航煤冰點不合格原因分析與應對措施

慕星華

(中海油惠州石化有限公司,廣東 惠州 516086)

某煉油企業的1.9 Mt/a航煤加氫裝置采用FZC系列加氫保護劑和FH-40A輕質餾分油加氫精制催化劑,以1#、2#常減壓蒸餾裝置切割的直餾煤油餾分為原料,主要目的產品為加氫煤油。反應部分原料油和氫氣的混合采用國內成熟的爐前混氫方案,分餾部分采用分餾塔再沸爐,還設置了硫化氫吸附罐脫除航煤產品中的微量硫化氫、金屬離子,以確保產品銀片腐蝕的穩定。在氫氣和加氫催化劑存在的條件下進行加氫脫硫反應、加氫脫氮反應、加氫脫氧反應、加氫脫金屬反應和芳烴的加氫飽和反應[1],除去原料油中的硫、氮、金屬等雜質,生產的3#噴氣燃料滿足國家標準GB 6537—2018要求,供應附近機場。

冰點是表征噴氣燃料低溫性能的指標,屬于航煤產品的重要質量控制指標。GB 6537—2018中規定航煤的冰點不高于-47 ℃,而航煤加氫裝置對航煤冰點的內控指標為不高于-48 ℃。航煤冰點是指在降低燃料溫度過程中,用肉眼觀測到燃料開始產生結晶,再使燃料升溫到所生成的結晶全部消失時的最低溫度。航煤冰點的高低決定了航空燃料的使用溫度,由于高空氣溫較低,冰點過高時會導致燃油在過濾器中產生凝結從而堵塞過濾器,造成燃油流動不暢,嚴重時將危及飛行安全,因此保持航煤產品的質量穩定具有重要意義。2023年3—4月,隨著一期煉油系列裝置進行停工檢修,某煉廠的航煤產品出現了冰點不合格的現象,針對這一問題,對其影響因素進行分析并進行相應調整,總結了此次事件中航煤冰點不合格的原因和措施,使航煤產品冰點不合格的問題得以解決。

1 航煤冰點影響因素分析

通過對航煤加氫裝置日常生產數據的回溯,發現航煤冰點與航煤密度、初餾點無明顯關系;航煤冰點與煙點的波動趨勢一致,主要受航煤終餾點的影響;在石蠟基原油比例、原油蠟質量分數波動較小時,石蠟基原油比例和原油蠟質量分數對航煤冰點無明顯影響。分析文獻[2]可知：影響航煤冰點不合格的因素主要包括原料油的組成、石蠟基原油摻煉比例、航煤終餾點以及航煤含水量。

1.1 原料油的影響

1.9 Mt/a航煤加氫裝置的原料油來源于一期煉油的12 Mt/a常減壓 Ⅰ 裝置所產的766.8 kt/a直餾煤油和二期煉油的10 Mt/a常減壓Ⅱ裝置所產的1.06 Mt/a直餾煤油混合后的原料。通過對不同裝置原料來源采樣化驗分析、數據對比,得出航煤加氫裝置原料油主要影響因素(見表1)。

由表1可知：一期煉油常減壓Ⅰ裝置所產直餾煤油冰點為-67 ℃,二期煉油常減壓Ⅱ裝置所產的直餾煤油冰點為-57.4 ℃,二期煉油航煤冰點高于一期煉油約10 K;一、二期常減壓蒸餾裝置所產的直餾煤油混合后原料冰點在-61 ℃。但隨著一期煉油常減壓Ⅰ裝置的停工檢修,僅剩二期煉油常減壓Ⅱ裝置單獨運行,其所生產的直餾煤油作為航煤加氫裝置原料,由于原料冰點較高且無法利用一期煉油直餾煤油進行調和從而降低原料冰點,也是造成航煤產品冰點升高的因素。

1.2 石蠟基原油摻煉比例的影響

根據文獻[3],3#噴氣燃料的冰點與C12～C16正構烷烴的含量有關,也受環烷烴、芳烴以及更重的正構烷烴的影響。其中芳烴的飽和開環反應受熱力學平衡的限制,導致單環芳烴與萘系烴集中于噴氣燃料中,對冰點造成影響。

二期煉油常減壓Ⅱ裝置原設計國產原油與進口中東原油的加工比例為20∶80,規模為10 Mt/a。由于2023年3—4月采購的中東原油存在油輪到岸時間滯后、原油總體庫存低等問題,為了保障高負荷生產,將國產原油摻煉比例由20%調整為40%。

目前在加工的國內原油主要以新文昌、潿洲、西江等原油為主,加工原油蠟質量分數的高低將直接影響二次加工裝置的冰點。通過對加工原油進行采樣分析,得出原油蠟質量分數的準確數據(見圖1)。由圖1原油蠟質量分數對比可知：西江、潿洲和新文昌原油均屬于蠟質量分數較高的原油。由于石蠟基原油中烷烴質量分數高,摻煉較高比例石蠟基原油時,直餾煤油組分中烷烴質量分數相對增加,烯烴、環烷烴、芳香烴質量分數相對減少,從而使航煤冰點升高[4]。隨著國內原油摻煉比例的提高,二期煉油常減壓蒸餾裝置原料油中的石蠟基質量分數也逐步提高,蠟質量分數高不利于油品的低溫流動性,導致二期煉油常減壓蒸餾裝置產出的常一線油冰點逐步提高。

