我国炼油与化工行业在“十三五”期间发展情况较好，加之“碳达峰碳中和”愿景以及新能源迅速发展的深刻影响，炼化企业需要改善现有产品结构，降低成品油产量[1]。随着竞争的加剧，以降低成本、降低燃料油收率为主旨的原油劣质化也成为一个重要的发展方向。
中石油云南石化1 300×104 t/a炼油项目以高硫低酸原油为设计原油，设计原油API度为31、硫质量分数为2.53%。为了降低原油成本，自开工以来对加工原油持续重质化，硫质量分数限值已经达到3%，2023年更是走向了劣质化的进程。2024年2月，成功地试炼了巴士拉重质原油，单个油种的API度已经低至23，硫质量分数高达4%，远超设计水平。在现有的工艺和设备条件下，对原油劣质化进行了深入的研究和探索，以最大限度地降低原油成本，发挥装置潜力。
随着伊拉克原油开发力度的加大，原油产量上升较快，造成出口原油性质变化较大。2021年1月1日，为了稳定出口原油性质，伊拉克国家石油公司将其出口原油（出口港口均为巴士拉港口）分为轻、中、重3类，分别为巴士拉轻质原油（简称巴轻原油）、巴士拉中质原油（简称巴中原油）和巴士拉重质原油（简称巴重原油）。其中，巴重原油产量占比约29%，经土巴（tuba）集输系统至巴士拉港口外销售[2]。2022年，伊拉克原油产量同比增加10.20%，伊拉克原油出口总量增加8.52%，达到1.91×108 t。2022年，我国进口原油总量同比下降3.24%，而进口伊拉克原油同比增长2.59%[3]。2023年，中国成为巴重原油第二大进口国，进口量同比增长了1倍多。
基于巴重原油因各油区产量发展不均衡带来的性质变化，近4年对国内进口的部分巴重原油性质进行分析对比。其中，2020年12月在惠州取的样品为伊拉克石油公司重新分类前的性质，2021年—2023年分别在大连、茂名和揭阳所取油样均为重新分类后的性质。表1对巴重原油与设计原油的基本性质进行了对比。
由表1可知，2021年后巴重原油的基本性质趋于稳定，原油API度为23.5左右，原油中硫质量分数约4%，酸值（以KOH计）约0.24 mg/g，（镍+钒）质量分数约115 μg/g，残炭质量分数约10%，560 ℃减压渣油收率约32%，巴重原油属于高含硫、低酸值、高含金属及残炭的劣质原油。与设计原油相比，硫质量分数高58.10%，重金属质量分数高出近2倍，残炭值高出近1倍，沥青质质量分数高出1倍左右，减压渣油收率高9个百分点以上。
在中石油云南石化1 300×104 t/a全氢型炼油装置中，渣油加氢装置是全厂核心装置之一，其原料组分为常压渣油、重蜡油、焦化蜡油及减压渣油，为了保持渣油加氢装置的长周期稳定运行，通常控制（镍+钒）质量分数≤90 μg/g、残炭质量分数≤12%，渣油加氢精制渣油收率在84%左右，其残炭质量分数为3.00%~5.50%、硫质量分数小于0.40%，用作催化裂化装置的原料；剩余的减压渣油作为延迟焦化工艺的原料进行裂化生产轻质燃料油；全厂汽油、煤油及柴油的总收率超过80%，最高达到87%。
中石油云南石化主要加工中东原油，其（镍+钒）含量越高，原油价格越低。为了兼顾降低原油成本和提高渣油加氢装置催化剂的使用寿命，针对渣油加氢工艺中（镍+钒）含量的限制，将（镍+钒）质量分数低于60 μg/g的原油按蒸馏−渣油加氢−催化工艺路线进行加工，以催化裂化为裂化手段称为“宜催类”原油（简称宜催原油），将（镍+钒）质量分数高于60 μg/g的原油按蒸馏−焦化工艺路线为主进行加工，用于保证经济效益；以延迟焦化作为裂化手段，称为“宜焦类”原油（简称宜焦原油），用于降低原油成本。在实际生产过程中，根据经济平衡点确定这两类原油的采购比例。
巴重原油的性质与设计原油差异较大，重金属含量和硫含量超高且富集在渣油中，对于渣油，如果采用渣油加氢工艺处理，镍、钒含量远超过装置限值要求，严重影响催化剂的寿命及活性；如果采用延迟焦化进行轻质化，硫质量分数也超出设计限值（4.7%）40%左右，会造成液化气中硫含量超标、焦炭产品中硫含量和重金属含量过高而无法销售。
