加氢裂化技术的现状与发展趋势

刘立军，张 成，卜 岩，马艳秋

（中国石油化工股份有限公司 抚顺石油化工研究院，辽宁 抚顺 113001）

加氢裂化技术的现状与发展趋势

刘立军，张 成，卜 岩，马艳秋

（中国石油化工股份有限公司 抚顺石油化工研究院，辽宁 抚顺 113001）

加氢裂化是将劣质馏分油轻质化以生产清洁燃料油品的主要技术。从工艺和催化剂两方面对常规原料油以及渣油的加氢裂化技术现状和发展趋势做了简要评述。

加氢裂化；工艺；催化剂

加氢裂化是将劣质馏分油轻质化以生产清洁燃料油品的主要技术。随着有关运输燃料环境法规的日益严格，加氢裂化技术将成为炼厂满足新产品法规的重要手段之一。加氢裂化装置的操作苛刻度（即温度、氢分压、LHSV、催化剂类型等）将根据原料油的组成和性质进行选择。某些原料（石蜡族的）可能因难于裂解而需要较高的操作温度，而有些原料（芳族的）则可能因具有高的结焦倾向而需要特殊的催化剂配方。近几年来，炼油商一直希望通过加工较重原料油（包括HVGO和渣油）来提高加氢裂化装置的赢利水平，但随之而来的负面影响是氢耗高、产品收率低、运转周期短。

为此，工艺设计者与催化剂生产商都在积极开发低成本和高能效的加氢裂化技术以及改造方案来满足全球炼油行业的需求。截止至2010年1月，全球加氢裂化加工能力已达到540万桶/d，约占原油加工能力的6.2%，主要用于馏分油和渣油改质以及润滑油生产。目前全球正在开发和建设中的加氢裂化项目共有98项，如果全部按期完工，在未来的3到5年全球加氢裂化能力将增加300万桶/d以上[1]。中国的加氢裂化能力自2004 年以来迅速扩张，2004年以前，中国只有27万桶/d加氢裂化能力，至2011 年初已突破100万桶/d，见图1[2]。加氢裂化装置通常是炼厂最大的氢气消耗源，氢气成本占加氢裂化装置操作费用的80%以上。据CONCAWE预测，2020年前加氢裂化装置和制氢装置的生产能力都将增长，见表1[3]。

图1 中国加氢裂化能力的变迁Fig. 1 Changes of hydrocracking capacity in China

表1 2020年前现有和新建加氢裂化和制氢装置生产能力Table 1 Capacities of existing and new hydrocracking and hydrogen plant before 2020

1 常规原料油加氢裂化

从全球油品市场来看，柴油需求呈现出长期增长态势，预计到2020年时将达到26.25 MM桶/d。为了增产柴油，高压加氢裂化是一种不错的选择，但中压加氢裂化更具成本优势，而低压加氢裂化则需增加后处理装置，导致操作费用和投资成本增加。还有一种方案是在现有FCCU上游安装缓和加氢裂化装置以维持装置满负荷运转。计划新建的非FCC型炼油厂则很明确地面向柴油生产，重油和VGO都送入加氢裂化装置。另外，目前工业上已有将LCO改质为可用作柴油调和组分的加氢裂化技术。其中，UOP公司提供的LCO Unicracking工艺采用的是高压单段一次通过配置，中间馏分油产品可作为ULSD调和组分，石脑油产品可作为超低硫汽油（ULSG）调和组分(表2)。CLG公司最近推出了Selective Staging和Selective Staging/Reverse Staging工艺技术，用于加工沸点极高的HVGO以及其他难加工的原料油（如HCGO），生产高质量的喷气燃料和柴油产品。Selective Staging/Reverse Staging工艺配置也可在最小化氢耗的同时生产合适的FCC原料。

表2 国外主要工业化加氢裂化技术供应商提供的工艺配置Table 2 Process configurations of main hydroracking technologies at home and abroad

