關(guān)于作者

辛勤,男, 研究員,博士生導(dǎo)師,催化基礎(chǔ)國家重點實驗室學(xué)委會副主任(1992-1997),中國化學(xué)會催化專業(yè)委員會秘書長(1994-2009),石油煉制學(xué)會催化劑分子篩學(xué)組副組長(1993-1996),《光譜與光譜分析》,《分子催化》,《功能材料》,《工業(yè)催化》雜志編委,Applied Science,Electrochemistry Acta 客座編輯。第一批國務(wù)院政府津貼獲得者。主要研究領(lǐng)域:直接醇燃料電池及電極催化劑制備規(guī)律研究;過渡金屬氮化物,碳化物催化劑研究;納米發(fā)光材料、固體催化劑的原位表征研究等

石油煉制與催化裂化

辛勤
2014年07月16日

 張偉 蔣宗軒

中科院大連化物所



石油與
人類在社會中生存,除了衣、食、住之外還要行。隨著科技的進(jìn)步,汽車、火車、輪船和飛機(jī)已經(jīng)成為我們?nèi)粘I钪兄匾慕煌üぞ?。尤其是汽車,更是我們必不可少的代步工具,我們幾乎每天都要使用它。不知道你注意了嗎?這些交通工具都有一個共同的特點,那就是需要燃料來運(yùn)轉(zhuǎn),而這個神奇的燃料就是石油。石油也被稱為工業(yè)的血液,是我們現(xiàn)代生活方式的基礎(chǔ)資源之一??梢哉f石油與我們的是密切相關(guān)的。

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石油為什么要煉制
石油又稱原油,是從地下開采的一種流動或半流動狀的粘稠液體。它由不同的碳?xì)浠衔锘旌辖M成,其主要組成成分是烴類,此外石油中還含硫、氧、氮、磷、釩等元素。世界各地生產(chǎn)的石油在外觀性質(zhì)上有不同程度的差別。從顏色看,大部分石油是黑色的,但也有暗綠或暗褐色的,少數(shù)呈赤褐、淺黃色,甚至無色。石油的顏色是由它本身所含的膠質(zhì)(一種粘性的半固體物質(zhì))和瀝青質(zhì)(一種暗褐色或黑色的脆性固體物質(zhì))的含量來決定的,這兩種物質(zhì)的含量越高,石油的顏色越深。而石油的顏色越淺,其油質(zhì)越好——透明的原油可以代替汽油,直接加在汽車油箱中。
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由于新開采出來的石油含有較多的膠質(zhì)和瀝青質(zhì),不能充分燃燒且對環(huán)境污染較大,因此不能直接作為產(chǎn)品使用,需要經(jīng)過不同的加工處理。首先需要對石油進(jìn)行蒸餾(分餾),利用分子大小和沸點不同的原理,將石油中的碳?xì)浠衔锓蛛x為不同的蒸餾產(chǎn)物。經(jīng)過常、減壓蒸餾后的產(chǎn)物,將近一半是汽油、柴油等輕質(zhì)油,剩下的便是重質(zhì)油和渣油。如果不進(jìn)行二次再加工的話,就不能完全發(fā)揮其應(yīng)有的作用,只能用作潤滑油、重質(zhì)燃料油和瀝青,大大降低了石油的價值。并且,在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中,我們對重質(zhì)油和渣油的需求量很小。汽油是消耗量最大的產(chǎn)品,隨著內(nèi)燃機(jī)壓縮比的提高,人們對汽油的辛烷值的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)提出了更高的要求。我國的汽油牌號用辛烷值的高低來進(jìn)行劃分,因此辛烷值又俗稱“汽油標(biāo)號”,標(biāo)記為70、80、90或更高。標(biāo)號越大其性能越好,汽油燃燒越充分,提供的動力越充足。隨著時代的發(fā)展,石油煉制工業(yè)迫切要求提高汽油的辛烷值。單純靠蒸餾提取輕質(zhì)油是無法滿足市場對輕質(zhì)油品在數(shù)量和質(zhì)量上的要求的。這種供需矛盾需要煉油工業(yè)進(jìn)一步提高原油的加工深度,獲得更多的輕質(zhì)油并提高其質(zhì)量,這就促使了催化裂化工藝的產(chǎn)生與發(fā)展。
催化裂化(FCC)工藝是將重質(zhì)油輕質(zhì)化的技術(shù),它的產(chǎn)物是液化氣、汽油和柴油。由于其轉(zhuǎn)化率較高,產(chǎn)品質(zhì)量好,近幾十年以來,F(xiàn)CC?工藝技術(shù)有了很大的提升與改進(jìn),運(yùn)用該技術(shù)進(jìn)行重質(zhì)油輕質(zhì)化的生產(chǎn)規(guī)模也得到了擴(kuò)大。催化裂化工藝技術(shù)已經(jīng)成為我國石油煉制工業(yè)當(dāng)中的核心技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益的重要支柱,其工作原理是在催化劑的作用下,將相對分子質(zhì)量較大,沸點較高的烴斷裂為相對分子質(zhì)量較小,沸點較低的烴。

