低温费托合成轻质油品蒸汽裂解性能研究

梅峰彪，宋建东，罗方涛，薛莹莹，董满祥

(陕西时代能源化工有限公司，陕西 榆林 719000)

近年来，国际油价大幅波动，原油价格长期低迷，以煤为原料的间接液化制油企业利润大幅下降，均处于亏损状态。为充分发挥煤间接液化费托合成油品的特点，提高企业效益水平，各煤制油企业纷纷开展下游高值化加工利用的研究和产业化延伸工作。本文主要针对低温费托合成生产的石脑油、轻柴油等轻质油品(简称轻质油品)，开展蒸汽裂解性能评价试验，分析其在不同温度、水/油比、停留时间等裂解条件下的双烯、三烯收率[1]，确定最佳裂解条件，从而为煤制油企业轻质油品下游延伸加工提供基础数据依据。

1 低温费托合成轻质油品物性及组成分析

费托合成是以合成气(CO+H2)为原料，适宜的催化剂和反应条件下生成烃类及含氧有机物的过程。根据反应温度不同，通常可分为低温费托合成和高温费托合成两种技术。低温费托合成技术反应温度通常介于200～270 ℃、反应压力2.0～5.0 MPa、在铁基催化剂或钴基催化剂作用下，利用固定床或浆态床反应器生产石脑油、柴油及费托蜡等产品[2]。低温费托合成生产的粗油品具有碳数分布广、正构烷烃含量高、芳烃含量低等特点[3]。该粗油品经加氢精制和加氢裂化装置可生产液化石油气、加氢石脑油、裂化石脑油、轻柴油、重柴油等产品。低温费托合成轻质油品物性分析和组成分析见表1和表2。

表1 物性分析数据

表2 轻质油品族组成分析

通过上述分析数据可以看出，低温费托合成轻质油品具有组分轻、馏程窄、低硫、低氮、低芳等特点。其加氢石脑油、裂化石脑油及轻柴油三种油品链烷烃质量分数均大于92%，烯烃和芳烃含量均较低。从三种油品的物性分析来看，相比典型的石油基石脑油[4]，经蒸汽裂解可获得更高的双烯和三烯收率，是一种优质的乙烯裂解原料[5]。

2 低温费托合成轻质油品裂解评价试验

2.1 试验条件

蒸汽裂解评价试验条件主要为停留时间、烃分压和裂解温度(COT)三个要素，其中裂解温度是其最主要的影响要素条件。针对不同馏分和物性的原料，蒸汽裂解反应条件也有所区别。针对常规轻质油原料，其裂解工艺操作条件通常为：裂解炉出口温度(COT)800～870 ℃，压力(G)0.1～0.3 MPa，稀释蒸汽/裂解原料质量比：0.50～0.70[6-8]。裂解原料烃类的碳数越低，裂解炉出口温度越高，由于受到原料中环烷烃和芳烃高温脱氢反应导致结焦的影响，裂解炉出口温度应控制在合理的范围内。裂解反应压力的选择主要与裂解炉型的设计和下游分离流程排布有关，目前常规的裂解炉型反应压力基本相当。稀释蒸汽的主要目的是有效降低反应的烃分压，促使裂解反应生成低碳数的气体物质(乙烯等)，同时蒸汽注入量也影响装置能耗，蒸汽注入量增加整体装置能耗增加。

本文以费托合成加氢石脑油、裂化石脑油及轻柴油三种油品作为试验样品，在千克级蒸汽裂解评价装置上进行裂解试验，试验炉型采用国内常用国产炉型CBL-Ⅲ。根据该炉型特点，停留时间通常为0.23 s，出口压力(G)为0.1 MPa；同时，考虑到本试验石脑油样品馏程等与石油基石脑油相当，因此加氢石脑油和裂化石脑油裂解评价均采用常规的水/油质量比0.5作为试验条件；而对于轻柴油原料，为更好了解其裂解性能，水/油质量比设置了0.65和0.75两组试验条件。本次裂解评价试验重点通过在790～890 ℃范围内设置多组温度条件进行试验，从而形成多组裂解评价数据，通过比较分析确定最佳裂解条件。加氢石脑油、裂化石脑油及轻柴油三种油品裂解评价条件分别见表3、表4、表5所示。

