21世紀(jì)重質(zhì)原油加工工藝的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1中國石油工業(yè)面臨巨大風(fēng)險(xiǎn)21世紀(jì)，中國的石油和天然氣工業(yè)面臨著發(fā)展和風(fēng)險(xiǎn)并存的局面。不斷增長的油品需求以及為石油化工提供原料的需求將決定中國煉油工業(yè)在新世紀(jì)內(nèi)有一定的發(fā)展速度,但是受石油資源等因素的限制也決定了中國煉油工業(yè)將同時(shí)面臨巨大風(fēng)險(xiǎn)。假如說,20世紀(jì)80、90年代中國煉油工業(yè)在含硫原油加工方面有重大突破的話,那么21世紀(jì)中國煉油工業(yè)的重要發(fā)展方向之一就是要大力發(fā)展重質(zhì)(超重質(zhì))原油的加工,這是規(guī)避石油資源風(fēng)險(xiǎn)的一個(gè)重要措施。按原油密度(15.6℃)分類,輕、重質(zhì)原油的分類標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。2資源因素決定了21世紀(jì)石油和天然氣工業(yè)中重質(zhì)原油的重要性2.1中國石油資源我國的國產(chǎn)原油一般偏重2.2加工后的原油21世紀(jì)世界石油產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)是:①油價(jià)處于相對較高的位置。大部分預(yù)測認(rèn)為,正常情況下今后油價(jià)將在45~65美元/bbl范圍內(nèi)波動,甚至更高,不可能再回到過去20~30美元/bbl甚至更低的低油價(jià)水平。②原油質(zhì)量繼續(xù)變差、變壞。具體表現(xiàn)為原油密度越來越大,殘?zhí)亢土蚝吭絹碓礁?有些原油還含有大量金屬,有的含有大量有機(jī)酸。表2是歐佩克產(chǎn)油國剩余原油產(chǎn)能和質(zhì)量情況。由表2可見,主要產(chǎn)油國如沙特、科威特等可增加供應(yīng)的原油大部分屬于中、重質(zhì)含硫原油(32°API,含硫2%)。圖1是美國煉廠1986~2010年加工原油的密度和硫含量的變化情況,在這期間美國煉廠加工的原油質(zhì)量明顯變差、變重。③非常規(guī)石油(如各種稠油、油砂瀝青等)產(chǎn)量的比例將越來越高。由于原油價(jià)格持續(xù)走高,一些開采成本高的油田和非常規(guī)石油的開采比例將會增加。如加拿大油砂瀝青,地質(zhì)儲量為16300×103世紀(jì)重質(zhì)原油的市場加工重質(zhì)原油已經(jīng)成為世界煉油工業(yè)的一個(gè)重要方向。20世紀(jì)90年代,美國用了近10年時(shí)間通過進(jìn)口原油多元化,增加拉美、加拿大重質(zhì)原油的加工,減少中東原油進(jìn)口,來達(dá)到原油結(jié)構(gòu)多元化的戰(zhàn)略目的。由于拉美、加拿大等國的高硫重質(zhì)原油價(jià)格較低,而且價(jià)格穩(wěn)定,所以加工高硫重質(zhì)原油具有更好的經(jīng)濟(jì)效益,是美國規(guī)避石油資源風(fēng)險(xiǎn)的一項(xiàng)重要而且很有效的措施(見表3)。表4是美國煉廠所加工的幾種拉丁美洲重質(zhì)原油簡單評價(jià)。這些重質(zhì)原油我國煉廠目前基本上都沒有加工過。普氏(Plalls)亞洲總編輯DavidEmsberger先生在“2005上海能源論壇(第一財(cái)經(jīng))”的一段講話充分說明了21世紀(jì)重質(zhì)原油加工對于中國煉油工業(yè)的重要性。