1.3 航煤含水量的影響

航煤中若含有微量的水分也會對航煤冰點產生影響。飛機在飛行過程中,由于受到飛行速度、高度以及飛行里程的影響,航煤的溫度也會受到影響,飛機在高海拔飛行時,水在低溫狀態下會結冰,嚴重時容易造成燃料系統管道堵塞,致使飛機引擎失去動力,進而導致飛行事故。所以一般規定3#噴氣燃料的冰點必須低于飛機油箱的最低操作溫度,標準中規定冰點不高于-47 ℃[3]。

在3#噴氣燃料的生產和輸送過程中,有表面活性物質混入時,會使油水分離難度增加或難以分離,可能導致燃料過濾系統堵塞,影響飛機發動機的正常工作,嚴重時會造成較大故障。噴氣燃料的水分離指數受抗靜電劑加入影響,當抗靜電劑與抗磨劑同時存在時,影響會加大。同時噴氣燃料水分離指數也受加氫工藝的影響,如加氫裂化工藝生產的噴氣燃料水分離指數幾乎不受添加劑影響,加氫精制工藝生產的噴氣燃料受抗靜電劑影響較大。

一般通過加強過濾、提高裝置反應溫度、提高催化劑的脫氮能力等方式降低噴氣燃料的含水量,提高噴氣燃料的潔凈度。

1.4 航煤終餾點的影響

航煤終餾點是影響航煤冰點的一個重要因素。在日常加工過程中,如果航煤終餾點指標較高,會導致分餾產品切割偏重;或是在常減壓蒸餾裝置出現異常狀況時,常壓塔降溫、降低進料量過快,在同等切割溫度下產品側線餾分干點升高。主要是由于產品切割時,常一線油攜帶柴油組分等原因,導致航煤餾分終餾點升高,也必然導致冰點升高[2]。航煤終餾點與冰點對應變化趨勢如圖2所示。

圖2 航煤終餾點與冰點變化趨勢

從圖2可以看出：航煤冰點與終餾點變化趨勢基本一致,說明航煤冰點受航煤終餾點的影響較大。隨著航煤餾程下調,航煤的冰點相應下降,但下降幅度相對較小。說明航煤終餾點不是導致航煤冰點連續出現不合格的根本原因。

2 生產調整措施

2.1 降低常一線的終餾點

常一線油的終餾點是主要質量控制指標,主要與油品的輕重、餾程的寬窄相關,反映了常一線油餾程的重組分分布情況。一般常一線油抽出溫度高、抽出量大,易造成常一線干點高;反之常一線油抽出溫度低、抽出量小,則常一線油干點低。通過增大返塔回流量、降低塔頂溫度、提高塔頂壓力、降低常一線抽出溫度等措施,降低常一線油的干點,避免常一線油攜帶柴油組分。

高壓加氫裂化航煤含有一定的C15以上組分,而常一線油一般不含C15以上組分。當常一線油航煤冰點不合格時,其主要原因之一是航煤產品切割較重,航煤攜帶部分柴油組分。生產上采取增加分餾塔內回流量的措施,降低航煤產品抽出量,從而達到降低航煤終餾點的目的。生產調整后,航煤終餾點與冰點變化如表2所示。

表2 航煤冰點與終餾點的對應關系 ℃

從表2可以看出航煤冰點與其終餾點的趨勢,隨著航煤餾程下調,航煤的冰點相應下降。

2.2 調整國內原油摻煉比例

根據前面分析可知,降低國產原油比例可以有效降低航煤冰點。因此,在實際生產中,將國產原油摻煉比例由40%逐步調整為30%,其變化如表3所示。

表3 航煤冰點趨勢

由表3可知：隨著石蠟基原油摻煉比例的降低,航煤冰點也隨之降低,航煤冰點從3月21日的-47.5 ℃降至3月25日的-52.0 ℃,說明國內石蠟基原油摻煉比例是影響航煤冰點的主要因素。

2.3 航煤產品加強脫水

航煤進入產品調和罐前的管線設有過濾器和聚結器,進行罐前雜質過濾和脫水,且調和罐設有自動脫水器進行沉降脫水;航煤出廠管線也設有過濾器和聚結器,進行出廠前雜質過濾和脫水,經過層層嚴格控制,降低航煤含水量。

3 結語

航煤冰點是保證在低溫環境下航煤燃料能夠在飛機燃料系統中保持流動性、無烴類結晶析出的重要質量指標。隨著航空工業技術的高速發展以及飛機發動機的更新迭代,設備精密程度越來越高,對航煤質量的要求也越來越苛刻。對航煤冰點的影響因素進行分析,得到航煤冰點不合格的主要原因：一是一期煉油裝置檢修后,二期煉油常減壓蒸餾裝置國內石蠟基原油摻煉比例偏高,造成航煤冰點升高;二是航煤干點較高,導致航煤餾分偏重,造成航煤冰點偏高。通過調整原料油中不同組分的摻煉比例,減少原油中的石蠟基質量分數;調整常壓塔的操作參數,提高其中組分的分離效果;從航煤產品的收料到航煤產品的出廠,連續進行脫水工作,降低航煤含水量等措施,不僅保證了航煤產品質量穩定性,而且也能提高飛機飛行的安全性。