技术则主要在加拿大Alberta地区用于处理改质油砂沥青生产合成油。灵活焦化是在流化焦化基础上发展而来的，是将传统的流化焦化与焦炭气化相结合，可以大大减少焦炭量并产生低热值燃气。这些低热值燃气可以代替炼油厂干气或者天然气作为炼油厂燃料，因此灵活焦化装置具有工艺装置和公用工程设施的双重作用。

1976年9月世界上第一套灵活焦化装置在日本川崎炼油厂建成，至今已有30多年的工业运行经验，然而灵活焦化技术并未被全球炼油企业广泛采用，目前世界上已经投产和在建的装置仅有7套。灵活焦化装置在最近几十年没有得到大力发展，既与相对较低的原油和炼油厂燃料价格有关，也与灵活焦化产生的低热值燃气未能找到经济、高效利用的办法有关。当前，针对高硫石油焦难以有效利用以及日益攀升的炼油厂燃料价格，灵活焦化技术的优势又显现出来，再次成为炼油厂总流程比选中有竞争力的渣油转化技术之一。

本课题以新建13Mt/a炼油工程为例，对采用延迟焦化＋POX气化制氢总流程（方案一）和灵活焦化总流程（方案二）进行对比，说明灵活焦化技术对炼油厂规划设计的影响。

1 某新建13Mt/a炼油工程概述

某新建13Mt/a炼油工程加工的原料为中东中质高硫原油，其硫质量分数为2.7%；目标产品为满足欧Ⅴ排放标准的汽油、柴油产品及芳烃化学品。

该项目以重油加氢路线为主，总加工流程方案有两个：方案一，渣油加氢＋延迟焦化＋加氢裂化＋催化裂化＋POX制氢；方案二：渣油加氢＋灵活焦化＋加氢裂化＋催化裂化。采用方案二无需建设POX制氢装置，通过外购氢气来满足全厂氢气平衡。根据全厂总流程优化结果，焦化装置的进料规模为1.50Mt/a，包括1.45Mt/a的减压渣油和0.05Mt/a的催化裂化油浆，此混合进料的预估性质为：硫质量分数8.5%，氮质量分数4 700μg/g，（Ni＋V）质量分数193μg/g，残炭22.6%。

两个方案相应的公用工程配置为：方案一以延迟焦化产生的石油焦为原料通过POX气化制氢，主要以获得氢气为主，同时获得部分炼油所需蒸汽，全厂燃料由炼油厂干气提供，不足部分外购天然气补充；方案二中，由于灵活焦化技术将石油焦转化为低热值燃气，可以节省部分炼油厂干气，如有不足则外购天然气补充。

2 灵活焦化技术的特点

灵活焦化技术在流化焦化技术的基础上增加了石油焦气化炉，在800～900℃高温下石油焦与空气、蒸汽反应生成含氢气、一氧化碳、二氧化碳、氮气、水、硫化氢的燃气。该工艺具有反应温度高、液体收率高、焦炭收率低的优点，可使99%的减压渣油转化为气体和液体产品，约1%的焦炭产品中包含了原料中约4%的硫和99%的金属［1］，经过处理可回收焦炭中的金属。灵活焦化技术有以下特点：

（1）原料适应性强。灵活焦化装置可以加工API重度0～20、康氏残炭5%～40%的物料，包括常减压渣油、油砂沥青、脱沥青油和各种转化过程的渣油。由于没有加热炉，进料范围比延迟焦化更宽。

（2）可靠性高，在线率高。灵活焦化装置的平均开工系数在90%以上，有的达到95%以上［2］，平均运转周期为30个月，最长的运转周期达到39个月。由于不需要进行日常除焦，减少了装置定员和工人劳动强度。