工艺技术许可商也提供在较低苛刻度下（如较低的压力、温度和氢耗）操作的加氢裂化装置设计。例如，Chevron公司提供的高转化率ISOFLEX方案：原料油首先在第1段加氢裂化反应器中进行深度HDN；之后在热H2汽提塔反应器中进行加氢处理和芳烃饱和；最后在第二段反应器中进一步加氢裂化。与传统的单段循环加氢裂化工艺相比，该方案可在较低的压力、反应温度和氢耗下获得相同甚至更高的的馏分油收率。最近许多公司已转向采用两段循环（TSR）加氢裂化配置，与传统的单段循环配置相比：TSR配置的选择性和反应性较高；TSR反应器与另一个较小的反应器串联可以提高可靠性和原料灵活性；高的单床层反应器以及并联的双反应器也在某些方面优于传统的加氢裂化反应器，但二者氢耗均增加。表2将国外主要的工业化加氢裂化技术按具体的配置分类进行了总结。国内自主开发的主要有石油化工科学研究院的RMC、RHC、RDW和RIW等，抚顺石油化工研究院的FDC、FMD1、FMD2、FMC1、FMC2和FMN等，还有其他大量采用专利催化剂或非专利催化剂的工程化加氢裂化技术。

在过去的两年里，加氢裂化工艺技术的研发工作集中在能够最大化生产某些产品（如中间馏分油和/或石脑油）的一般工艺及技术设计上。一些普通的加氢裂化工艺革新包括：一种利用液相连续反应区的加氢裂化方案，能够以较小的反应器容积获得较高的单程转化率；一种新型的吸附工艺，能够提高进入加氢裂化装置的HVGO质量；蒸汽转化工艺与加氢裂化工艺相结合，能够将煤油、石脑油和LPG的混合物转化为含有氢气的合成气供应给加氢裂化过程；一种能够防止连多硫酸对加氢裂化装置的换热器管造成应力腐蚀的方法；一种能够调整加氢处理装置苛刻度以提高ULSG辛烷值和ULSD质量的加氢处理/加氢裂化工艺；能够优化重质石脑油选择性和收率的加氢裂化工艺和催化剂。

当今的加氢裂化催化剂行业极具竞争性和复杂性，因为它不再满足于简单的设计一种能够提高收率的催化剂，炼厂商希望的是能够同时实现较高的收率、较长的催化剂寿命和较低的氢耗。节省氢耗可明显减少能源消耗。而氢耗和能耗的降低还可减少CO2排放，这对于全球正在开始强制实行减少CO2排放的法规来说具有重要意义。全球主要的加氢裂化催化剂供应商有Axens、CLG、Criterion、JGC、Sinopec和UOP等。

以酸裂解为主的高活性加氢裂化催化剂的开发提高了加氢装置的操作灵活性。这种裂解能力是无定形硅铝或强酸性沸石（USY或β）载体所固有的，两种类型的载体可组合使用。催化剂生产商还在试图将更宽范围的原料送入加氢裂化装置。当前加氢的一个趋势是处理重质含硫原料油，加工这种原料油存在的最大问题是催化剂失活导致运转周期极短。在某些情况下，催化剂的寿命会因此而降至仅1年。当开发重质含硫原料油加氢裂化催化剂时，需着重考虑孔结构、原料油组成以及目标转化率。与此同时，许多炼油商在试图将LCO用于ULSD生产，这类装置的原料通常重金属含量较高。目前用于加氢裂化装置中LCO改质的催化剂已能够生产出硫含量为5 μg/g或更低的柴油，且十六烷值提高15个百分点。Criterion公司最近推出了TX Trilobe型加氢裂化催化剂，该催化剂能够提供较高的床层空隙率，从而降低压降，允许操作在较高的剂油比和氢分压下进行，有利于ULSD的生产。催化剂的替代改进也是加氢裂化技术公司的一个工作重点，某加拿大炼油商开发了一种从以前的贵金属催化剂体系向非贵金属体系转化的方案，其优势是可在维持运转周期和产品收率的同时加工更多的重质原料，据估计这种转换每年可为炼厂节省500万美元以上的开支。

2 渣油加氢裂化

渣油加氢裂化在未来数十年内会持续增长，因为全球许多地区储有大量的这种非常规超重原油资源。渣油加氢裂化技术将在改质这些原料为高价值产品方面扮演重要角色。鉴于巨大的重油储量以及柴油和HSFO（高硫燃料油）间质量和价格差距的加大，炼厂商将越来越青睐于选择渣油加氢裂化技术。为了有效地加工这类原料油，必须考虑操作条件、催化剂结构以及反应器设计等问题。随着油砂沥青成为炼厂原料油的新宠，渣油加氢裂化技术与脱除杂质的加氢处理技术以及其他可选的改质方案将共同获得密切关注。渣油加氢裂化工艺可用于提供合适的FCC原料（用于汽油生产）以及高质量的超低硫柴油[4]。