他指出:“輕質(zhì)原油是美國的核心利益所在,中國大量進(jìn)口輕質(zhì)原油會招致美國出于戰(zhàn)略利益的打壓和出于經(jīng)濟(jì)利益的競爭。加大重質(zhì)原油的利用可以為中國不斷增長的能源需求找到新的空間。如果美國和中國改造煉油設(shè)備而更多地使用重質(zhì)原油,國際油價(jià)將可能重新回到15~25美元/bbl。目前,全球生產(chǎn)原油的70%是高硫重質(zhì)原油,市場高硫重質(zhì)原油的代表是迪拜原油。一般,迪拜高硫重質(zhì)原油比輕質(zhì)的西得克薩斯原油(WTI)價(jià)格低5~6美元/bbl,但油價(jià)頂峰時(shí),兩者可差18美元/bbl。而且高硫重質(zhì)原油價(jià)格波動相對較小。如2004年9~10月,WTI從40美元/bbl漲到55美元/bbl以上,布倫特原油從37美元/bbl漲到51美元/bbl,但迪拜原油一直徘徊在37~38美元/bbl之間。中國如果進(jìn)入市場波動較小的高硫原油市場,可以減少過于依賴輕質(zhì)原油所帶來的市場風(fēng)險(xiǎn)?！彼ㄗh在21世紀(jì)中國要擴(kuò)大高硫重質(zhì)原油的加工量,以避免和美國爭奪輕質(zhì)原油資源。圖2是2000~2005年國際市場原油現(xiàn)貨價(jià)格走勢。圖3是2004年迪拜原油和布倫特原油價(jià)格走勢。表5是1998~2004年迪拜原油和布倫特原油的價(jià)格對比,2004年兩種原油全年的平均價(jià)差為4.57美元/bbl。一個(gè)1000×10DavidEmsberger的思路和美國上世紀(jì)末實(shí)施進(jìn)口原油多元化策略調(diào)整的做法是一致的。2006年美國總統(tǒng)布什的國情咨文再一次重申了這個(gè)觀點(diǎn),在未來20~30年內(nèi)美國要大幅度地降低從中東進(jìn)口石油的數(shù)量。4重油加工的核心問題是重油加工技術(shù)4.1重油加工過程中含氫量大,脫碳處理技術(shù)有待完善重油加工的目的是渣油輕質(zhì)化,通過重油加工將重質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為有廣泛用途的各種清潔油品和化工原料?，F(xiàn)代重油加工是一個(gè)系統(tǒng)工程,涉及許多煉油工藝直接加氫過程包括加氫減黏、催化脫硫、催化脫氮、脫金屬、加氫裂化、加氫裂解等,Khan和Patmore歸納了58種渣油改質(zhì)工藝各種不同的渣油加工工藝有不同的渣油轉(zhuǎn)化率范圍,采用不同的操作溫度和操作壓力范圍,適用于不同性質(zhì)的原料。從碳、氫平衡角度分析重油加工過程,渣油輕質(zhì)化所得到的輕質(zhì)餾分油的含氫量均大于其原料——減壓渣油,見表6。輕質(zhì)油的氫含量與氫碳比顯著高于重質(zhì)油。所以如用脫碳輕質(zhì)化工藝時(shí),由于并無外加氫的引入,必須將原料中所含氫進(jìn)行重新分配,即在生成氫碳比大于原料的輕質(zhì)油時(shí),必然生成氫碳比小于原料的重質(zhì)產(chǎn)物,如焦炭等。焦化脫碳過程生成的輕質(zhì)液體產(chǎn)物產(chǎn)率約為原料的65%,對所生成的輕質(zhì)液體產(chǎn)物一般需要進(jìn)行補(bǔ)充加氫精制,以將其中的烯烴飽和和脫除少量的含硫、含氮化合物,其氫耗量在0.9%左右。渣油加氫工藝則完全依靠外加的氫來提高全部產(chǎn)物的氫碳比,目前這類外加的氫也是通過烴類脫碳而制得。