（3）环境友好。灵活焦化是完全密闭、连续自动化操作，装置区跟其它普通炼油工艺装置一样，而延迟焦化卸焦和储焦都是露天操作，难免有挥发性油气泄漏到环境中，对操作人员的健康产生威胁。另外，灵活焦化装置产生的瓦斯气体通过ExxonMobil公司的专利脱硫技术能够将总硫质量分数降至10μg/g以下，更多的硫得到回收，特别是处于环境敏感地区的炼化企业，采用灵活焦化技术可以有效减少污染物排放。

（4）低热值燃气利用。灵活焦化装置产生的燃气的热值及组成与典型炼油厂燃料气有较大差别，两者的对比见表1。从表1可以看出，灵活焦化燃气中氮气、二氧化碳含量过高，体积分数分别达到45.55%、10.43%，甲烷含量过低，体积分数仅有0.82%左右，这是造成其热值低的主要原因。另外，由于灵活焦化燃气中氢气与一氧化碳体积分数只有40%左右，使经济地回收氢气或合成气具有一定的困难，对于一般的炼油厂，无法利用这种气体。从目前全球范围内在运行的灵活焦化装置可知，灵活焦化燃气作炼油厂燃料在技术上是完全可行的，一般将灵活焦化燃气与常规燃气按热值85∶15（对应体积比34∶1）的比例进行混合燃烧。混合常规燃气是非常必要的，因为灵活焦化燃气燃烧时可能出现熄火情况，常规燃气可保证燃烧器正常运行。混合常规燃气还可以节省一定的炉膛体积，保证燃料温度。

表1 灵活焦化燃气与炼油厂燃料气的热值及组成对比

（5）焦粉的利用。灵活焦化装置需排出占焦炭质量3%的焦粉，这些焦粉的颗粒直径通常在10～20μm，水洗过程回收的焦粉颗粒更小，直径在5μm左右。这些焦粉可用在水泥厂燃煤锅炉上，由于这些焦粉金属含量很高，也可以送至冶金工厂回收其中的重金属（钒和镍）。

3 灵活焦化对总流程的影响

灵活焦化与延迟焦化工艺的产物分布对比见表2。从表2可以看出，灵活焦化的液体产品收率略高于延迟焦化，而干气及液化气产率之和略低于延迟焦化，主要差别在于柴油收率降低而蜡油收率增加，这与物料在反应器内的停留时间有关。可以通过适当增加灵活焦化中物料的停留时间来增加柴油产品收率。

表2 灵活焦化与延迟焦化产物分布对比 w，%

采用灵活焦化技术时，相当于用灵活焦化装置代替了方案一中延迟焦化＋POX制氢组合工艺，方案一和方案二的全厂物料平衡对比见表3。从表3可以看出，方案二的产品结构与方案一有所不同，主要表现在汽油产品量增加、柴油产品量减少。以本项目为例，若采用方案二，由于柴油收率降低，柴油加氢装置处理量由4.30Mt/a降至4.10Mt/a；由于蜡油收率增加，加氢裂化装置处理量由2.50Mt/a增至2.60Mt/a，渣油加氢脱硫装置处理量由3.80Mt/a增至3.90Mt/a。另外，由于方案二中灵活焦化装置的进料适应性更强，减压蒸馏部分可以进一步深拔。

表3 灵活焦化方案与延迟焦化方案的全厂物料平衡对比

4 灵活焦化对公用工程的影响

采用灵活焦化技术时，需要考虑配套低热值燃气利用系统（包括工艺加热炉或锅炉）的特殊要求。新建炼油厂的加热炉在设计时考虑到利用灵活焦化燃气可以及时做出相应修改，而老厂改造现有加热炉比较麻烦，技术上需要专利商提供关于低热值燃气适用的加热炉设计工艺包，设计单位据此完成设计。

以本项目为例，采用方案二时，根据全厂总流程及氢气平衡优化结果，需外购氢气118.5kt/a，数量较大。此时炼油厂只产14.9kt/a石油焦，炼油厂制氢原料只能使用轻烃或石脑油。而方案一中利用自产石油焦经过POX制氢能够提供的氢气量为73.7kt/a，全厂只需外购41.5kt/a氢气，能节省氢气成本11亿元/a左右。

