延迟焦化工艺进展2.doc

延迟焦化工艺进展胡德铭（中国石化工程建设公司，北京100011）摘要：本文分析了当前延迟焦化工艺发展的格局和所处的环境，提出了当前延迟焦化工艺进展主要集中在大型化、灵活性、操作性、安全性以及工艺设计改进。并介绍了延迟焦化工艺的经济性以及与相关主要渣油加工（rfcc和渣油加氢）的比较。关键词：延迟焦化 工艺 设计 经济性 渣油加工当前延迟焦化工艺的主要特征： 延迟焦化装置的典型规模为：75万t/a275万t/a。14 焦炭塔的标准直径为：8,200mm8,500mm。57 延迟焦化装置建设周期为：24个月（仅基础设计到正式投产）。6,89 延迟焦化装置设计特点为：在线计算机控制、自动化的卸盖系统、双面辐射加热炉、现代化的焦炭塔的设备设计和革新的水管理/焦炭回收系统。14,101 概况1.1 世界焦化装置加工的统计11据美国“ogj”杂志统计（2001年12月24日），全世界共有132个炼厂设有焦化装置，其总加工能力为213.16mt/a，比去年增长1.28%。焦化装置的总加工能力约占原油蒸馏总加工能力的5.25%。在焦化装置总加工能力中，美国为118.51mt/a，约占世界焦化装置总加工能力的55.59%，居世界首位，其次依次为中国（不包括台湾省）、委内瑞拉、阿根廷和德国等，其加工能力分别为16.83mt/a（不包括台湾省在内）、7.97mt/a、6.04mt/a和5.85mt/a。各自分别占世界焦化装置总加工能力的7.89%、3.70%、2.83%和2.74%，表1表示世界焦化装置加工能力，表2表示2001年世界各种焦化型式的分布。表1 世界焦化装置加工能力，mt/a国名炼厂数蒸馏能力焦化能力焦化占蒸馏焦化占世界焦化能力美国143828.22118.5114.3155.59中国95226.4116.837.437.89委内瑞拉564.117.9712.433.74阿根廷1031.956.0418.902.83德国17112.945.855.182.74日本35239.324.872.032.28俄罗斯42271.774.671.722.19巴西1389.294.334.852.03科威特338.673.769.721.76罗马尼亚1025.203.6514.481.717324058.32213.165.25100.00：不包括台湾省在内图1 各种焦化型式的比较据美国sri报告，世界焦化能力在过去的15年增长了70以上，世界炼厂约有17的炼厂有焦化装置，美国炼厂约有35的炼厂有焦化装置。7,13按原料计，55的焦化能力在美国；按产量计，70的焦化能力在美国。按2002年1月1日统计，世界焦化能力为2.13亿t/a。有焦化装置的炼厂比一般炼厂更为复杂，其中80的炼厂至少有一套催化裂化装置，90的炼厂有产品精制装置。在北美有焦化的炼厂约有一半的炼厂有加氢裂化装置，多用于加工焦化瓦斯油。非北美炼厂一般有焦化装置的炼厂约有25炼厂有加氢裂化装置，主要加工焦化瓦斯油。2004年在美国之外约有30mt/a的延迟焦化能力投产。主要加工加拿大油砂和委内瑞拉的orincco重油的项目。此外，加工能力超过495万t/a的焦化装置正在建设中。7,131990年美国拥有全球焦化能力的2/3，随着委内瑞拉、墨西哥和加拿大重质、劣质原油进入美国市场，予计今后20年内，美国将为延迟焦化工艺投资70亿美元，其中30亿美元用于增加生产能力，10亿美元用于维持生产能力，30亿美元用于满足空气清洁修正案。最近，美国空军开始着手进行一项包括将煤浆液化进行延迟焦化的项目，parc技术服务公司参与此项项目，将煤浆液化经焦化后所得到的含有较多芳烃的焦化馏分油经加氢处理生产热稳定性好的喷汽燃料。5,13152000年全球焦化能力将增加约7000万t/a。据予测石油焦生产能力有望继续提高，大部分增长主要集中在美国以外的其他地区。14焦化工艺仍以每年7以上的速度逐步增长。在世界上，其生产能力远远领先于渣油加氢转化工艺，但这种工艺需要后加氢精制，才能得到优质的中馏分油。16图2 世界焦化加工能力（1990）1112,1721图3 世界石油焦产量（19752000）14图4 美国焦化加工能力13,17图5 美国石油焦的计划14图6 我国延迟焦化能力的增长221.2 近期建设和投产的延迟焦化装置1.2.1 近期投产的延迟焦化装置 1998年，sincor公司投资3.5亿美元，在委内瑞拉的jose投产一座加工超重原油生产合成原油的炼厂（zuata s 4.2m%, api 8, ccr 15m%）常压蒸馏能力14.20mt/a，其中延迟焦化装置的处理能力为4.90mt/a，是目前世界上第二大的延迟焦化装置，采用“三炉六塔”型式，每个焦炭塔直径为28英尺（8.54m），总高120英尺（36.6m）循环周期为16小时，并设有1个100万t的贮焦池，该装置采用联锁和程序控制。