聚焦技术创新推动柴油质量升级

正如李大东院士所说，国家和市场的需求就是科研人员创新的方向。

石科院项目攻关团队在讨论加氢催化剂制备。权奕 摄

柴油是重要的交通燃料，但其成分中的硫和多环芳烃燃烧形成的颗粒物是雾霾产生的重要原因。1999年，我国开启油品质量升级之路，对柴油中硫和多环芳烃含量提出严格限制。2015年至2019年，柴油质量标准从国4升级到国6，低硫低芳烃柴油的生产要求导致工业加氢装置运转周期大幅缩短，严重影响企业效益，使炼油行业面临严峻挑战。

正如李大东院士所说，国家和市场的需求就是科研人员创新的方向。早在2010年，中国石化石油化工科学研究院副院长聂红及其团队就认识到，柴油质量快速持续升级是炼油领域的重大研究方向。团队充分利用石科院加氢技术深厚基础，提出通过加氢催化剂和加氢工艺创新实现清洁柴油生产的整体解决方案，最终形成活性相定向构建及复杂反应分级强化的柴油高效清洁化关键技术，有效延长装置运转周期，实现低成本、高效率生产低硫低芳烃清洁柴油。该项目于2020年1月10日获得2019年度国家技术发明奖二等奖。

突破高性能催化剂技术瓶颈

活性相定向构建及复杂反应分级强化的柴油高效清洁化关键技术，解决了柴油加氢工业装置难以长周期高效兼顾超深度脱硫和多环芳烃深度饱和的难题，实现了柴油清洁化过程的低成本、高效率、长周期运行。

加氢催化剂的性能是生产清洁柴油的关键。如何在反应中同时保证催化剂的高活性和高稳定性？团队通过反复试验发现，加氢催化剂活性的提高来自两种活性金属协调作用，这一认识构成了实现高性能催化剂突破的基础。在研发过程中，团队从荷兰引进国内首套具有16根反应管的柴油加氢脱硫高通量评价装置，大大提高了催化剂活性评价效率。有了这件新式武器，大家不分昼夜、加班加点，加快研发速度。

在众人的不懈努力下，团队发明了定向控制金属前驱物结构的活性相构建技术，实现两种活性金属原子级别的结合，提升了双活性金属组分之间的协同作用，使催化剂活性大幅提高。

然而，催化剂长周期活性评价数据显示，新研制催化剂的稳定性未达到预定目标。是在原有基础上调整催化剂配方，还是从催化剂材料和基础研究开始重新探索？面对两难抉择，团队经过慎重考虑决定选择后者。

团队从催化剂孔结构、积炭、金属分散度、活性相尺寸等多方面进行研究，并采用新型催化材料和多种创新制备工艺进行试验，挖掘数百种催化剂和数千组分析表征数据，发明了活性金属高分散及锚定的活性相稳定技术，最终形成具有稳定的小尺寸活性相的新型催化剂，可有效实现催化剂活性及稳定性同时提升的目标。

基于高性能活性相构建及稳定技术，团队研发出RS-2100和RS-2200加氢催化剂，性能明显优于国内外同类催化剂，可以满足国6柴油标准对硫和多环芳烃含量的要求。

分级调控工艺融合脱硫和脱芳

早在项目启动之初，团队便认识到，超深度脱硫和多环芳烃饱和是一对矛盾：超深度脱硫需要高温，而多环芳烃饱和从热力学平衡而言需要较低的反应温度，在工业装置中两者难以兼顾。高性能催化剂虽能提高加氢反应速率，但无法完全解决热力学平衡限制问题。

团队从柴油加氢脱硫过程中多种竞争反应入手，研究发现氮化物是影响脱硫效率的关键。对于柴油脱氮，已有多种技术手段，但在现有装置上实施要付出一定的成本代价。找到最经济的方式脱除氮化物，成为团队又一个攻关目标。

团队成员结合数据深入分析，打破常规工艺中反应温度逐渐升高的模式，采用高低温分级调控策略，定向强化目标反应。他们将反应器的前部反应温度提高，优先脱除氮化物，后部反应温度降低，同时实现超深度脱硫和多环芳烃深度饱和。依据此思路发明的定向强化目标反应物的温度分级调控工艺，有效解决了工业装置长周期高效运行兼顾超深度脱硫和多环芳烃深度饱和的难题。

打赢催化剂工业放大战役

由于新型加氢催化剂采用了全新的制备技术和流程，在工业放大过程中遇到诸多困难。为确保催化剂质量和生产进度，团队成员长期驻守在催化剂厂生产一线。

进行第一次工业放大试验时正值盛夏，七八月的南方高温潮湿，生产现场温度达40摄氏度以上。团队成员在高温反应釜旁一盯就是几个小时，生产厂房如同蒸笼一般让人汗如雨下。

评价数据显示，放大催化剂比定型剂活性低5摄氏度，虽然与预定值（±3摄氏度）相差不大，但出于对高标准的坚持，聂红认为还需要进一步完善。她结合自己在催化剂生产方面积累的经验，组织团队成员多次讨论，梳理了整个制备流程，终于找到根本原因。原来，催化剂生产设备的处理温度不利于高性能活性相前驱物的形成。团队立刻奔赴催化剂厂，与技术人员共同探讨制备工艺。

在第二次工业放大试验过程中，团队成员与现场技术人员时刻紧盯现场，从设备、操作环境、生产工艺和条件等各方面入手，严格把关每一道程序和步骤。试验数据表明，第二次放大催化剂比定型剂性能略优，大家忐忑不安的心才终于落地。

迎难而上实现工业应用

工业装置成功实施是一项技术的生命力所在。北京燕山分公司、九江分公司等企业承担了包括催化剂和工艺的工业应用试验。面对劣质柴油比例高、工艺条件较差的应用环境，同时还要满足工业装置长周期稳定运转需求，工业试验的难度可想而知。

这时，团队中出现了不同的声音，有人希望先停下来，等遇到性质更好的原料、工艺条件更合适的装置再进行工业试验。关键时刻，聂红鼓励大家：“难度大意味着成功后技术的适应性更强，可推广程度更高，我们要相信自己的技术。”李大东院士提出，要关注并解决高温区催化剂的稳定性问题。

采用石科院柴油清洁化技术及催化剂的中国石化九江分公司120万吨/年柴油加氢装置。圆形示意图中为装填在反应器中的RS-2100催化剂。张乐 供图

吃下了定心丸，团队思想更加解放。他们通过中型试验装置反复研究，在缺乏工业数据的情形下，制定出两反应区温度控制方案，在实验室采用劣质原料获得了国6标准柴油。工业装置开工期间，团队成员24小时不间断在现场进行技术指导，及时调整优化方案，顺利实现了装置一次开车成功和长周期稳定运行。九江分公司副总经理陈齐全在为“十三五”国家重点研发计划项目中期检查的专家介绍发明技术应用时说：“通过石科院的技术进步，直接实现了我们加氢装置生产产品从国3到国6的升级。”

截止目前，该项目已广泛应用于国内外30余套次工业装置，总加工能力约5000万吨/年，为炼油企业带来显著经济效益。同时，推动了我国石油炼制行业柴油质量持续升级的技术进步，对减少我国柴油污染物排放、改善环境质量发挥了重大作用。