石油炼制工业中加氢技术和加氢催化剂的发展现状

曹亚军(克拉玛依市先进能源技术创新有限公司，新疆 克拉玛依 834000)

0 引言

在社会经济发展和人们生活水平质量提升的背景下，社会范围内对各类资源、能源的需求量增多，石油资源是世界发展中的重要战略能源，从类别上来看，市场上的石油划分为重质、轻质两个类型。当前，市场中常用的石油是轻质石油，而轻质石油是通过加氢催化技术加工形成的，在加氢催化技术的作用下能够有效降低重质油品中的碳元素、氢元素。与此同时，将加氢催化剂引入到重质石油低碳、低氢化加工中能够进一步提升石油炼制的提纯效果。文章结合我国石油炼制发展实际情况，就加氢催化技术、加氢催化剂在石油炼制轻质化发展中的应用问题进行探究。

1 催化加氢反应和催化加氢剂

1.1 催化加氢

催化加氢是指氢气环境下对石油馏分进行加工处理的统称，具体包含加氢处理和加氢裂化两个方面的内容。

加氢处理是指在加氢反应中仅仅存在不超过10%比例的原料油分子变小加氢技术。通过加氢处理能够去除油品中的硫元素、氢元素以及一些金属杂质，实现烯烃、二烯烃、芳烃物质的选择加氢饱和，最终将重质石油物质转变为轻质石油产品[1]。

加氢裂化主要是指在加氢反应操作的过程中，原材料油分子中有10%比例以上的变小加氢技术形式。加氢裂化实施操作的目的是将一些大分子裂化形成多个小分子，经过这样一系列变化来有效提升轻质油的收率，去除油品中的杂质。加氢裂化操作具有饱和程度高、加工油品杂质含量较少的优势特点[2]。

1.2 催化加氢反应

催化加氢反应包含两个类型的变化，一个是去除氧气、硫元素、氮气、金属元素的杂质含量，另外一个是烃类加氢反应。两个变化同时存在于催化加氢反应的全过程中。

催化加氢反应操作是在催化剂的利用中将氢分子生成活泼的氢原子，被催化剂削弱的元素会加快反应，特别是加快烯的加成，降低活化能。第一，加氢处理反应。油气产品蒸馏中的硫化物包含硫醇、硫醚、二硫化合物等物质，在加氢的作用下会出现氢解反应，最终生成烃和H2S，具体反应如下：

石油分馏中的金属包含镍元素、钙元素、铁元素等，这些金属元素多存在于重质馏分中，特别是在渣油中广泛分布。在对这些石油金属元素炼制处理的时候如果使用了催化剂，反应剧烈，因此就需要采取措施处理渣油中的金属元素，加氢脱金属反应[3]如下所示：

第二，烃类加氢反应。烃类加氢反应会牵扯到两个反应，一个是氢气直接参与化学反应，包含加氢裂化和不饱和状态下的加氢饱和反应，这类反应会消耗比较多的氢气 。另外一种是在临氢环境下的化学反应，常见的是异构化反应，这类反应会产生氢气，但是在反应期间不会消耗氢气。

1.3 加氢催化剂

加氢催化剂的性能深受其结构构成的影响，按照加氢反应关注点的不同可以将加氢催化剂划分为加氢饱和、加氢脱硫、加氢脱氮、加氢脱金属等。加强催化剂的构成包含三个部分，即主要催化剂、辅助催化剂、载体。主要催化剂会为加氢反应提供活性和选择性，辅助催化剂会根据实际情况改变主催化剂的使用活性、选择性和稳定性，载体则是为反应发生提供适合的比表面积和适当的机械设备[4]。

1.3.1 加氢处理催化剂

加氢处理构成中常用的加氢活性组分包含铂元素、镍元素、钴元素等要素组合形成的硫化混合物。在不同反应状态下这些元素的活跃度是不同的。在加氢饱和状态下，Pt、Pd元素的饱和度最高，W-Co元素的饱和度最低；在加氢脱硫状态下，Mo-Co元素的饱和度最高，W-Co元素的饱和度最低；在加氢脱氮状态下W-Ni元素的饱和度最高，W-Co元素的饱和度最低。在具体实施操作的时候为了保证金属组分能够以硫化物的状态存在，需要计算出最低H2S和H2分压之间的比值，并保障反应能够在这个最低比值的范围内，因为如果超过或者低于这个比值，催化剂的活性就会降低[5]。