24 美国菲利浦斯石油公司和委内瑞拉国家石油公司（pdvsa）联合于2000年8月完成了美国德克菲斯州的斯威尼炼厂改造，投资4.5亿美元新建一座3.20 mt/a的延迟焦化装置。该装置化设计到建成共用25个月，装置有4座f9,00039,000mm，重476t的焦炭塔。 2001年10月初，美国独立的marathon ashlanet petroleum llc公司，在美国路易斯安那州的11.60mt/a的garyvill炼厂，投产了一套“一炉二塔”型式的延迟焦化装置，该装置加工能力为1.90mt/a，设有直径30英尺（9.14m）的焦炭塔二座，采用conoco-bechtel公司的延迟焦化工艺技术。25 2001年月末，美国exxon-mobil公司的加工玛耶原油的25.85mt/a的贝汤炼厂，投产了一套处理能力为2.20mt/a的延迟焦化装置，该装置采用“一炉二塔”型式的延迟焦化装置，焦炭塔直径为29.8英尺（9.10m），单塔处理能力已达1.10mt/a。该装置的建成将为炼厂以低成本的重质原料油生产更多较高价值的清洁燃料。26估计2002年年底前，在加勒比海沿岸，至少有6座延迟焦化装置计划投产。这些装置将廉价残渣燃料油转化成高产值的轻质产品和石油焦。271.2.2 新近建设的延迟焦化装置2001年底，hess公司和委内瑞拉pdv公司联合拥有的6.50mt/a的hovensa炼厂正在增建1套3.19mt/a的延迟焦化装置。在委内瑞拉和巴西还有几套大型延迟焦化装置，用于加工该地区的超重质原油。美国coastal销售公司投资2.5亿美元在美国科珀斯克里斯蒂新建一套加工委内瑞拉原油的3.00 mt/a的延迟焦化装置。cerro negro公司投资5亿美元在委内瑞拉新建一套3.30mt/a的延迟焦化装置。30美国texco公司和美国能源部签订了一份合同。建设一座early entrance corpoduction(eecp)工厂，主要将石油和煤转化成优质运输燃料、电、热能。这将意味着延迟焦化工艺将用于烃合成液体燃料、电、热能纪元的开始。142 延迟焦化工艺技术进展110近年来，延迟焦化工艺技术进展主要为：大型化、灵活性（原料、产品、产率、质量）、操作性安全性以及设计改进性。大部分地研究工作着重于延迟焦化装置的操作性和安全性。2.1 大型化大型化是世界石油化工的必然发展趋势，大型化的根本优点为在充分利用资源条件下，以最低的投资和操作成本获取最大经济效益。延迟焦化装置也不例外。2.1.1 装置规模大型化据报导，美国lummus公司认为延迟焦化装置的典型规模为0.75 mt/a2.75 mt/a，装置规模趋向于大型化。1480年代初期，世界上最大的延迟焦化装置是美国chevron公司的pascagoula炼厂的装置，加工能力为3.01 mt/a，采用三炉六塔流程。1993年进行了改造，现该装置处理能力已达4.28 mt/a。该时期委内瑞拉的lagoven炼厂的延迟焦化装置加工能力为5.39 mt/a（二个平行的装置），称谓也是大型化装置，但因种种原因该项目只停留在基础设计阶段。90年代初期，加拿大syncor公司的生产合成原油的油砂加工厂的延迟焦化处理能力为3.65 mt/a，采用四炉八塔流程，因其焦炭塔为f12,00030,000mm，也是当时世界上大型装置之一。231993年加拿大的suncor公司的fort me murray炼厂的延迟焦化装置经改造后处理能力达5.03 mt/a4。1998年印度reliance公司建成目前世界上最大的延迟焦化装置，加工能力为6.73 mt/a（没投产）采用四炉八塔流程，焦炭塔直径为29英尺（f8534mm）。最近，lummus公司承担设计的一项目，经第一阶段工作后装置处理能力为6.20 mt/a，该装置可处理接近9.90 mt/a的原料。14按照美国flour公司在70年代对建设单系列25.00 mt/a炼厂的可行性研究报告，炼厂配有原油蒸馏、催化裂化、加氢裂化、延迟焦化、催化重整、加氢精制、烷基化、制氢、硫回收等装置，除催化重整和制氢装置考虑用两套并列外，其余装置均为单系列，延迟焦化装置配套处理能力为4.50 mt/a，届时需配置f9,100mm的焦炭塔10台。31 我国延迟焦化装置6070年代一般为30万t/a60万t/a。