劣质重油加工技术的挑战与对策——轻型乘用车电动化对重质油加工的影响

田原宇 乔英云 刘 锋

（1.中国石油大学（华东）重质油国家重点实验室）

（2.山东省高校低碳能源化工重点实验室（山东科技大学） 3.中国石油规划总院）

进入21世纪，世界各国对轻质油品的需求日益增加，对燃料油，尤其是对中、高硫燃料油的需求量日益减少。如何将重质化和劣质化的原油加工成符合国际标准的清洁燃料，提高原油加工深度，增加优质石油产品，成为当前炼油工业的重大技术问题，越来越引起人们的注意。近年来，对页岩油、油砂油、重（稠）油、超重油、深层石油、沥青等非常规劣质重油资源的开发成为热点，超前研究和开发非常规劣质重油的高效加工技术也极为迫切。我国煤炭储量约万亿吨。其中，低阶煤（褐煤和长焰煤）所占比例高达50%，由于含水量高、易自燃易碎、热值低、不利于直接燃烧和运输等，热解提质成为低阶煤利用的重要工艺，也成为今后煤化工投资的热点。热解生产的大量低温煤焦油，硫、氮、氧含量高，富含多环芳烃，碳氢比大，黏度和密度大，机械杂质含量高，易缩合生焦，也属于今后极难加工的重油资源。

据重质油资源特性、车用燃料质量体系和环保要求，合理选择劣质重油高效转化与洁净利用开发方向，超前研究和开发新的劣质重质油高效加工技术，最大限度地从重质油生产社会所急需的清洁燃料和化工原料，成为重质油轻质化亟待解决的难题。

1 车用燃料体系变化对重油轻质化的影响

重油轻质化的主要产品是车用燃料，约占产量90%以上。车用燃料体系、质量标准和需求以及日益严格的环保要求等均与重质油加工技术密切相关，决定着重油轻质化的发展方向。

1.1 机动车尾气排放标准对重油轻质化的影响

燃料型汽车是高度分散的移动污染源，汽车尾气污染是目前全世界关注的热点问题。汽车尾气的污染物多达上百种，主要有一氧化碳、氮氧化物、硫化物、碳氢化合物、细微颗粒物等，多集中在离地面1.2m左右的低层面，正处于人的呼吸带附近，对人体健康危害极大；同时也是造成酸雨、雾霾等灾害的重要原因；另外，排出的碳氢化合物与氮氧化物在强烈日光的作用下极易发生光化学反应，形成毒性很大的光化学烟雾，造成严重的大气污染。

近来颇受关注的PM2.5，能携带大量有毒有害物质，通过支气管进入人体的肺部，甚至融入到血液之中，引发呼吸系统疾病和心血管疾病，造成肺癌死亡率增加，成为危害身体健康的隐形杀手。在所有生成源中，机动车尾气产生的PM2.5吸附极毒性有害物最多，也是最难处理、处理成本最高的PM2.5。

全国2011年轻型汽车排放氮氧化物（NOx）80.7×104t、颗粒物（PM）6.5×104t、碳氢化合物（HC）166.2×104t、一氧化碳（CO）1 621.7×104t。目前，汽车尾气已成为北京等城市空气污染物的主要来源。鉴于汽车排放污染的严重危害，世界各国都在不断地提高机动车尾气排放标准，严格控制污染物的排放。最近国V排放标准拟在北京率先实施，逐步推至全国。车用燃料、发动机性能和车辆的使用状况以及尾气处理是影响机动车尾气污染的主要因素，燃油中的芳烃和烯烃是PM2.5主要生成源。尽管无法从根本上杜绝机动车排放尾气的污染，为了降低机动车尾气对大气污染的贡献，各国对车用燃油中硫、芳烃和烯烃含量的要求也逐步严格起来。美国柴油标准要求硫含量（质量分数）不大于0.05%，芳烃含量（体积分数）不大于20%，十六烷值不低于40；而瑞典Ⅰ级柴油标准要求硫含量（质量分数）不大于0.001%，芳烃含量（体积分数）不大于5%；日本1996年汽油标准要求硫含量（质量分数）不大于100μg／g，芳烃含量（体积分数）降到35%～45%［1］。

目前，中国最严的北京地区汽柴油标准——“京Ⅴ”燃油标准，要求硫含量指标限值由50mg／kg降低为10mg／kg；车用汽油的锰质量浓度指标限值由0.006g／L降低为0.002g／L。2013年1月6日全国在已发布第四阶段车用汽油标准（硫含量（质量分数）不大于50×10－6）的基础上，由国家质检总局、国家标准委尽快发布第四阶段车用柴油标准（硫含量（质量分数）不大于50×10－6），过渡期至2014年底；2013年6月底前发布第五阶段车用柴油标准（硫含量（质量分数）不大于10×10－6），2013年底前发布第五阶段车用汽油标准（硫含量（质量分数）不大于10×10－6），过渡期均至2017年底。