渣油加氢裂化工艺通常采用以氧化铝为载体，活性金属为Co、Mo和/或Ni的催化剂。该过程是在高温和氢气存在条件下除去原料油中的金属、氮和硫，并饱和PNA环。已工业化的渣油加氢裂化工艺采用固定床或沸腾床反应器。固定床反应器会由于金属和焦炭在催化剂上沉积而导致运转周期缩短，仅适合低金属含量的原料油。而沸腾床反应器因为可随时加入新鲜催化剂和排出废催化剂，允许加工高金属含量的原料油。目前Axen、CLG和缺点是在高转化率下渣油稳定性降低，从而限制了可获得的最高转化率水平。而近来燃料油市场的紧缩使得这两种技术的低转化率问题更为突出。因此，采用悬浮床的新渣油加氢裂化技术的开发已成为近来研发工作重点。悬浮床加氢裂化采用一种高度分散且未老化的催化剂以及一种新型等温反应器，可使原料油几乎全部（>98%）转化为馏分油。但悬浮床加氢裂化工艺目前还未实现工业化，BP/KBR（VCC技术）、Eni（EST技术）、PDVSA（HDHPLUS技术）和UOP（Uniflex技术）公司都在开发悬浮床加氢裂化技术。Eni公司目前正在其位于意大利Pavia的Sannazzaro炼厂建造一套2.3万桶/d的EST装置，预计于2012年4季度开工。PDVSA公司也在其某炼厂内进行HDHPLUS装置的建设[5]。

近两年渣油加氢裂化研发工作的一个主要方向即是悬浮床加氢裂化。有几篇专利涉及了将悬浮床加氢裂化与其他加工装置（如焦化和溶剂脱沥青装置）联合来提高中间馏分油收率。这种悬浮床加氢裂化与焦化相结合的配置还可省去一个VDU，即省去了最易结焦设备的部件之一。也有人从事能够改善渣油改质效果的工艺模拟软件（基于连续集总动力学模型）的研究。

3 结 论

随着柴油需求持续增长以及环境法规变得更加严格，炼厂商将愈加依赖加氢装置来生产高质量、高价值产品。传统的加氢裂化技术目前以加工具有极高沸点的复杂原料油（如HCGO）为主，目的是生产高质量的中间馏分油。技术开发商的主要研究领域将是渣油加氢裂化。传统原料油的加氢裂化在提高催化剂选择性、最大化中间馏分油收率以及提高氢气使用/能源效率方面仍有发展空间。

[1] Worldwide refinery processing review [J]. 2010(3): 204.

[2] 钱伯章. 中国炼油工业的过去、现在与未来分析[J]. 润滑油与燃料，2011, 21(105): 28-31.

[3] Worldwide refinery processing review [J]. 2010(3): 11.

[4] Shiflett, W. K. A user’s guide to the chemistry, kinetics and basic reactor engineering of hydroprocessing: In AICHE Spring National Meeting[C].March 2002.

[5] Advanced hydrotreating and hydrocracking technologies to produce ultra-clean middle distillates[J]. Hydrocarbon Publishing Company, 2004，20(6)：4-7．

Status Quo and Development Trend of Hydrocracking Technologies

LIU Li-jun，ZHANG Cheng，BU Yan，MA Yan-qiu
(Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals, Liaoning Fushun 113001，China）

Hydroracking technology has played an important role in producing clean fuels from poor quality distillates. In this paper, status quo and development trend of distillate and residue hydrocracking technologies were summarized from the aspect of catalyst and process.

Hydocraking; Process; Catalyst

TE 624

A

1671-0460（2011）12-1252-03

2011-11-09

刘立军（1980-），女，辽宁抚顺人，工程师，硕士，2001年毕业于辽宁石油化工大学化工工艺专业，研究方向：从事情报调研工作。E-mail：liulijun.fshy@sinopec.com。