1989年锦州石化投产了一座100万t/a装置之后，“四炉二塔”的100万t/a装置在我国普遍应用，2000年1月上海金山投产了一座“一炉二塔”的100万t/a装置后，又在我国逐步采用。2002年9月上海高桥投产了我国最大的140万t/a的装置。2.1.2 焦炭塔的大型化较大的焦炭塔的设计和操作能减少因配合特殊渣油加工所需要的焦炭塔个数，显著提高投资效益。自20世纪30年代以来，焦炭塔尺寸一直在加大。1930年时焦炭塔直径f3000mm，80年代后一般f8200mm左右。目前，焦炭塔的标准直径为f8,200mmf8,500mm。某些f9,20036,600mm的焦炭塔已在运转。14,2310年前，由于水力除焦能力和技术的限制，焦炭塔直径一般为f7,900mm，操作较为平稳。目前世界上最大的焦炭塔是加拿大的syncor油砂加工厂的延迟焦化装置，焦炭塔分为四组八塔，每个焦炭塔为f12,20030,000，结焦时间为2124小时。美国的焦炭塔一般直径为f8,000mm左右。美国chevron公司的pascagoula炼厂的延迟焦化装置的焦炭塔f8,30033,500mm，是90年代初期最大的焦炭塔。随后，该公司已设计和建设的一个延迟焦化装置，采用二组四塔，每个焦炭塔为f8,53436,576mm。1998年，该公司为印度设计的6.70 mt/a 延迟焦化装置，有8个直径为f8840mm的焦炭塔。目前，该公司已完成5套装置18座f8,530mm的焦炭塔设计，予计相继在2002年前后投产，f8,84036,576mm的焦炭塔也正在建设中。予计不久将来要设计f9,75042,980mm（总高）的焦炭塔，随着机械设计方面的改进和水力除焦技术的进步，该公司有可能设计f12,192mm（40）的焦炭塔。美国bechtel公司承包，采用conoco公司技术建设的sweeny炼厂延迟焦化装置为二组四塔，每个焦炭塔为f9,00039,000mm，重476t。33我国延迟焦化装置的焦炭塔也逐步实现大型化。50年代80年代焦炭塔直径基本上为f5,400mm左右，1989年锦州石化100万t/a延迟焦化的焦炭塔直径为f6,100mm。2000年上海金山100万t/a延迟焦化装置的焦炭塔直径为f8,40033881mm，2002年上海高桥的140万t/a延迟焦化装置的焦炭塔直径达到f8,80035387mm。是目前我国已投产的最大的焦炭塔。图7和图8分别表示塔径和塔高（tt）与安装年份的关系。从图7和图8可见19651970年间塔径位于f6,096mmf7,620mm（2025）之间，最大f7,925mm（26）。塔高（tt）在21,336mm（70）左右。1995年塔径达到f8,534mm（28），塔高（tt）约为27,737mm（91）。34图7 焦炭塔的直径和安装年份的关系14图8 焦炭塔的塔高（tt）和安装年份的关系342.2 灵活性 延迟焦化装置的灵活性表现在延迟焦化的工艺技术有能力去应对原料、产品、产率和质量的变化。有能力应对下游加工装置（馏分油加氢处理、催化裂化和加氢裂化）的原料、流率、产品和质量的变化。2.2.1 原料 延迟焦化装置目前已能处理约60种原料，包括直馏渣油、减粘后渣油、加氢裂化后渣油、裂解焦油和循环油、焦油砂、沥青、脱沥青焦油、澄清油、溶剂精制后的煤以及从煤衍生物催化裂化的油浆，炼厂污油、污泥等等。处理的原料油性质范围广，一般康氏残炭3.8w%45w%，api重度220api14。正由于焦化装置能处理炼厂各种残渣物料被称之为炼厂的“垃圾桶”，同时也是目前炼厂实现渣油零排放的重要装置。随着原油质量的变差变劣，重质、含硫、含酸、高金属、高残炭等原油的增加，延迟焦化更显得愈来愈重要。目前，随着烃类合成液体燃料和合成原油技术的开发，也多用延迟焦化工艺进行改质。最近委内瑞拉就利用延迟焦化和加氢处理工艺对orinoco的原油进行改质生产api1632，s0.1m%的合成油项目。 表2 委内瑞拉策略联盟的四个项目36项目内容sincorhamacapetrozuata*cerro hegro原生原油产量，桶/天212,000220,000132,000129,000合成原油产量，桶/天180,000208,000112,000116,000合成原油api32262216.5基建投资，亿美元5742.543.723.6改质设施费，亿美元2721.718.311.5 * 加工zuata原油（api8，s 4.2m%，ccr 15m%）38 * 改质设施包括：脱盐、减压蒸馏、延迟焦化和加氢处理 由于所有融资机构均要求实施的改质工艺必须是经工业证实的技术，而上述联盟至所以选用延迟焦化工艺正是由于该工艺的技术成熟性。