中國自主研發(fā)的沸騰床技術(shù)繞開了國外工藝必須使用循環(huán)泵的死穴，采用微球催化劑提升催化劑流化性能，用簡單、可靠的反應(yīng)器實現(xiàn)了完全沸騰床渣油加氫過程，實現(xiàn)渣油的變廢為寶。

    渣油，又稱為“桶底油”，是石油中最難以利用的重質(zhì)組分，不但硫含量極高（2~4%以上），金屬含量更是高達(dá)200ppm以上（主要為鎳和釩）。渣油通常只能作為瀝青或煉制焦炭使用，經(jīng)濟(jì)價值極低，因而往往是石油工業(yè)的雞肋。

    為了降低石油煉制過程的污染，提高煉油利潤，將渣油加氫轉(zhuǎn)化為汽柴油等經(jīng)濟(jì)油品是最佳的生產(chǎn)路線。中國經(jīng)過數(shù)十年的研發(fā)，終于突破國外技術(shù)壟斷，開辟全新的技術(shù)路線，利用專利技術(shù)反應(yīng)器和催化劑實現(xiàn)了渣油自循環(huán)沸騰床加氫技術(shù)，使低成本渣油清潔轉(zhuǎn)化成為了可能。

1、石油被精煉后，剩下的就是桶底油

    目前世界能源的核心“硬通貨”仍然是石油資源，占據(jù)了世界能源消耗的33%以上。根據(jù)BP公司（British Petroleum，英國石油公司）在2017年報告中的分析數(shù)據(jù)，目前世界探明石油儲量已連續(xù)多年上漲，相比20年前增長了1.5倍之多（達(dá)到1.7×1012桶），徹底宣告了石油峰值理論的破產(chǎn)。

    石油被稱為黑色黃金，其價值不言而喻，從中分離得到的各種組分的產(chǎn)品更是人類整個工業(yè)體系的核心。從天然氣到汽柴油，從汽車輪胎到LEGO玩具塑料，無不是由石油及其制品獲得。因此，充分利用石油中的每個組分，是符合當(dāng)下社會環(huán)保、節(jié)約理念的最佳生產(chǎn)方式。石油被開采出之后，必須經(jīng)過精煉才可以被利用，以滿足不同用途的特殊要求。通過沸程的差異可以將石油劃分為石腦油、汽柴油、航空煤油、重質(zhì)蠟油和減壓渣油等組分；通過進(jìn)一步的重整、加氫精制、催化裂化、加氫裂化、烷基化等單元裝置的處理，這些餾分油被精煉成了我們熟知的聚乙烯、塑料、汽油、柴油、煤油、潤滑油等產(chǎn)品。

    煉油廠中普遍采用焦化（Coker）對渣油進(jìn)行處理，通過富集碳原子，讓渣油變成焦炭，同時將部分渣油轉(zhuǎn)化為輕質(zhì)的汽柴油和液化石油氣，使又臟又稠的渣油得到了一定程度的利用。

    然而，隨著環(huán)保問題的日益嚴(yán)峻，中國已經(jīng)頒布了最新的瀝青、石油焦、船用燃料油標(biāo)準(zhǔn)，其中嚴(yán)格限制了這幾種產(chǎn)品中的硫和金屬含量。焦化過程的原理決定了其生產(chǎn)過程不能脫除任何雜質(zhì)，因而其生產(chǎn)的石油焦都是不滿足市場規(guī)范的，完全無法銷售。

    在越來越嚴(yán)格的環(huán)保要求和油價劇烈波動的市場環(huán)境下，煉油廠面臨著兩難的境地，如果不處理渣油，那么將減少一大塊的汽柴油產(chǎn)出；如果處理渣油，不但產(chǎn)出的瀝青、石油焦無法銷售，甚至都不能用于船用燃料油。沙特的煉油廠就出現(xiàn)過用大面積的廠區(qū)囤積無法銷售的高硫石油焦的情況，當(dāng)沙塵暴襲來，焦炭粉末混著沙子飛向沙漠的場景實在是令人恐懼。

2、桶底油又臟又稠，處理是個難題

    加氫工藝需要在高溫高壓下進(jìn)行（60~150大氣壓，200~450℃），對于汽柴油、航空煤油等油品，只要將催化劑堆積在反應(yīng)器內(nèi)，讓原料油與氫氣一同流過反應(yīng)器并與催化劑接觸，就能實現(xiàn)加氫反應(yīng)過程。這種催化劑堆積在反應(yīng)器內(nèi)不移動的形式，被稱為“固定床”反應(yīng)器。

    所以，固定床反應(yīng)器想要應(yīng)對渣油加氫工藝，要么選擇加入蠟油、柴油稀釋，要么頻繁停工更換催化劑，利潤非常低。當(dāng)然，我們也可以準(zhǔn)備多個反應(yīng)器，隨時進(jìn)行切換保證連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，一個反應(yīng)器堵塞了馬上換到另一個反應(yīng)器。但是，這種方法工程限制較多，僅切換管路的切斷閥就需要耐住150大氣壓的壓力差和400℃的高溫，光這樣的一個閥門的價格就可以高達(dá)6000萬人民幣。

3、沸騰床工藝讓桶底油變廢為寶

    從上面的介紹中可以看出，催化劑固定不動是固定床反應(yīng)器的癥結(jié)所在。機(jī)智的石油工程師想到讓催化劑動起來，也就是所謂的流化床反應(yīng)器。