表3 加氢石脑油裂解评价条件

表4 裂化石脑油裂解评价条件

表5 轻柴油裂解评价条件

2.2 试验结果及分析

2.2.1 加氢石脑油

加氢石脑油在停留时间0.23 s、出口压力(G)0.1 MPa、水/油比0.5的裂解条件下，在裂解温度835～890 ℃范围内，乙烯收率随裂解温度升高而增加，丙烯收率随裂解温度升高而减少，丁二烯收率在裂解温度865 ℃时出现极大值；双烯收率和三烯收率极大值均出现在865 ℃，此时，双烯收率为54.20%，三烯收率为58.74%。加氢石脑油裂解评价试验产品收率随裂解温度变化情况见图1所示。

图1 加氢石脑油评价试验产品收率随裂解温度变化趋势

2.2.2 裂化石脑油

裂化石脑油在停留时间0.23 s、出口压力(G)0.1 MPa、水/油质量比0.5的裂解条件下，在裂解温度835～890 ℃范围内，乙烯收率随温度升高而增加，丙烯收率随裂解温度升高而减少，丁二烯收率在845 ℃出现极大值；双烯收率和三烯收率极大值均出现在855 ℃。此时，双烯收率为49.60%，三烯收率为54.33%，见图2。

图2 裂化石脑油评价试验产品收率随裂解温度变化趋势

2.2.3 轻柴油

轻柴油在停留时间0.23 s、出口压力(G)0.1 MPa、水/油质量比0.75的裂解条件下，在裂解温度790～820 ℃范围乙烯收率随温度升高而增加，丙烯在810 ℃出现极大值，丁二烯收率随温度升高而增加；双烯收率和三烯收率极大值均出现在820 ℃，此时，双烯质量收率为56.77%，三烯质量收率为63.12%。如图3所示。

图3 轻柴油在水/油比0.75时评价试验产品收率随裂解温度变化趋势

轻柴油在停留时间0.23 s、出口压力(G)0.1MPa、水/油质量比0.65的裂解条件下，该轻柴油原料在裂解温度790～820 ℃范围乙烯收率随温度升高而增加，丙烯在810 ℃出现极大值，丁二烯收率随温度升高而增加；双烯收率和三烯收率极大值均出现在820 ℃。此时，双烯质量收率为56.27%，三烯质量收率为62.57%。如图4所示。

图4 轻柴油在水/油质量比0.65时评价试验产品收率随裂解温度变化趋势

通过图3和图4可以看出，轻柴油在其它工艺条件相同的情况下，水/油质量比为0.75时三烯收率高于水/油质量比0.65工况。

2.3 与石油基石脑油裂解性能的对比分析

根据上述裂解评价试验情况，与文献报道的不同炼厂石脑油裂解后的双烯收率和三烯收率数据进行对比分析[9-10]，可以看出低温费托合成轻质油品经裂解后的双烯收率和三烯收率明显高于石油基石脑油裂解收率，具有很好的市场竞争力。详见表6所示。

表6 不同原料的裂解产物中乙烯、丙烯、丁二烯收率 %

3 结 论

(1)低温费合成轻质油品具有组分轻、馏程窄、碳数分布集中、氧氮硫等杂质含量低、芳潜含量低等特点，相比典型的石油基石脑油，经蒸汽裂解可获得更高的双烯和三烯收率，是一种优质的乙烯裂解原料。在当前低油价背景下，煤制油企业可以费托合成石脑油、轻柴油为原料，通过蒸汽裂解生产低碳烯烃，从而延伸产业链条，提高企业效益水平。

(2)从蒸汽裂解评价试验来看，加氢石脑油在停留时间0.23 s、水/油质量比0.5、裂解温度865 ℃裂解条件下，可获得最大的双烯收率和三烯收率，分别为54.20%和58.7%；裂化石脑油在停留时间0.23 s、水/油质量比0.5、裂解温度855 ℃裂解条件下，可获得最大的双烯收率和三烯收率，质量收率分别为49.60%和54.33%；轻柴油在停留时间0.23 s、水/油质量比0.75、裂解温度820 ℃的裂解条件下，可获得最大的双烯收率和三烯收率，质量收率分别为56.77%，63.12%。企业在选用三种原料作为乙烯装置原料时，建议裂解温度设定应略低于最佳评价条件温度，避免裂解温度选取过高造成炉管生焦率增加，致使裂解炉运行周期变短。