将延迟焦化工艺作为改质工艺，并对延迟焦化产品进行各种加氢精制，合成原油的质量将取决于延迟焦化馏分油加氢处理的苛刻度。382.2.2 产品 延迟焦化工艺生产lpg、石脑油、中间馏分油和焦炭。根据原料性质不同，生产的焦炭可以为燃料焦或电极焦。延迟焦化工艺可生产的石脑油、柴油馏分和蜡油馏分必须进一步加氢处理才可作为下游装置原料或作为产品（柴油）出厂。在延迟焦化工艺中产品种类和产品产率都可以通过调节操作参数进行调整。在产率中尤以中间馏分油产率占总产率的30w%65w%左右，在当今多产中间馏分油需求下显得尤为重要。2图9 延迟焦化工艺1 （1）美国lummus公司 由于延迟焦化装置为间歇生产、焦炭塔周期性操作。装置的灵活性就是要求优化工艺操作参数（如温度、压力和循环比）。应针对不同的原料，优化工艺条件，实现适宜的馏分油与焦炭产率之间的物料平衡，从而实现最大的经济效益。表3表示延迟焦化装置的典型产率（以原料w%计）。该表说明原料和操作条件对装置产率的影响。对高康氏残炭的减压渣油方案，在低压、低循环比、24小时操作周期的条件下，如果延迟焦化装置加工能力为1.10 mt/a，在原料相同，设计合理，如果略提高操作压力，再将操作周期改为18小时，则该装置可以加工1.375 mt/a的原料。14 表3 延迟焦化装置典型的产率14项 目减压渣油低ccr减压渣油高ccr减压渣油高ccr焦炭塔压力低低高产品产率,w%气体8.09.09.4石脑油14.011.711.3轻蜡油26.227.226.3重蜡油29.719.418.7焦炭22.132.734.3 （2）美国foster wheeler公司和conoco公司68,13 美国foster wheeler公司和conoco公司大大改进延迟焦化技术，新设计的焦化装置为了提高液收，降低焦炭产率，通常采用低压（0.103mpa表压）、低循环（而不是零循环）的工艺设计。因为真正的零循环虽然可进一步减少焦炭产率，稍微增加液收，但增收的hcgo质量价值不高，表4给出了超低循环和真正零循环的产率比较，表5表示真正零循环操作上的hcgo的性质。 表4 超低循环和真正零循环操作的产率比较项目超低循环真正零循环增加值干气，lv（foe）5.805.78+0.02c3/c4，lv7.277.07+0.20石脑油，lv13.3412.41+0.93lcgo，lv32.5430.48+2.04hcgo，lv24.0227.83-3.81焦炭，m%32.7331.43+1.30 ：1、真正零循环操作中hcgo增加的产率被其他液体产品收率的降低部分抵消了。 2、真正零循环操作中的总液收仅增加0.6lv%。 表5 超低循环和真正零循环操作所得到的重瓦斯油性质比较超低循环真正零循环增加的重瓦斯油馏分比重，api12.7811.554.35s，m%2.582.552.37n，wppm530350873806ccr，m%0.532.4313.70c7不溶物，m%432200011300ni+v1.03.820.4馏程， 10，v387390体积平均沸点 50，v462478579 ep，578616/ watson k值11.1311.1211.07 由表5可见该油很重，杂质含量高，几乎和原料相当。因此在考虑用哪种循环操作时应考虑下游接受hcgo的加工装置要求。特别对于加氢裂化型的炼厂，由于加氢裂化对原料有严格的要求，如ccr1m%，ni+v2wppm，c7不溶物也有要求的情况下应慎重考虑采用哪种循环比的操作。 （3）三种渣油加工工艺的产率69 总之，对延迟焦化装置，在焦炭有市场的情况下，延迟焦化工艺有技术优势，现在在加工减压渣油时，总液收可为57。 渣油催化裂化工艺，在以马达燃料（特别是汽油）为主要产品时，该工艺有技术优势。但渣油催化裂化工艺的原料ccr一般限制在约10m%左右。但在使用常渣时的总液收约为70（油浆不循环），如果包括烷基化和聚合用气时，则总液收可达到83。 渣油加氢裂化的总液收最高，可达87（多产中间馏分油）。 表6 三种渣油加工工艺的产率比较5工艺产率，v延迟焦化57加工减压渣油渣油催化裂化7083加工常压渣油，油浆不循环包括烷基化和聚合用气体渣油加氢裂化87多产中间馏分油2.3 操作性2.3.1 美国lummus公司的操作条件延迟焦化装置设计的主要方法目的为：得到最大的液体产品，最少的焦炭，生产的焦化重蜡油的质量要符合下游加工装置的要求。优化焦炭塔的数目和尺寸，能量回收原料加热炉系统和加热炉负荷。最大可能的利用空冷，将水冷（如有需要减至最小）。仔细选择关键的操作参数包括焦炭塔压力、温度和循环比等等。