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由于我國大部分原油中渣油含量高而輕質(zhì)油含量低,這就導(dǎo)致我國重質(zhì)原油的產(chǎn)量不斷增長,而隨我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,市場對輕質(zhì)油的需求量又上升很快,這就要求我國的煉油工業(yè)要把更多的重油,特別是渣油進(jìn)行深度加工。作為重油輕質(zhì)化的主要手段之一,重油催化裂化得到了廣泛的重視。渣油中富集了大量硫化物、氮化物、瀝青質(zhì)大分子和金屬化合物,使得催化劑的作用大大降低,而且會加大加工的難度,從而致使渣油的利用率偏低,對環(huán)境也會產(chǎn)生較大污染。渣油加氫裂化是在高溫、高壓和催化劑的條件下,使渣油和氫氣在催化劑的表面進(jìn)行催化反應(yīng),渣油分子中的硫、氮和金屬等有害雜質(zhì),分別與氫和硫化氫發(fā)生反應(yīng),生成硫化氫、氨和金屬硫化物;同時,渣油中部分較大的分子會裂解并加氫,變成分子較小的理想組份。反應(yīng)生成金屬的硫化物會沉積在催化劑上,而硫化氫和氨則可回收利用,不排放到大氣中,不會對環(huán)境造成污染。
加氫精制工藝是在一定的溫度和壓力下,利用催化劑和氫氣使油品中的各類非烴化合物發(fā)生氫解反應(yīng),進(jìn)而從油品中脫除,從而改善油品的使用性能。加氫精制可處理的油品很多,如一次加工或二次加工后得到的汽油、噴氣燃料、柴油等,也可處理催化裂化原料、重油和渣油等。加氫精制還具有產(chǎn)品質(zhì)量好、液體收率高等優(yōu)點。因此,加氫精制已成為煉油廠中廣泛采用的加工技術(shù)。
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催化劑技術(shù)被視為現(xiàn)代煉油工業(yè)的核心,這一技術(shù)簡單地說就是在一定條件下,使石油中的各種成分通過催化劑轉(zhuǎn)化成不同的產(chǎn)品。而現(xiàn)代催化劑技術(shù)可以稱得上是決定了石油化工業(yè)的發(fā)展的關(guān)鍵因素。因此,多年來各國都對催化劑的技術(shù)高度保密。這里值得一提的是,有這么一位科學(xué)家,閔恩澤院士,他是我國煉油催化應(yīng)用科學(xué)的奠基人,被譽(yù)為中國的催化劑之父1936年,美國人率先用催化劑加工石油,從此決定了全世界煉油技術(shù)的發(fā)展方向。而直到50年代,中國仍然完全沒有研制催化劑的能力,當(dāng)時我們煉油所用的催化劑要從前蘇聯(lián)進(jìn)口。到了60年代初期,閔恩澤院士攻克難關(guān),研制出了我國煉油工業(yè)急需的移動床微球硅鋁裂化催化劑、流化床磷酸硅藻土疊合催化劑、鉑重整催化劑等一系列新型煉油催化劑,打破了國外的技術(shù)封鎖,及時保證了我國航空汽油的生產(chǎn)。
根據(jù)所用原料、催化劑和操作條件的不同,催化裂化各產(chǎn)品的產(chǎn)率和組成也會略有不同。大體上,氣體產(chǎn)率為10%?~?20%?,汽油產(chǎn)率為30%?~?50%。由于這種汽油中有較多烯烴、異構(gòu)烷烴和芳烴,所以其辛烷值較高,一般為90左右(RON)。因其所含烯烴中 烯烴較少,且基本不含二烯烴,所以安定性也比較好。并且,這種汽油含低分子烴較多,導(dǎo)致它的10%點和50%點溫度較低,因此它的使用性能也很好。柴油產(chǎn)率不超過40%,因其中含有的芳烴較多,大約有40%?~?50%,所以這種柴油的十六烷值較直餾柴油低得多,只有35左右,常常需要與直餾柴油等調(diào)合后才能作為柴油發(fā)動機(jī)的燃料使用。渣油中含有少量的催化劑細(xì)粉,一般不作產(chǎn)品,可返回提升管反應(yīng)器中進(jìn)行回?zé)?,若?jīng)澄清后除去催化劑,也可以生產(chǎn)部分(3%?~?5%)澄清油,因這類澄清油中含有大量芳烴,因此,它是生產(chǎn)重芳烴和炭黑的好原料。焦炭產(chǎn)率為5%?~?7%左右。由以上產(chǎn)品的產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量情況可以看出,催化裂化過程的主要目的是生產(chǎn)汽油,同時提高柴油的產(chǎn)率。這一獨(dú)特優(yōu)勢為我們?nèi)粘I畹摹?span style="font-family: 宋體;">行提供了充足的保障。