经验表明，硫作为较强的极性官能团能够吸附轻质组分，提高改性沥青路用性能[4]，有利于改善改性沥青的低温抗裂性能和高温抗车辙变形能力，延长路面使用寿命[5]。本方案拟采用直馏生产沥青的工艺加工巴重原油，将硫含量高的减压渣油组分以产品的形式从整个物料系统中取出一部分以降低各装置对硫和重金属的处理难度，通过沥青产品的质量标准控制减压渣油拔出温度以生产沥青。
将巴重原油通过实沸点蒸馏仪按ASTM D2892-24 Standard test method for distillation of crude petroleum (15-theoretical plate column)《原油蒸馏的标准试验方法（15块理论板蒸馏塔）》和ASTM D5236-23 Standard test method for distillation of heavy hydrocarbon mixtures (vacuum potstill method)《重型烃类混合物蒸馏的标准试验方法（真空罐式蒸馏法）》，通过常减压拔出不同切割温度的减压渣油，考查其沥青的主要性能。巴重原油不同切割温度的减压渣油的收率和沥青性能指标见表2[6]。
在以往的生产经验中，以沙中原油及科威特原油为原料，通过直馏工艺生产沥青很难生产出AH-50号道路沥青，一直存在软化点和延度难以同时兼顾的矛盾。提高软化点，则会损失延度。从表2中数据可以看出，巴重原油通过直馏工艺得到的3组减压渣油性质符合沥青牌号AH-90、AH-70和AH-50的沥青产品标准要求，在软化点较高的情况下，延度、蜡含量仍有富余。巴重原油直馏生产沥青收率很高，拟产AH-90号沥青时收率达到44.07%，拟产AH-70号沥青时收率达到43.04%，拟产AH-50号沥青时收率达到40.97%。设计原油通过直馏工艺生产沥青时拔出温度为560 ℃，减压渣油收率约22.54%，巴重原油通过直馏工艺生产沥青时，基于本地适应性最好的AH-70号沥青，渣油的拔出温度为490 ℃，减压渣油的收率较设计原油增加20.5%左右。在通过直馏工艺生产沥青的生产过程中，各侧线及减压渣油物料平衡很难与目前的装置相匹配，需要考虑与其他原油混炼。
基于本地适应性最好的AH-70号沥青，将巴士拉重质原油分别与沙特中质原油、沙特重质原油、科威特原油、巴士拉中质原油及W原油按比例混合后，在实沸点蒸馏仪上切割获取减压渣油，考查减压渣油AH-70号沥青的主要性质。对比性质见表3。从表3中数据可以看出，巴重原油和这几种常加工原油试制的减压渣油均能满足AH-70号沥青的主要指标要求，且减压渣油中蜡含量低，在软化点较高的情况下表现出较好的低温延展性。
为此，根据对减压渣油的加工工艺，形成了第三类原油，即“宜青类”原油（简称宜青原油），是指减压渣油能满足沥青产品质量要求的原油。
基于巴重原油和几种常加工原油进行混调后，经蒸馏试制的减压渣油沥青性质优异。拟用混调巴重原油的混合原油采用间歇操作的方式直馏生产沥青，在提高直馏沥青产品质量的同时降低原油采购成本。由于单套蒸馏装置规模大，而沥青市场的需求量有限，富余的减压渣油与库存减压渣油调合后作为焦化装置的原料。因渣油收率较高，受减压渣油泵及渣油换热能力的限制，将加工日负荷降至2.9×104 t时，减压蒸馏已呈满负荷运行。直馏石脑油馏分仍作为石脑油加氢装置的原料，直馏煤油馏分作为煤油加氢装置的原料，直馏柴油馏分作为柴油加氢装置的原料，减二线馏分作为加氢裂化装置的原料，外甩常压渣油、减三及减四线馏分作为渣油加氢装置的原料组分。常压渣油外甩量是渣油加氢装置原料的组成部分，将其由200 t/h降至90 t/h，以控制渣油加氢装置原料中（镍+钒）质量分数不高于90 μg/g。在加工宜催原油时，增加加工量以增大精制渣油、蒸馏侧线馏分及减压渣油等的库存，作为加工巴重混合原油时保持渣油加氢、催化裂化、加氢裂化、石脑油加氢、煤油加氢及柴油加氢等装置负荷稳定连续生产的补充。这些库存量也决定了加工巴重原油的时长[7]。为了控制液化气中硫化氢及总硫含量，掺调一部分库存的减压渣油，将延迟焦化原料中硫质量分数控制在4.7%以内。