低压、高温和低循环比有利于提高液体产率和降焦炭产率。但是压力的降低又受到系统的压力降，焦炭塔内油气速度和设备尺寸与费用增加的限制。美国lummus公司的设计是通过控制位于焦化分馏塔塔顶分离器的压力控制器来控制焦炭塔顶压力，从而达到低压操作。一般将压缩机入口处压力设定为0.070.14kg/cm2（0.0070.014mpa）。焦炭塔典型低压操作的压力为1.05kg/cm2（0.105mpa）。装置设计采用双面辐射加热炉。具有在线清焦技巧可以提高加热炉燃烧温度，从而提高焦炭塔塔顶温度，增加产品收率，降低焦炭产率，同时可以延长加热炉的运转周期。尽可能的采用低循环比以得到最大液体产率的同时，生产的焦化蜡油符合下游加氢裂化加工的要求。增加焦化分馏塔内洗涤段塔板。塔内件和选择合适的洗涤流率必将会减少的消除焦粉携带到蜡油产品中14。2.3.2 美国urs公司的优化焦化技术延迟的工艺是现代炼厂唯一采用间歇连续式操作的主要工艺。加热炉的操作是连续的，焦化分馏塔的操作也是连续的,而焦炭塔的操作是切换操作,一个焦炭塔在线处理原料,而另一个焦炭塔进行吹汽、冷却、除焦、暖塔。这种循环操作容易产生压力波动操作不稳定等。为了减少这些操作不稳定性，提高装置的可操作性，美国usr公司开发了称为“优化焦化（opticoking）”的专利技术37。图10 焦炭塔压力控制系统37优化焦化稳定焦炭塔压力的方法就是将循环的轻焦化蜡油（lgo，以100150加仑分流率）或焦化汽油从分馏塔回到高温正在生焦的焦炭塔顶，轻焦化蜡油或焦化汽油在注入高温焦炭塔时被迅速气化。额外加入的油气流使操作者能够稳定焦炭塔压力，维持一个上升的压力过程。用于稳定压力的物流不会冷凝成液体，焦炭质量也不会受到影响。因此，采用usr公司的优化焦化技术，使操作者可以控制焦炭塔压力波动，并使焦化分馏塔塔顶压力不受焦炭塔波动的影响。更重要的是在延迟焦化装置的焦炭塔暖塔和换塔时稳定压力，从而可以提高装置的操作性、可靠性和安全性。2.3.3 循环周期1、4、6、32、34缩短延迟焦化循环周期是提高延迟焦化加工能力的有效方法。一般，焦化循环周期为24小时分为7个步骤。目前几乎所有的新建延迟焦化装置均采用现代化的短循环操作方式，即对每对焦炭塔而言为1820小时。通常，将循环周期从24小时降到20小时，装置处理量可提高20。工业上把循环周期从24小时缩短到2018小时可以较容易做到。实施一个中等的消除瓶颈就可完成把循环周期缩短到1816小时，16小时以下较困难。但是，如果在设计中认真考虑包括焦炭处理、急冷和切焦过程中的供水和水的回收，放空系统以及冷凝油回用系统等保安系统，则今天在一些老装置中实施14小时的焦化循环周期已不少见。有几个炼厂为加工重质原料，改（扩）建时增加了第三焦炭塔，采用12小时的焦化循环周期。短循环周期虽然能提高装置处理能力，但是以降低操作效率，增加维护费用和缩短装置使用寿命为代价。焦化循环周期由21小时缩短到18小时，焦炭塔寿命损失25。因此，英国bp公司认为：焦化循环周期的长短取决于许多因素，是可以改变的。对新设计的延迟焦化装置建议采用20小时的循环周期，然后通过缩短焦炭塔空塔时间把循环周期从20小时减少到1816小时。目前，美国有套延迟焦炭装置通过采用先进技术和操作技巧把原设计为20小时的循环周期缩短到16小时，又在加强管理的基础上，进一步缩短到14小时，使原设计的装置加工能力增加40左右。目前，新设计的循环周期一般为1820小时，对于较老的装置，1214小时的循环周期也不少见。美国lummus公司设计的焦塔操作周期是18小时，该公司认为这种设计具有在低循环比的条件下增加加工能力的操作灵活性。图11表示美国api调查的54份报告的生焦周期的分布，从图中可见，生焦周期为16小时的有15份，占总数的27.7约1/3左右，生焦周期为18小时的占 20.4。图11 生焦周期时间虽然短循环操作可以扩大装置处理量，但是也可以不选择短循环操作而是选择在现有一对焦炭塔基础上增加一个焦炭塔，形成三塔操作。图12表示三个焦炭塔的操作程序图10、23。 1 2 3ssqqqqqqqqqqhthtssqqqqqqqqqqssqqqqqqqqqqat标记 小时生焦12s吹汽2q急冷和充塔7d排液2u卸盖1除焦5ht上盖和试压1暖塔636图12 三个焦塔的操作程序图焦炭塔生焦时间，12小时10、232.4 安全性由于延迟焦化装置是间歇连续操作，又是高温操作。在设计要用现行、最新技术和设计准则以便提供装置的安全性。