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我國石油現(xiàn)狀
隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人們對石油資源的依賴程度不斷攀升。我國的原油需求量已經(jīng)超過日本,每年60%的原油都需要進(jìn)口。我國的油田比較復(fù)雜,開采的原油中S、N及金屬含量偏高,使得石油的煉制工藝難度加大。經(jīng)過十幾年的發(fā)展,我國石油煉制產(chǎn)能和產(chǎn)量已經(jīng)快速提高,煉油能力超過6億噸/年,煉油總產(chǎn)能僅次于美國,居世界第二位,同時每年還可出口1000萬噸煉油裝置和工藝包。
展望未來
我國約80%的汽油和30%的柴油來自催化裂化,催化裂化是我國運(yùn)輸燃料生產(chǎn)的主要技術(shù)。我國的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)按照歐盟的排放標(biāo)準(zhǔn)制定,因此我國的汽油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本上也參考?xì)W盟的汽油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來制定。2017,我國將全面實行清潔汽油標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定汽油中烯烴含量小于24%,芳烴小于40%,硫的含量小于10?mg?/?L。因此,發(fā)展催化裂化汽油和柴油的清潔化生產(chǎn)技術(shù)以及提高油品質(zhì)量的要求,給FCC工藝和催化劑技術(shù)發(fā)展帶來了新的挑戰(zhàn)。朝著重油裂化和新配方汽油的方向發(fā)展,我國需要繼續(xù)加快FCC新技術(shù)的開發(fā)和建設(shè),發(fā)展加氫處理催化裂化的組合工藝,降低再生煙氣中的粉塵、CO、SO2?和NOx的排放量,以實現(xiàn)清潔生產(chǎn),提高控制和管理水平。催化裂化將在煉油格局中與其他工藝配套,繼續(xù)發(fā)揮其骨干工藝的作用。