1.3.2 加氢裂化催化剂

加氢裂化催化剂是一种具有双重功能的催化剂，催化剂具备加氢功能、金属组分和裂化功能，按照原料加工和产品生产的要求，在反应的时候需要对两组组分的功能进行适当的选择和匹配。

在加氢裂化催化剂中，加氢组分存在的意义是实现原料油中芳烃的饱和，促使烯烃快速加氢饱和，减少加氢催化剂上面的不饱和分子。在加氢催化剂中，裂化组分存在的意义是促进C-C链的断裂和异构反应。在反应中常用的裂化组分是固体酸载体，固体酸载体的作用和催化裂化催化剂的反应十分相似，不管是裂化过程中的氮化合物，还是反应过程中生成的氨气，都具备一定的毒性。在碱性氮化合物、氨气吸附在加氢催化剂上面的时候，固体酸载体的酸性中心会被中和，最终加氢催化剂的活性会减少。为此，在加氢氮气中含有较高比例原料油的情况下，需要对原油料中没有被定型处理的加氢裂化催化剂予以预加氢脱氮处理。

1.4 加氢裂化催化工艺

基于原料属性的不同，加氢裂化处理要着重做好两个工作：一个是对馏分油产品的加氢处理，具体牵扯到汽油、柴油、煤油的原材料处理和加氢处理；另外一个是对渣油的加氢处理。在具体实施的时候会划分为一段加氢和两段加氢，其中，一段法是将原料油、氢气、循环油混合在一起，之后导入到反应器中，借助反应器中的粒状催化剂实现对反应物的气液分离，之后借助分馏塔度液体进行蒸馏处理。两段加氢裂化会使用到两级反应器，一级反应器是加氢精制段，目的是去除原料油中的氮化物、硫化物。二级反应器是加氢裂化段，在一个或者多个反应器的作用下实现对反应物的分离处理，最终区分出重质油品和轻质油品[6]。

2 加氢裂化催化剂的使用情况分析

加氢裂化是在高温度、高氢分压、适当催化剂反应条件下，重质油在经过氢解、加氢饱和、加氢裂化、综合等反应后转变为较高附加值的高质量产品。现代油品的加工生产有九成以上是催化的过程，也就是说石油化工加工都需要得到催化剂的支持。

在催化剂的作用下能够促进石油化工产品的加工速率，并在加工的过程中保障加工质量，减少加工损失。加氢裂化催化剂一般由加氢组分和酸性组分组成，酸性组分和加氢组分按照一定的比例配置之后会实现加氢、裂化的平衡，最终提升油品加工速率。

在现代科学技术的发展支持下，现阶段社会油品加工过程中所使用的催化剂多是分子筛催化剂，且分子筛催化剂是会随着催化裂化原料使用、工艺变化的变化而变化。在重质石油轻质化处理的过程中通过使用适合的催化剂能够确保加工后的油气产品满足社会发展对油气产品的需要。

3 石油炼制工业中加氢技术和加氢催化剂应用实例分析

3.1 汽油选择性加氢脱硫催化剂的开发

社会的进步发展使得人们对清洁性能良好的硫汽油产品需求增多，在催化裂化汽油选择加氢脱硫工作中对脱硫率的要求也从之前的80%～90%比例提升到95%～98%比例。中国石化石油化工科学研究院为了能够研发出催化裂化汽油，开始在油品生产中使用选择性加氢脱硫技术，即根据催化裂化汽油硫、烯烃的分布特点，针对不同原料和产品来选择适合的分馏点来对全馏分汽油进行切割处理。