在工艺设计阶段，要准备工艺危险分析文档、确定装置布局、足够的防护通道和维护、确定工艺装置有关安全要求如：紧急隔离阀、焦炭塔和加热炉连锁装置以及自动拆卸头盖的方法等。在完成工艺配管和设备简图后，应启动haz0p（危险的可操作性分析）分析，焦炭塔和加热炉区域要进行完全的ha20p分析。2.4.1 焦炭塔塔底（顶）法兰的自动卸盖系统卸盖系统是指焦炭塔底底盖的自动卸盖系统，实行遥控以达到保护操作人员的安全。而顶盖不向低盖那样有着温度梯度和热焦、高温水问题，目前顶盖也采用自动化的卸盖系统，它包括卸盖设施及相应的水力系统和控制器组成。主要有法兰拆装系统，进行管线切断及对直系统、套管溜槽、操作车和水力装置等部分23。顶盖系统在切焦平台操作台遥控操作。卸盖系统自动化保证了焦炭塔操作安全性和减少焦炭塔的操作周期14。2.4.2 环境保护生态环境是人类生存和发展的基本条件。装置建设也需要考虑保护和建设好生态环境，延迟焦化装置也不例外。延迟焦化装置的主要污染源仍可分为气体、液体、固体和噪音四大类。表7列出了延迟焦化装置四大污染源1。表7 延迟焦化装置的污染源类型污染源气体加热炉的燃料气安全阀和工艺控制阀的排放气短时排放焦炭处理过程的焦粉污染液体分馏塔顶的含硫污水焦炭塔吹气和冷却的水和污油，焦炭塔切割水设备冲洗排放的重轻质污油含油污水排放焦池排放水不合格产品地表水固体焦粉噪音加热炉、气体压缩机、焦炭切割泵、空冷及控制阀目前延迟焦化装置的设计特别要考虑到环境保护，在美国和其他国家的环境保护设计应符合美国epa（环境保护署）和其他国家和地区的环保法规，此外还要符合osha（职业安全和健康）及地方、客户等等的种种标规范。表8表示美国lummus公司关于延迟焦化装置实施的环境保护设计14。表8 延迟焦化装置实施的环境保护设计14污染源解决办法流出物污油循环或送至装置边界线之外酸性水处理和循环焦化装置废水装置内循环烃类液体洗涤排放最大量地回收油在装置内循环重污油系统轻污油系统含烃液体至含油污水减少油类排放焦粉至含油污水固体液体分离器放空塔气体送至火炬或压缩机入口处加热炉污染高效率的加热炉低nox喷嘴在线清焦在离线除焦期应注入急冷水加热炉的机械清焦切焦时塔顶气相通风从顶部冷却泄漏污染减少泄漏源双端面机械密封过滤流体焦粉污染从工艺过程中脱除焦粉减少焦炭处理尽量采用密闭式焦炭处理系统润湿焦炭以防止焦粉飞扬3. 延迟焦化工艺设计的改进延迟焦化工艺的主要（关键）设计特点包括在线计算机控制、自动化的卸盖系统、双面辐射加热炉、现代化的焦炭塔机械设计和革新的水管理焦炭回收系统。美国lummus公司给出的延迟焦化装置关键设计特点如表9所示2。表9 lummus公司延迟焦化装置关键的设计特点14项 目早期的设计目前的设计操作压力2535psig(0.170.25mpa)15psig(0.1mpa)焦炭塔卸盖系统手动自动四通阀手动旋塞阀电动球阀蒸汽吹扫阀楔形旋塞阀手动球阀楔形旋塞阀楔形闸阀手动或自动焦炭塔和结构布置好有所改进，降低投资焦化加热炉单面辐射加热炉双面辐射加热炉焦炭塔直径最大27英尺（8.23米）可高至20英尺（9.14米）焦炭塔安全联锁无广泛应用安全设计80年代广泛应用环境保护轻重焦化蜡油符合80年符合最近的燃料标准代标准设置放空塔污油至含油污水系统轻重污油分离系统平面布置好已改进，更好实现维修方便和安全操作通道焦炭塔暖塔切换就地控制室3.1 工艺设计13、35延迟焦化装置因其特殊性，在进行工艺设计时除一般装置设计需考虑的因素外，还要确定焦炭塔的操作周期，由不同原料停工每一操作步骤与每个焦炭塔操作步骤相应的流率、温度和压力曲线，确定与平面布置有关的焦炭脱水，焦炭处理，焦炭装载和运输等资料。工艺方案是否要求生产海绵焦，所生产焦炭vcm范围、安全性、危险性分析、焦炭塔自动化切换、卸盖系统、焦炭塔安全阀的设置和排放，冲洗油质量，输送方式和装置外可利用程度，工艺污水和其他装置来的api污泥的的加工，以及管线尺寸，水力计算，配管和平面布置等等，这些因素都影响了延迟焦化装置的操作性、安全性和经济性。具体的设计考虑为： 适应现在和未来操作原料性质的变化。 加工低硫轻质原料生产电极时，优化工艺条件以达到馏分油和焦炭产率之间的最佳平衡和经济操作点。 加工重质含硫原料，采用低压、高温和低循环比操作以达到最大馏分油产率。 加工重质原料，调整循环周期抑制弹丸焦的生成。 装置能改变（增加）压力，以降低焦炭塔内气相表观速度，提高处理量。 装置压力调整要考虑低压下最大馏分油产率和焦炭塔数量之间的平衡，焦炭塔塔内的气相表观速度、设备和管线以及系统压力降和压力分布。 调整装置循环比，在达到最大馏分油产率的同时，满足蜡油质量要求。