以本项目优化建设1.50Mt/a延迟焦化装置为例，若改成灵活焦化工艺，由表2中低热值燃气的收率26.96%计算可知，该灵活焦化装置可以产生燃料气404.4kt/a，折算为标准燃料气246.7kt/a。这些灵活焦化燃气作为炼油厂燃料，全厂燃料平衡后有富余燃气54.7kt/a，节省下来的炼油厂干气可以用来制氢。而方案一需要外购天然气192.7kt/a，费用为6～7亿元/a。

灵活焦化装置首次开工时需使用一定数量的焦炭，在开工时需喷燃料油。如果灵活焦化装置在运行中出现问题或停工，则可能给全厂公用工程燃料平衡带来严重影响，因此需要储备燃料供开工和发生事故时使用。

灵活焦化装置所产的低热值燃气在废热锅炉中燃烧时，如再配15%的炼油厂燃料气同时使用，燃烧效果会更好一些。低热值燃气在装置加热炉中（包括重整加热炉和加氢加热炉）也是能燃烧的。由于低热值燃气中氮气含量较高，因此烟气量较大，烟气带走的热量较多，在相同的排烟温度下，加热炉的效率会低一些。但是由于脱硫后的低热值气体硫含量较低，可以通过降低排烟温度来保证加热炉的热效率，空气预热器的体积会有所增大，投资会略有增加。

5 工程建设和操作运行费用分析

灵活焦化（包括气化部分）的整个系统操作条件缓和，所用设备均为普通碳钢材质，没有特殊专利设备，其投资费用大致相当于延迟焦化的1.3倍（包括反应、分馏、气化、吸收稳定、燃气净化、粉料仓等设备，但不包括低热值燃气利用所带来的投资增加部分）。如果一套1.50Mt/a延迟焦化装置的投资按6亿元计算，那么灵活焦化装置的投资就为7～8亿元。低热值燃气输送管线、加热炉等投资费用需要和专利商进行技术与商务谈判，国内目前尚没有这方面的工程设计与施工经验。

当工艺加热炉或锅炉使用灵活焦化生产的低热值燃气时，与使用高热值燃气相比，虽可节约燃料成本，但加热炉的投资约增加20%，蒸汽锅炉即使是按高效率设计，设备投资仍比常规锅炉高10%～15%。国内锅炉厂有该种锅炉的设计和制造经验。以某新建13Mt/a炼油工程项目为例，采用灵活焦化方案每年可节省燃料成本6～7亿元；而在氢气成本上比延迟焦化＋POX制氢组合方案每年多花11亿元。

灵活焦化工艺在装置工程建设和配套燃气利用方面的投资比传统延迟焦化高，但总投资仍低于延迟焦化＋POX制氢组合方案的总费用。

6 结束语

在炼油厂规划设计以及总流程比选过程中，是否推荐灵活焦化方案需要考虑的因素很多，包括炼油厂外部购买燃料及氢气的来源及价格，所产石油焦的性质及市场情况，是否有石化园区提供公用工程依托等，这些因素都对全厂经济效益以及投资回收周期有较大影响。在总流程优化及方案比选中，以灵活焦化代替延迟焦化的投资估算和技术经济评价还需要进一步开展有关工作。

灵活焦化工艺适合解决炼油厂燃料不足以及燃料成本过高的问题，但由于国内尚没有运行装置，因此炼油厂对该技术的应用普遍持谨慎态度。

［1］康建新，申海平.流态化焦化的发展概况［J］.炭素技术，2006，25（3）：28－33

［2］Hammond D G，Lampert L F，Mart C J，et al.Review of fluid bed coking and flexicoking technologys［C］.AIChE 2003 Spring National Meeting.New Orleans，2003：1－11