低硫低芳烃和低烯烃化已成为车用燃油标准的发展趋势，然而随着车用燃油标准越来越高，重油轻质化加工成本指数式上升，甚至现有加工工艺难以达到要求或带来燃油其他车用性能指标的急剧恶化，如低硫带来的车用燃油润滑性恶化，因此需要重新评价和优化现有重油加工技术，开发新的重油清洁加工工艺，满足车用燃油标准的提升。

1.2 轻型乘用车电动化对重油轻质化的影响

国内的城市交通道路规划、建设和管理水平亟待提高，大中小城市机动车拥堵成为不争的事实。由于交通拥堵和道路系统不合理，使汽车处于频繁的加、减、怠速状态，运行工况恶劣，这种条件必然导致汽车尾气排放的大幅度增加。如在怠速状态下，排放的废气是正常行驶状态下的5倍至10倍，从而加剧了汽车尾气的污染。

电动汽车能量转换效率远高于内燃机机动车，停止时不消耗电量，在制动过程中电动机可自动转化为发电机，实现制动减速时能量的再利用，更加适宜于城市运行状况。同时电动汽车本身不产生尾气和噪声污染，尤其PM2.5，将难以处理的高度分散移动污染源转换为易于处理的集中固定污染源。即使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫和微粒外，其他污染物也显著减少。由于电厂大多建于远离人口密集的城市，对人类伤害相对较小，而且电厂是固定不动和集中地排放，清除各种有害排放物相对容易，并且目前也已有相关成熟技术。

电动汽车充电的电力可以由煤炭、天然气、水力、核能、太阳能、风力、潮汐等能源转化，可有效地减少对石油资源的依赖，将有限的石油用于更重要的石油化工领域。而且电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电，避开用电高峰，有利于电网均衡负荷，减少了电力浪费。目前中国每天的峰谷电差有近10×108kWh，大多白白浪费掉，然而这些峰谷电差可以满足4 000×104辆电动汽车充电。同时发展轻型乘用车电动化有助于消除我国与发达国家汽车发动机的差距，实现我国在汽车动力装置领域弯道超车。

改变汽车的动力装置是解决汽车尾气污染最根本和最终的途径，要实现城市汽车尾气中有害成分的零排放，只有电动汽车才能做到。从能源和环境保护来看，电动汽车是未来轻乘车的发展方向，也使电动汽车的研究和应用成为当前汽车工业的一个“热点”。为了解决城市大气污染，世界各国政府不论从低成本治理城市大气污染的角度还是节能的角度，都必将建立和完善电动车的使用和电力配给体系，鼓励和推动轻型乘用车电动化。预计在不到十年的时间内，随着轻型乘用车电动化进程的加快和实现，车用汽油消费量将呈现指数式下降趋势。目前，以汽油为主的重油轻质化加工技术需要重新评价和优化，研发新的重油清洁加工工艺，满足轻乘车电动化的发展趋势。

1.3 车用燃料需求变化对重油轻质化的影响

与同排量的汽油发动机相比，柴油机可实现节油30%、减少CO2排放25%，动力却可以提升50%，特别是大功率重型柴油发动机转速和气缸燃烧温度较低，零部件磨损小，寿命长，内燃机柴油化已成为世界各国汽车发展的共同趋势。2008年前，全世界中间馏分油需求年增长率为2.1%，而同期汽油需求年增长率为1.8%，喷气燃料和煤油需求年增长率为1.9%。据有关专家预测，未来20年内，在欧洲柴油的需求量将增加50%，同期汽油仅增加10%，而在亚太地区柴油需求的增长也比其他油品快，柴油总需求将超过汽油。

近十年以来，中国经济以两位数的速度高速增长，交通运输、农业和渔业等行业的快速发展带动了柴油消费量逐年增加。“十二五”期间，工业化和城镇化建设将拉动工矿、基建、交通、物流用油的增长，预计柴油总体需求将保持7%～8%的增长速度。另外，中国航空运输持续快速增长，成为全球航空运输发展的亮点。中国航空运输量目前以每年8%左右的速度增长，并且随着国家开放低空通航，各种飞行器产业将方兴未艾，各种通用飞行器的拥有量将呈现“井涌”现象，随之而来的是高质量航空煤油消费量将成指数式上升趋势。因此，未来我国的液体燃料体系将从以车用汽油为主逐步过渡到以煤油和柴油为主，重油轻质化目标产品也将由车用汽油转为煤油和柴油，对现有重油轻质化加工技术需要重新评价和优化，研发新的重油清洁加工工艺，满足液体燃料体系调整的发展趋势。