3.2 焦炭塔的设计和框架结构14焦炭塔的设计中要考虑采用合适的操作环境周期以增加处理量，其次是充分考虑焦炭塔的加热冷却的周期，保证焦炭塔的寿命，优化焦炭塔设计，充分考虑焦炭塔操作周期、操作条件、原料处理量、焦炭产率以及焦炭塔的数目的大小。过去焦炭塔典型的操作周期是24小时。lummus公司综合考虑了降低焦炭塔的投资，采用当今焦炭塔在工业可利用的最大尺寸的技术以及未来装置加工能力的提高和更多劣质焦炭的产生等的因素下，设计的焦炭操作周期为18小时。缩短焦炭塔的周期，要考虑到焦炭塔壳体裙座连接处的应力，采用有限地分析方法，可将应力减至最小。焦炭塔的设计还应包括保温热盒（heat box）采用全焊透的自补强的开口，不要补强圈。国内焦炭塔利用系数只有60左右（国外80），加入消泡剂可以降低泡沫高度，提高容积利用率，现采用提高聚二甲苯硅氧烷（ppms）阻泡剂的粘度，可以减少阻泡剂用量，并有效减少因硅消泡剂的加入对下游加氢处理催化剂带来的负面影响。北美炼厂将pdms粘度从60,000cst切换到600,000cst，用量可减少706。焦炭塔的材质，按api调查，钼铬钢焦炭寿命12年，碳钼钢为8年，碳钢只有7年23。焦炭塔的框架设计一是要方便操作和维修，其次要优化高度。焦炭塔框架高度主要取决于焦炭塔的基础（基础底面顶面）高度，焦化冷凝罐的高度和焦炭塔本身的高度。焦炭塔基础高度取决于溜槽、焦池的设计要求，而其长度和宽度也要考虑到方便操作和维修以及所采用的卸盖系统型式，焦炭塔直径等等。3.3 加热炉设计加热炉的运转周期取决于原料性质，加热炉结构设计，注入的蒸汽，非计划停工以及炉管材质和金相结构。加热炉设计首先基于热强度，质量流率和裂解温度以上的停留时间等最佳参数。美国lummus公司采用的双面辐射加热炉型可以使炉管热量分布更均匀，降低峰值温度，降低最大热强度，提高平均热强度并可减少总的辐射面积，从而实现延长加热炉操作周期。设计中采用的安全联锁，可以使加热炉因工艺操作紊乱或仪表故障而造成非计划停工时起到保护加热炉的作用。此外，在线清焦和在线剥焦（pigging）设计的应用也可延长加热炉操作周期。在实施在线清焦时应注入冷凝液以急冷其加热炉对流管至设计温度。分馏系统设计应考虑在线清焦时额外蒸汽量4。3.4 焦炭处理系统焦炭处理系统设计要考虑投资、设备维修、平面布置以及由装置输出焦炭的方法等因素。一般该系统有：将焦炭直接排放到设斗式合瓣吊车的焦池以回收焦炭的铁路装载法;直接将焦炭排至有前部装车的焦池或焦台系统以及水力仓（hydrobin）系统，即在铁路装载法的污水坑和澄清系统之间，增加一个水力仓系统进一步进行焦炭脱水4。图13 除焦系统144. 延迟焦化和相关渣油加工的经济效益由于原油质量日趋变劣，以使原油加工方案中的馏分油和渣油质量也不断变差，人们关注的焦点就是在尽量利用投资条件下，选择更好地渣油加工方案。20世纪70年代和80年代初，炼油商的重点是尽量将重油转化为汽油和中间馏分油，90 年代初，其重点已转向清洁燃料生产。目前，全球的炼厂越来越复杂，为的是尽量多生产高价值汽油，中馏分油以及石化原料（c3c5烯烃和芳烃），同时尽量减少低价值残渣燃料油的产量，在减少燃料油产量的低成本的短期方案是改造fcc装置，加工掺有渣油进料。该方案尽管效益高，但有其局限性。为保持既满足超低硫汽油和柴油标准以及多产高价值燃料和石化原料，又要保持赢利，炼油商需要在高成本的渣油改质（包括焦化、渣油fcc、渣油加氢、溶剂脱沥青、减粘裂化以及正在开发的非常规改质工艺）方面进行投资。4.1 相关渣油加工的发展由于市场需求结构变化加大，有利于汽油和馏分油而不利于重质燃料油，显然也有利于转化工艺的发展。就全球来看，转化能力的增长比蒸馏能力增长得快。过去5年中，转化装置能力增长率2%，根据正在建设和计划中的项目，今后3年中其增长率可能达到5左右。整个十年中，从对石油产品需求和其结构发展，每年为3。因此，世界总的转化能力2000年初为13.3亿t/a，到2020年估计可能增加44.5亿t/a38。图14和图15表示世界主要工艺过程的能力图14 世界主要转化工艺能力图15 世界主要转化工艺能力（不包括催化裂化）从图14和图15可见，催化裂化占很强的主导地位，约占世界转化能力的50以上。这显然与发动机汽油增长和重质燃料下降相对应，又因其投资和操作费用中等，现在fcc的年增长率约为3%/a3.5%/a，汽油市场最强劲的北美和亚洲占其主要份额。据欧洲一份统计资料，目前全球原料油中约有30其直馏渣油可以通过渣油催化裂化加工来提高馏分油产率。而无须上游减压蒸馏或加氢处理。