從煉油總流程分析,重油加工全過程中脫碳和加氫兩個(gè)工藝是相互配合使用的。毋庸置疑,采用渣油加氫及后續(xù)的精制過程相結(jié)合,可將重油完全轉(zhuǎn)化為汽油、柴油餾分,全廠的液收率較高,油品質(zhì)量達(dá)到清潔油品規(guī)格的要求。但如果原油資源的劣質(zhì)化趨向不斷加劇(主要是原油的重金屬和瀝青質(zhì)含量過高),同時(shí)仍使用價(jià)格較高的由烴類重整制氫法所得的氫氣,則渣油加氫的發(fā)展速度仍無法與重油催化裂化和延遲焦化等脫碳過程相比,迄今在世界范圍內(nèi)全部通過加氫方法處理重油的煉廠不是很多。表7是1999年世界渣油加工能力和構(gòu)成,至20世紀(jì)末,世界渣油加工能力中渣油加氫能力不足1/5,其中固定床渣油加氫能力又占其中的絕大部分,為1.2151×104.2重油催化裂化工藝已開發(fā)成功的每一種重油加工工藝都有一定的適用范圍,都有它的優(yōu)勢和弱點(diǎn)。在具體選擇重油加工工藝時(shí),必須根據(jù)不同的具體情況來分析、研究決定,絕對地比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)沒有太大實(shí)際意義。主要應(yīng)考慮原油資源情況、產(chǎn)品質(zhì)量及環(huán)保要求和投資等因素,對于加工劣質(zhì)原油比例較髙的國家(地區(qū)),如美國、加拿大、拉美國家和中國等,煉油加工能力中焦化工藝占較大的比例;對于環(huán)境保護(hù)有較高要求和低硫燃料油使用量較大的國家(地區(qū)),如日本,渣油加氫能力所占比例相對大一些。焦化、渣油流化床催化裂化(RFCC)和渣油加氫是3種主要的工業(yè)化渣油升級改質(zhì)工藝。雖然,延遲焦化是最老的工藝,但是該工藝在過去10多年間的進(jìn)展,使它在轉(zhuǎn)化最重的高硫和高金屬含量渣油工藝中保持著技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢,固定床渣油加氫工藝一般不適宜用于金屬(Ni+V)含量大于160~200!g/g的原料。當(dāng)然,許多研究和開發(fā)成果正在改善RFCC工藝和渣油加氫催化劑,以及裝置的設(shè)計(jì),使其擴(kuò)大原料的應(yīng)用范圍。目前可采用的其他渣油加工工藝還包括溶劑抽提或脫瀝青和渣油氣化等。如果采用重油加工組合工藝,還可以使煉廠的經(jīng)濟(jì)性得到更大的改進(jìn)。由于我國主要國產(chǎn)原油的性質(zhì)比較適合進(jìn)行重油催化裂化工藝,因而20世紀(jì)此項(xiàng)重油加工技術(shù)發(fā)展極為迅速,目前催化裂化工藝提供的汽油已占國內(nèi)所需汽油總量的80%,無疑是我國重油加工中舉足輕重的核心工藝。但是,催化裂化工藝目前遇到了環(huán)保對汽油提出的越來越嚴(yán)格的要求和市場對柴汽比的要求等一系列問題此外原料的重質(zhì)化和劣質(zhì)化趨勢也是必須面對的實(shí)際問題。由于鎳、釩等重金屬能使催化劑中毒,殘?zhí)恐颠^高會使催化劑上的積炭量過多,因而重油催化裂化工藝對原料一般要求其殘?zhí)恐挡桓哂?%,鎳和釩的含量均不高于10μg/g。由于不少重質(zhì)原油和進(jìn)口原油的減壓渣油的殘?zhí)恐岛椭亟饘俸烤^高,所以重油催化裂化工藝面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在20世紀(jì)90年代,我國重油催化裂化和延遲焦化這兩條重油脫碳工藝路線是平行發(fā)展的,這種情況從圖4中可以清楚地看到。