原油罐底油中铁含量较高，采用直馏工艺生产沥青工艺掺炼原油罐底油期间，在电脱盐时加入脱固剂，以降低对催化装置平衡剂活性的影响，由于原油罐底油中水含量较高，氯含量也相对较高，在电脱盐时加入少量脱氯剂以降低氯含量。加工巴重原油工艺示意见图1。
经过两次对硫含量限值的调整，目前，蒸馏装置的硫质量分数限值已由2.5%提高至3.0%。在第2个检修周期内的前两年期间（2022年—2023年），加工原油中平均硫质量分数在3.0%以内。
分别对所有设备、管线设计资料和生产检修过程中所有评估报告和腐蚀情况报告进行分析，并对长期单炼巴重原油进行评估，均能得出蒸馏装置酸值可控制在0.3 mg/g以内的结论，硫质量分数限值可以提高至4.0%[8-9]。
基于直馏生产沥青，渣油的拔出温度从560 ℃调整至520 ℃，将巴重原油与巴中原油等比例混合，此混合原油中硫质量分数为3.5%。在满足各二次装置原料限值的工况下平衡全厂的物料，以减压渣油泵的满负荷泵送能力（348.234 t/h）倒推得到的最大原油加工量为1 285.715 t/h（30 857 t/d），与日加工量3.714 3×104 t的设计值相比，加工负荷为83.08%。按此加工量核算各侧线的物料，再按此物料量进行换热网络适应性核算，经核算，只有减压渣油换热器的热负荷超出设计值17.39%。即减压渣油换热器能力、泵送能力限制了巴重原油的加工负荷[10]。
根据设计边界调减加工巴重原油的混调比例及加工量，月平均日加工量按3×104 t计，通过库存调整二次装置的负荷保持不变，原油方案及加工量分两个阶段进行平衡，由于在低库存条件下运行，阶段1加工巴重原油按宜青原油工艺路线生产6天，阶段2加工罐底巴重原油及库存的其他油种，根据库存量进行配比，按宜催原油工艺路线生产24天。物料平衡见表4。由表4可知，可根据当下工况准确平衡两个阶段的库存：阶段1生产时间为6天，阶段2生产时间为24天。如果要增加巴重原油的加工时长，可以通过提前积累相应组分的库存实现。
首次采购巴重原油的质量为14×104 t，试炼期自2023年12月26日至2024年2月25日。由于是首次试炼，为防止因硫含量过高产生无法评估的风险，限制进入蒸馏装置混合原油的硫质量分数在3.0%以下。将巴重原油与W原油等比例混合后管输至工厂，用以替代科威特及沙中混合原油生产AH-70沥青。采购的巴重原油和W原油中硫质量分数均偏高，分别为4.18%（通常约4.0%）和1.84%（通常约1.53%），等比例混合后，平均硫质量分数为3.01%，超过蒸馏装置硫含量限制指标的要求。加之当期到厂原油偏重、库存偏低，宜焦原油集中到港，除巴重原油和W原油外，还有A原油（API度为23.6，硫质量分数为2.3%）和原油罐底油，为满足库存要求及加工负荷，原油比例调整为A原油掺炼量为17.5%、巴重原油与W原油平均掺炼量相同，均为20%、二次稀释后的原油罐底油13.5×104 t（由3×104 t罐底油经两次稀释后所得），其平均掺炼比例为22.5%，最大掺炼比例达到27%。其他20%的原油为常加工的中东原油的混合油种，如沙中原油、科威特原油及阿尔沙新原油等。原油性质见表5，表5同时列出了掺混原油罐底油后的性质及设计原油性质。由表5可知，掺炼巴重原油在原油中硫含量增加的同时，重金属含量增加幅度较大，盐含量、铁含量、总氯含量增幅有限；在掺炼原油罐底油后，铁含量、盐含量及总氯含量增加幅度较大，在加入脱氯剂后能有效降低总氯含量。试炼巴重原油最大连续运行时长为11天，各装置整体运行平稳。