    20世紀(jì)50年代開始，美國就研發(fā)了應(yīng)用于渣油加氫過程的流化床反應(yīng)器。由于加氫反應(yīng)過程需要通入大量的氫氣，在反應(yīng)器內(nèi)形成大量氣泡，這個過程非常像燒開水的沸騰狀態(tài)，因此將這種反應(yīng)器起名為沸騰床反應(yīng)器。

    經(jīng)過多年發(fā)展和完善，目前渣油沸騰床加氫工藝形成了兩家寡頭壟斷的市場，分別為法國石油研究院Axens公司的H-Oil工藝和美國謝夫隆-魯姆斯國際合資的CLG公司的LC-Fining工藝。這兩家的工藝可謂同源同宗，幾乎沒有差異，都采用0.8~0.9mm的條形催化劑，通過循環(huán)泵抽出反應(yīng)器內(nèi)的液體并打回反應(yīng)器內(nèi)，實現(xiàn)內(nèi)部流動的提速。

    通過完全移動的催化劑，完美解決了處理重質(zhì)渣油、瀝青過程中的各種限制，讓渣油轉(zhuǎn)化過程做到了高效、連續(xù)，即使在油價持續(xù)低迷的今天，也可保證渣油加氫處理過程獲得極高的利潤率。

    這項技術(shù)應(yīng)用60余年來，Axens公司和CLG公司已累計設(shè)計了38套沸騰床裝置，且裝置處理量越來越大，工藝越來越復(fù)雜，渣油轉(zhuǎn)化越來越深。最新在建的煉油廠中，H-Oil渣油加氫技術(shù)的處理量甚至達(dá)到了530萬噸/年，每年消耗催化劑將達(dá)到3000噸以上。

4、國外長期壟斷工藝，一臺設(shè)備要花2個億

    如此完美的沸騰床技術(shù)也存在自身的阿喀琉斯之踵。剛才提到過，高溫高壓極端工況下閥門的造價都已突破天際，而反應(yīng)器中的循環(huán)泵也不是省油的燈。這個循環(huán)泵不斷將400度高溫、150~180大氣壓的渣油和氫氣抽出并增壓返回，同時必須保證連續(xù)工作3年直到停工檢修，中間不能有故障，而且還要保證生產(chǎn)過程的平穩(wěn)進(jìn)行。要實現(xiàn)這樣的性能，H-Oil和LC-Fining工藝中的循環(huán)泵滿身都是黑科技，據(jù)說可能用到了航天發(fā)動機(jī)材料技術(shù)。要知道，航空發(fā)動機(jī)每運(yùn)行幾百小時后都要大修一次，而這臺泵要保證全年8000小時全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，連續(xù)工作3~4年以上，直到煉油廠檢修才能停工。這樣的泵自然是價格不菲，一臺的單價高達(dá)2億人民幣。

    此外，這個循環(huán)泵還需要搭配一整套控制手段，才能保持在各種氣液流速下，催化劑料面始終處于循環(huán)杯之下，既保證流化狀態(tài)、又不會帶出反應(yīng)器。

    循環(huán)泵的限制，加之國外技術(shù)的壟斷和專利設(shè)備的漫天要價，讓沸騰床渣油加氫工藝的成本居高不下。

5、為了擺脫循環(huán)泵的困擾，中國從催化劑做文章

    中國制造目前正處于發(fā)展的黃金時期，所有領(lǐng)域都爭當(dāng)?shù)谝?，在渣油加氫領(lǐng)域也不例外。中國每年加工近6億噸石油，其中渣油含量達(dá)到了1.3~1.6億噸。以70~80%的轉(zhuǎn)化率計，這部分渣油至少能產(chǎn)出5000~8000萬噸輕油，頂?shù)蒙?~4個2000萬噸大型煉油廠的年加工量！

    既然是全新開發(fā)的技術(shù)，當(dāng)然可以避免走許多的彎路。首當(dāng)其沖的，就是如何去掉麻煩的循環(huán)泵。從源頭分析可以發(fā)現(xiàn)，循環(huán)泵的存在必要性是維持催化劑流化。那么如果讓催化劑變得易于流化，是否可以免去循環(huán)泵的困擾？沿著這個思路，中國開發(fā)出新型的球形催化劑，并降低催化劑直徑，達(dá)到500μm，使催化劑的流化性能提高了4~8倍。通過優(yōu)化催化劑生產(chǎn)過程，控制球形催化劑生產(chǎn)成本與條形相當(dāng)，中國解決了催化劑對沸騰床反應(yīng)器的限制。

    中國的石油煉制能力走在世界前沿，并逐漸甩開了歐美。與軍工行業(yè)崛起不同的是，民用的化工領(lǐng)域受到專利制約，國外先進(jìn)技術(shù)不但不能模仿學(xué)習(xí)，甚至不能出現(xiàn)應(yīng)用重疊區(qū)域。

    中國這次開辟的全新技術(shù)路線，無疑是國內(nèi)煉油技術(shù)發(fā)展歷程的一個標(biāo)桿，這意味著中國也有能力開發(fā)出一套完全原創(chuàng)、自主研發(fā)的高科技技術(shù)。未來以中石化STRONG沸騰床技術(shù)為技術(shù)平臺，國內(nèi)多家煉油廠將充分利用重質(zhì)油、渣油、瀝青資源，實現(xiàn)渣油真正的變廢為寶。

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