在金属和载体形成强弱结合力的时候，金属和载体作用力从强到弱发展转变，在实施焙烧处理之后会形成一定数量的CoMoO4和MoO3物质，这两类物质的HDS反应活性和选择性较差。通过对不同载体上负载CoMo催化剂硫化态的活性相貌结构以及对HDS、HYD选择性因子Tt影响的深入研究打造出了负载型CoMo催化剂上的选择性加氢脱硫活性模型。CoMoO4和MoO3物种会形成较低HDS活性，CoMoS相片晶 的角位会促进HYD反应的形成，在同样的反应温度环境下，HDS/HYD选择性因子Tt和活性相片晶 的棱角会呈现出正比的关系。在研究基础上开发出来的第二代催化裂化汽油选择性加氢脱硫催化剂RSD-2X系列，和第一系列的催化裂化汽油选择性加氢脱硫催化剂相比，在同样脱硫率的情况下，烯烃的饱和率能够降低40%左右的比例，在更深脱硫深度的影响下仍然能够保留汽油的辛烷值[7]。

3.2 柴油超深度加氢脱硫技术RTS的开发

在环境保护条例要求的日益严格下，运输燃料的规格也开始变得更加严格。特别是对于柴油来说，其中的硫元素含量日益减少，如何在保证日常硫元素使用期间降低柴油产品的硫含量成为相关人员需要思考和解决的问题。为了能够生产出常规加氢精制工艺，加快生产超低硫柴油，可以采取以下操作措施：第一，在石油炼制加工的时候更换高性能加氢脱硫催化剂，新型催化剂的脱硫活性至少要比之前提升三倍到五倍。第二，借助现有的催化剂来提升柴油加工的反应温度。在柴油加工反应温度提升到一定之后，所生产出来的油品硫元素含量就会降低，这个时候还会出现台阶现象，产品的颜色逐渐加深。常规意义上加氢精制工艺在不同反应温度环境下超深度脱硫效果如表1所示。根据表1的信息我们总结发现，虽然在温度提升的情况下能够实现超深度脱硫处理，但是在这个期间产品质量和产品活性、产品稳定性会遭受到比较大的影响。

表1 加氢精制工艺在不同反应温度环境下超深度脱硫效果

3.3 渣油加氢—催化裂化双向组合技术(RICP)

渣油加氢脱硫装置在运作的时候以轻质的渣油来作为基本原材料，在对轻质渣油加氢处理之后来为下游重油催化裂化装置提供原材料支持，促进轻质油品的生产。在渣油加氢脱硫装置的作用下能够促进渣油加氢液体渣油的完全转换，且全过程的生产加工不会产生污染，是对清洁生产的一种重要实践。在使用渣油加氢—催化裂化双向组合技术的时候相关人员需要着重做好以下工作:第一，实现对催化剂的有效利用。渣油加氢催化剂能否有效利用的一个重要影响因素是渣油的分析数量和颗粒大小，为此，在利用渣油加氢催化剂的时候需要采取措施提升催化剂的扩散通道，加快分子的扩散速率。第二，降低渣油的黏度。通过降低渣油的黏度能够提高渣油在催化剂孔内的扩散系数。一般情况下，为了能够降低渣油的黏度，需要使用提升反应温度或者添加低黏度轻油的方式来解决。在渣油加氢处理上，高芳香性催化裂化回炼油的加入能够降低渣油原料黏度，提升高渣油体系的相溶性，最终改善原料油的扩散性能，加快渣油加氢裂化反应。中国石化石油化工科学研究院在深入分析渣油加氢裂化化学反应过程以及常规意义上加氢渣油重质油轻质化处理组合工艺不足的基础上，提出了渣油加氢重油催化裂化双向组合技术，在装置回炼操作中将重循环油调整处理，之后输送到渣油加氢装置原材料罐中。

3.4 重油悬浮床加氢及纳米级催化剂

纳米颗粒大小可以通过人工的方式进行控制，受其表面积小、颗粒内部不同、表面原子配位不全等因素的影响，其表面的活性会增加。伴随粒径的减少，其表面光滑度会降低，由此形成凹凸不平的原子台阶，增大了化学反应的接触面。将其和加氢裂化催化剂融合在一起能够增加化学反应的接触面，借助纳米微粒的高比表面积和高活性能够提升催化效率，并在具体反应的过程中能够提升反应效果，更为精准地控制反应速度，促进各项反应的进行。在石油化工领域使用纳米催化材料还能够提升反应器的效率，改善产品的结构，提升产品附加值、产率和质量。