在3个月期间，掺炼巴重原油的混合原油60×104 t，由于掺炼巴重原油的渣油收率较高，常压渣油收率（占原油）达到57%左右，满足AH-70号沥青质量指标要求的减压渣油收率达到30%左右，根据减压蒸馏装置平稳生产工况下的最大加工能力调整原油加工量，原油加工量为2.9×104~3.0×104 t/d，常压蒸馏装置加工负荷约78%，减压蒸馏装置的加工负荷为105%。为控制渣油加氢装置原料中重金属含量，平均常压渣油外甩量约为100 t/h，巴重减压渣油组分经外甩常压渣油、减压过汽化油（减四线）与减三线混合后进入渣油加氢原料的量为3.7×104 t（原油占比为6.17%），生产AH-70号沥青10.1×104 t（原油占比为16.83%），实现沥青销售7.4×104 t（原油占比为12.33%），由于沥青市场容量限制和生产切换过程中进入焦化装置加工的量为6.9×104 t（占原油量的11.5%）。
分析减压渣油的软化点和针入度，按AH-70号沥青的质量指标调整其收率。减压蒸馏装置按常压渣油进料量为590 t/h和常压过汽化油（常四线）进料量为30 t/h，在生产AH-70号沥青过程中，减压渣油的沥青性质波动较大，经罐调合格后出厂。
常压过汽化油（常四线）主要为部分柴油及轻蜡油组分，比渣油沸点低。减压蒸馏装置在超负荷条件下运行时分离效果不理想，为了提高该工况下的分馏效果，通过适当提高常压过汽化油（常四线）收率、降低常压渣油的收率，在将减压塔中较轻组分的比例增加了1.61%后提高了减压塔的分馏效果，AH-70号沥青的直馏生产合格率达到100%。沥青的生产工艺从蒸馏−罐调调整为直馏工艺。
用于调整减压蒸馏装置原料馏分分布宽度的常压过汽化油基本性质见表6，收率及在减压蒸馏原料中的占比变化情况见表7。试炼巴重原油期间，采用两种工艺生产的符合JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》标准的AH-70（A）级沥青产品主要性质见表8。
由于油品中含氯会增加对设备的腐蚀[11]，考查了原油中氯含量及有机氯含量。试炼巴重原油中氯含量不高，脱前原油中总氯质量分数为21.6 μg/g，比2023年上半年脱前原油中总氯质量分数平均值（30.2 μg/g）低，有机氯质量分数低于分析下限（1 μg/g）。
试炼巴重原油期间，原油的重金属含量大幅度上升，其中，（镍+钒）含量较加工宜催原油期间约上升71.74%，由于控制了进入渣油加氢的渣油量，渣油加氢原料中重金属含量不增反降，其中，（镍+钒）质量分数为71.9 μg/g，比加工宜催原油期间的76.5 μg/g还低。分析数据见表9。由表9可知，按生产沥青为主旨掺炼巴重原油不会增加渣油加氢原料中镍、钒含量。
在平衡减压蒸馏的物料组分和加工负荷后，减压渣油泵的平均负荷为92%，最高达到了99%；减压渣油换热后的温度上升了15 ℃左右，平均为152 ℃，进入渣油罐的温度约135 ℃，仅比进罐温度限值150 ℃低15 ℃。试炼巴重原油减压渣油的生产瓶颈是减压渣油泵的设计负荷和减压渣油换热能力的限制。
1） 以巴重原油为原料，采用直馏工艺可以生产出符合JTG F 40—2004《公路沥青路面施工技术规范》标准要求的沥青产品，且性能较好。
2） 巴重原油的主要加工难点是渣油收率高，重金属含量高，对于单套规模较大的蒸馏装置，可以采取间歇性掺炼的方式加工巴重原油，采用直馏工艺生产沥青，并通过中间物料库存保证二次加工装置的连续运行，以避免对渣油加氢催化剂产生负面影响。
3） 较高的渣油收率对减压渣油泵的设计负荷及减压渣油的换热能力均提出较高的要求。
2024, Vol. 53 Issue (6): 20-27 2024, Vol. 53 Issue (6): 20-27