2 劣质重油加工技术开发方向

根据重质油资源特性、目的产品的种类、收率和质量，产品价格、经济性和环保要求、装置投资以及工艺的环保性，评价和分析重质油高效转化与洁净利用技术，认为如下重油高效加工技术将成为下一步劣质重油轻质化技术开发的重要方向和热点。

2.1 重油流态化热解工艺

相对于重油催化裂化和加氢裂化，延迟焦化工艺能够处理残炭和金属含量很高的劣质重油，具有处理量大、灵活性强、脱碳效率高、投资和操作费用相对较低的优点，成为目前劣质重油加工的主要工艺。但由于延迟焦化工艺不能连续化操作、高附加值的轻质油收率较低、低值焦炭产率高和出路难、加热炉管结焦、挥发分泄露造成环境污染等，近年来可连续操作、原料适应性广、易于大型化的重油流态化热解工艺越来越受到人们的重视。

重油流态化热解工艺主要是由流化床反应器和燃烧器组成，为了快速冷却热解油气往往还需采用一个产品洗涤塔。通过环绕于反应器不同高度上的系列喷嘴，将重质原料 （原料或原料／循环油混合物）喷射到流化的热载体颗粒上，反应器操作温度在480～550℃之间，反应器底部引入蒸汽用作汽提和流化，热解焦炭沉积在床层热载体颗粒上。热载体在反应器与燃烧器之间循环，传送热量和维持物料平衡。轻质油品从洗涤器进入到传统的分馏器和回收设备。重油流态化热解的液体产品收率高于延迟焦化12～18个百分点，焦炭收率（按实际生焦量计）却低于延迟焦化的50%左右；连续性生产操作，避免了延迟焦化的切换循环造成处理量周期性波动以及焦炭塔定期打开存在的弹丸焦等潜在安全问题；降低了延迟焦化除焦过程所带来的环境污染和高操作费用。

重油流态化热解工艺主要有流化焦化、Engelhard公司开发的沥青残渣或渣油热载体处理法（ART工艺）、洛阳石化工程公司开发的HCC工艺和ROP工艺、中国石油大学（华东）（UPC）的重油热喷动床裂解制球形焦工艺和下行循环流化床热解工艺等［2］。其中，流化焦化和重油热喷动床裂解制球形焦工艺是以热焦粉作为热载体；ART工艺、HCC工艺、ROP工艺和下行循环流化床热解工艺是以多孔结构的非催化剂颗粒作为热载体。目前，含碳热载体的合理回收利用途径成为制约重油流态化热解工艺工业化推广使用的瓶颈［3－4］。

2.2 重质油流态化热解气化耦合工艺

重质油流态化热解气化耦合工艺是把重油流态化热解工艺与含碳热载体气化相结合的重油加工工艺，在保证较高的液体收率、连续操作、能处理延迟焦化难以处理的劣质原料、易于大型化等优点的同时，副产大量氢气，为热解液体的二次清洁加工提供了廉价的氢源。该工艺使99%的劣质重油转化为气体和液体产品、含原料约4%的硫和99%的金属，经过处理可回收焦中的金属。重质油流态化热解气化耦合工艺主要有灵活焦化、流化热裂化（FTC）工艺、以铁矿石粉为热载体的渣油流化热转化（KKI和HOT）工艺、中国石油大学（华东）的双管重质油流态化热解气化耦合工艺等。这些工艺技术从不同侧面力图用较经济的办法来解决渣油轻质化中因原料中的重金属、沥青质、硫、氮等带来的一系列问题，值得进一步深入研究、论证后加以应用［2、5］。

2.3 重质油高温短接触催化裂化工艺

重油催化裂化（RFCC）对原料要求较高，不适宜加工高硫高氮高杂质原料，但FCC是二次加工重油转化和生产丙烯的主要装置，是炼厂提高渣油转化率和轻油收率的重要手段。在催化裂化中，高温便于重油汽化，短的剂油接触时间可以防止二次反应，可提高轻质油收率，降低产焦率。为此，国内外研究者均在开发高温短接触时间的催化裂化工艺，如CEPOC公司和UOP公司共同开发已工业化的MSCC工艺、日本石油（NipponOil）公司已工业中试的HS－FCC工艺、清华大学研发的下行催化裂化提升管两段再生和气固并流折叠式快速流化床反应的渣油催化裂化工艺、中石化石油化工科学研究院研发的顶部强化混合的下行式重油催化裂化工艺等［6］。目前，工业化应用的瓶颈在于下行床反应器如何实现入口气固快速混合和高效均匀接触。中国石油大学（华东）通过特殊设计的矩形下行反应器结构已解决了下行床反应器入口气固快速混合和高效均匀接触的难题，成功地将下行反应和脉冲提升管再生技术耦合应用于生物质快速热解制油工艺，目前运行的工业示范装置为20×104t／a生物质［7］。