4 加氢裂化催化剂的未来应用趋势

4.1 加氢裂化催化剂的创新制作

理想的加氢裂化催化剂制作技术能够更好地发挥出加氢催化剂的应用作用，节省加氢催化剂的生产加工成本。为了能够更好地发挥出加氢催化剂的应用作用，相关人员需要根据重质油转变轻质油的加工需要，来实现对加氢催化剂的创新研发。通过简化加氢催化剂的生产加工过程来打造出一条自动化的生产线，最终有效提升催化剂的生产效率。

在加氢裂化催化剂生产加工的过程中为了能够在最大限度上获取利润，石油炼油厂需要积极使用加氢裂化装置来对重质化原材料油进行处理，并使得原本设定的设备能够在空转的条件下始终保持正常的运作状态。

4.2 优化加氢裂化催化剂

加氢裂化催化剂对环境具有较强的适应性，能够根据石油炼制工业发展需要来进行加氢裂化施工方案的设计。在社会范围内对轻质石油产品需求日益扩大的背景下，加氢裂化催化剂的推广使用将成为当前社会石油产品生产加工的重要趋势。在加氢裂化催化剂的作用下能够通过绿色清洁技术来减少油气产品精加工对环境的损耗，提高轻质产品的质量。

在现代社会科学技术的支持下，未来油气产品生产加工中加氢裂化催化剂的应用发展趋势表现如下：第一，受加氢裂化催化剂加工材料重质化、轻质化发展的影响，所加工形成的硫元素化合物一般会含有比较多硫元素和氮元素。在加氢裂化催化剂深入发展的过程中需要相关人员思考如何提升产品抗高硫性和高氮性。第二，伴随社会的深入发展，社会主义市场经济环境下人们对油气产品的需求结构也会发生变化，突出表现为柴油中的中馏分油需求增多，基于这样的要求，在推广加氢裂化装置的过程中需要积极开发多产中间馏分油加氢裂化催化剂。第三，在研究加氢裂化催化剂的过程中需要相关人员关注微孔分子的筛选和研发，通过一系列的创新性研发生产，确保新型加氢催化剂显示出良好的活性和稳定性。在加氢裂化催化剂加工生产的过程中要注重实现微孔分子筛和介孔分子筛在孔隙结构上的互补性。

4.3 高、中油型加氢裂化催化剂的生产研发

加氢裂化催化剂的创新型研发核心是提升加氢裂化催化剂的性能。基于这样的发展目标，作为油气资源的研究者和生产者，在平时的工作中需要严格按照社会发展对油气资源的需求来进行加氢催化剂的研发生产，根据社会发展需要特别是要加大对高、中油型加氢催化剂的生产。同时，基于国际市场对喷漆、清洁柴油过高的需求量，油气资源在利用的时候很容易面临产能过剩的局面，为了能够积极应对这个局面，在油气资源开发利用和加氢裂化剂生产中要严格贯彻落实国家的供给侧改革方案，实现对油气企业资源结构的调整。

4.4 积极研发新型加氢裂化催化剂

针对石油炼制工业发展所面临的各个问题，需要相关人员借助先进的技术形式研发新型加氢裂化催化剂。基于重质石油产品轻质化处理的重难点委托，在研发新型加氢裂化催化剂的时候要注重合理利用和加工转化环烷芳烃，即通过对催化剂反应工艺技术的开发，来实现环烷芳烃选择性加氢饱和和选择性开裂化的顺利耦合，并在重质石油轻质化炼化的工程中使用先进的技术形式对一系列的反应工艺进行控制。同时，在轻质化石油生产加工的时候，还需要相关人员能够实现对多环芳烃选择性加氢饱和技术的深入探究，将分子炼油的思想理念真正贯彻到重质油品轻质化加工生产中。

5 结语

综上所述，石油资源的日益紧缺使得人们开始思考如何使用先进的技术来实现对重质石油的轻质化处理，加氢催化技术和加氢催化剂在重质石油轻质化处理中的应用是当前石油炼制工业发展的一种必然。在未来，相信在新型催化裂化技术、催化剂以及焦化工艺的支持下，低能耗、低污染、高质量的油气产品会越来越多，从而在减少油气消耗的同时最大限度上发挥出油气资源对社会发展的重要作用。