由于欧洲需求从汽油转向中馏分油促使常规fcc能力下降，rfcc能力上升，目前欧洲有70以上炼厂通过fcc装置加工不同数量的重质渣油原料。另按sri调查，世界上估计有30套fcc装置是专门为加工全渣油进料设计的。目前渣油催化裂化能力已超过5000万t/a。世界上至少有25的催化裂化能力掺炼渣油，大部分新建的催化裂化装置可加工部分渣油5。由于大多数市场中馏分油比汽油市场更活跃，促使最近几年加氢能力的有力增长，根据已发表的今后几年中的项目，其年增长率约为9/a。按sri统计，世界馏分油和渣油加氢（包括加氢处理和加氢裂化）的能力90年代后半年期按年增长率2.2a的速率增长，2000年达到约1.68亿t/a。同期,渣油加氢的能力将以年增长率5.4a势头增加。2000年达到约1.12亿t/a。渣油加氢的能力约占总加氢能力（馏分油加氢和渣油加氢）的39。全世界20个炼厂渣油加氢总能力为0.32亿t/a。有渣油加氢裂化装置的炼厂一般更为复杂5。减粘裂化除了只降低粘度之外，还能便宜地但有限的转化减压渣油，生产更普通的石油馏分油，该工艺因投资和操作费用很少，在20世纪90年代以前有着迅速发展，最近几年，这种发展已趋停止5、8。焦化仍以每年7a以上的速度稳步增长，在世界能力上远远领先于渣油加氢转化，但这种工艺需要后加氢精制，才能得到优质的中馏分油。一般有焦化装置的炼厂约有80炼厂有一套fcc装置，90的炼厂有产品加氢精制装置，非北美炼厂一般有焦化装置的炼厂约25炼厂有加氢裂化装置，主要加工焦化瓦斯油。北美有焦化装置一半以上的炼厂有加氢裂化装置5、8。资料来源、美国能源信息管理局（eia）图16 美国现有炼厂蒸馏装置与下游装置生产能力对比变化趋势从图16中可见，1987年前下游装置生产能力的增长速度高于蒸馏装置的增长速度，1987年之后由于下游装置较高的增长率已使蒸馏装置与下游装置的生产能力非常接近。其中，焦化能力的增长速度非常突出，焦化能力的高增长率源自于国外原油生产国所属炼厂改造其设施以便加工更多更重质原油的结果39。4.2 经济评价4.2.1 美国kellogg brown root公司的评估美国kellogg brown root公司以美国墨西哥沿岸加工的阿拉伯中质减压渣油转化能力为18400b/d（1.0mt/a）这基准，投资按界区内装置估计，包括二级加氢处理装置和转化所需氢气的生产成本。表10 各种渣油改质工艺的相对基建投资成本5装置型式相对基建投资成本c5脱沥青100延迟焦化124rfcc（不包括原料加氢处理）138流化焦化164渣油加氢处理（固定床）167渣油加氢处理（沸腾床）199渣油加氢处理（悬浮床）220生产成本很大程度取决于轻重产品的价差。炼厂和石化厂一体化或炼厂和发电厂一体化将会使经济效益得到改善。表11 主要渣油加工装置投资成本（以2000年美元计）13装置型式投资成本，美元bpd*超临界溶剂脱沥青8001250减粘裂化10001400延迟焦化20004500渣油催化裂化30004000渣油加氢裂化30007000*bpdbbl/d4.2.2 美国斯坦福研究所（sri）的评估美国斯坦福研究所（sri）的pep报告，评估了加工能力为40000桶天（2.0mt/a）炼厂的延迟焦化、加氢裂化和渣油催化裂化的比较。延迟焦化和加氢裂化加工重质阿拉伯原油和轻质阿拉伯原油的混合原油的减压渣油，由于rfcc不能经济地加工碳含量很高的渣油，rfcc加工轻质阿拉伯原油的常压渣油。经济分析以1998年中期美国海湾沿岸价为基准。3种渣油转化工艺的固定成本比例，如表12所示13表12 3种渣油转化工艺的固定成本装置型式固定成本，百万美元延迟焦化164.1渣油催化裂化211.0加氢裂化349.0按表12所示的3种渣油转化工艺的固定成本费用，如果以延迟焦化工艺为1.0（基准）计算，则rfcc则为1.3，加氢裂化最高为2.1。加氢裂化的纳尔逊复杂指数最高，延迟焦化其次，rfcc是最低的装置，在3种渣油加工工艺中，反应器、主分馏塔和气体压缩机则是投资最大的设备。3种渣油加工工艺的产品费取决于轻质产品（汽油和馏分油）和重质油品（渣油燃料油）之间的价格差。焦化和加氢裂化因加工相同的原料，则它们的每桶原料费用相同，渣油催化裂化其原料费用较高。加氢裂化工艺所需的氢气由天然气为原料制氢而得，则加氢裂化工艺的产品费用较高。此外，公用工程费中因加氢裂化工艺采用高压压缩机能耗高，则公用工程费也高，延迟焦化其次，rfcc装置因催化剂冷却时能产生4.2mpa蒸汽，则该装置的公用工程费最低。sri研究了三种渣油加工工艺的总盈利率，并按它们各自的年投资回报率（roi）进行了比较，图17表示了在过去的几年内，市场价格的变化和每个加工工艺的r