2.4 重质油悬浮床加氢裂解工艺

加氢裂化是重质油在加热、高氢压和催化剂存在的条件下发生加氢、裂化和异构化反应，转化为轻质油（汽油、煤油、柴油或催化裂化、裂解制烯烃的原料）的加工过程，常用于处理含硫等杂质和含芳烃较多的原料，如渣油、二次加工的重质馏分油、煤焦油或页岩油等；能够以生产高质量煤油和柴油为主，具有轻质油收率高的突出特点。由于目前常用的固定床反应器工艺催化剂气液固接触面积小、难以更换等制约了重油加氢裂化工艺的普及。利用流态化技术开发的重质油沸腾床加氢裂化和悬浮床加氢裂化工艺，可以处理金属含量和残炭值较高的原料（如减压渣油），并可使重油深度转化，尤其是重质油悬浮床加氢裂化工艺催化剂细粉化和三相并流，大大提高了催化转化效率，适应于非常劣质的原料，是下一步重质油高效转化、应对车用燃料体系变化的重点发展方向。中国石油大学（华东）对重质油悬浮床加氢技术开发做了大量基础工作，并进行了工业中试［8］。目前，高效匹配的悬浮床加氢裂化反应器成为制约该工艺工业化推广的瓶颈。

2.5 煤柴油加氢饱和裂解工艺

目前，轻质油加氢精制是汽煤柴油在氢压和催化剂存在下，使油品中的硫、氧、氮等有害杂质转变为相应的硫化氢、水、氨而除去，并使烯烃和二烯烃加氢饱和、芳烃部分加氢饱和，以改善油品的质量。煤油中的芳烃组分加氢饱和能够大大提高热安定性，柴油中的芳烃组分加氢饱和裂解能够大大提高十六烷值，从源头上降低PM2.5的生成，因此随着车用燃料体系由车用汽油为主逐步过渡到以煤油和柴油的运输燃料为主、煤油和柴油低硫低芳烃化，煤柴油加氢饱和裂解工艺将成为下一步轻质油精制的重点研究方向。中石化石油化工科学研究院在柴油加氢饱和裂解方面做了大量基础研究工作，开发了多个组合工艺，实现了柴油的低硫低芳烃化和高十六烷值。由于沸腾床和悬浮床加氢工艺具有高的催化加氢效率，下一步煤柴油溶氢沸腾床和悬浮床加氢饱和裂解工艺可能是下一步轻质油精制开发的重点。

3 结语

通过从机动车尾气排放标准、车用燃料体系结构、质量标准和需求以及轻型乘用车电动化等多方面探讨，提出重油轻质化的目标产品将从以车用汽油为主逐步过渡到以煤油和柴油的运输燃料为主、煤油和柴油低硫低芳烃化的发展趋势，并分析了劣质重油加工技术开发方向，着重指出流态化热解工艺、流态化热解气化耦合工艺、高温短接触催化裂化工艺、重油溶氢悬浮床加氢裂解工艺和煤柴油加氢饱和裂解工艺等将是今后劣质重油轻质化技术开发的重要方向和热点。

［1］田原宇，贾生盛.新配方汽油对重油加工的影响［J］.石油与天然气化工，2001，30（6）：290－292.

［2］程之光.重油加工［M］.北京：中国石化出版社，1994.

［3］安晓熙，田原宇，冯娜.重油热加工技术的研究进展［J］.化工文摘，2008（3）：55－58.

［4］盖希坤，田原宇，夏道宏，等.重油催化裂解技术研究进展［J］.化工进展，2011，30（6）：1219－1223.

［5］田原宇.重油固相热载体循环裂解和气化工艺：中国，03102552.8［P］.2003.02.12.

［6］董群，张钢强，李金玲.短停留时间裂化工艺研究进展［J］.化学工程，2010，38（12）：97－102.

［7］田原宇，梁鹏，盖希坤.自混合下行循环流化床生物质快速热解制燃料油［C］.2009全国可再生能源—生物质能利用技术研讨会论文集，2009.4.

［8］李庶峰，沐宝权，文萍，等.油溶性分散型催化剂在重油加氢裂化中的应用［J］.石油炼制与化工，2004，35（9）：22－24.