張偉 蔣宗軒

中科院大連化物所

石油與“行”
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“行”是密切相關(guān)的。

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。
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。

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)。
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。

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年，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。