預(yù)計(jì)21世紀(jì)這兩種工藝還將發(fā)揮各自的優(yōu)勢并駕齊驅(qū)地協(xié)調(diào)發(fā)展,隨著世界原油品質(zhì)的更為劣質(zhì)化,焦化工藝有著更廣闊的發(fā)展前景4.3必要性以及自我方面在諸多重油加工工藝中,焦化工藝能持續(xù)經(jīng)久不衰,說明其客觀上具有存在的必要性以及不斷發(fā)展的推動力。據(jù)報(bào)道,至2003年底全世界共有100多個(gè)煉廠配有延遲焦化裝置,延遲焦化的總加工能力達(dá)2.6541×10我國自1963年第一套30×10延遲焦化工藝在我國迅速發(fā)展的原因如下:白砂糖含量高,殘?zhí)慷嗲耙咽黾?國產(chǎn)和進(jìn)口原油中有一部分是屬于金屬含量和殘?zhí)恐岛芨叩牧淤|(zhì)原料。如新疆塔河重質(zhì)原油常壓渣油的金屬含量高達(dá)416μg/g(其中鎳含量51μg/g,釩含量365μg/g),殘?zhí)恐禐?9.8%;沙特重質(zhì)原油減壓渣油的金屬含量高達(dá)275g(其中鎳含量68μg/g,釩含量207μg/g),殘?zhí)恐禐?.2%。這些重質(zhì)原料不僅不宜用催化裂化工藝加工,而且也難以進(jìn)行加氫處理。由于焦化是單純的熱轉(zhuǎn)化過程,不存在催化劑污染中毒等問題,所以是這一類原油輕質(zhì)化的最佳途徑。技術(shù)成熟，投資低典型的延遲焦化裝置包括焦化、分餾、出焦和輔助系統(tǒng)等4部分,技術(shù)均已日臻成熟,國產(chǎn)單系列焦化裝置能力已達(dá)到國際水平的100×10加氫焦化石腦油我國乙烯工業(yè)正處于高速發(fā)展時(shí)期,乙烯原料的主要發(fā)展趨勢是輕質(zhì)化。我國國產(chǎn)原油較重,直餾石腦油收率很低,在二次加工石腦油中,只有加氫焦化石腦油是一種很好的乙烯原料。延遲焦化裝置可得到13%~18%富含烷烴的焦化石腦油,由于辛烷值很低,不宜作為汽油調(diào)合組分。但是經(jīng)加氫后焦化石腦油的BMCI值在10左右,是很好的乙烯裂解原料。加氫焦化石腦油的典型乙烯單程收率可達(dá)28.8%。目前國內(nèi)已有許多乙烯裝置成功地使用加氫焦化石腦油作為裂解原料。多產(chǎn)柴油為主的中間餾分市場對柴油的需求與日俱增,迫切要求提高煉廠的柴汽比。焦化工藝的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是多產(chǎn)柴油為主的中間餾分(見表9)。延遲焦化的柴油餾分產(chǎn)率約為汽油餾分產(chǎn)率的2倍,而且焦化柴油餾分中烷烴含量較高,加氫焦化柴油的十六烷值較高。含硫原油的高硫焦的出路延遲焦化過程的焦炭產(chǎn)率一般在25%~30%,低硫的石油焦經(jīng)煅燒處理后可作為制鋁電極焦或針狀焦原料。當(dāng)加工含硫原油時(shí),所產(chǎn)石油焦的硫含量往往高于其原料油的硫含量,此類高硫石油焦的出路是發(fā)展焦化的主要制約因素,也是焦化工藝最大的缺點(diǎn)。硫含量大于3%的高硫焦的根本出路是用作燃料或造氣原料,所產(chǎn)生的硫化物必須妥善處理,以保護(hù)環(huán)境。世界上發(fā)展比較快的有循環(huán)流化床鍋爐(CFB)和熱電聯(lián)合循環(huán)(IGCC)兩種方法4.4渣油加氫裂化柴油渣油加氫裝置在某些燃料煉廠中是非常重要的。大部分渣油加氫裝置僅起到加氫精制作用,有的也可以起到渣油加氫裂化和加氫精制雙重作用。渣油加氫裂化裝置的典型原料組成是常壓渣油(約占全球加工能力的80%)、少量減壓渣油(16%)、脫瀝青油(4%)。渣油加氫裂化裝置的進(jìn)料可以含有比渣油流化床催化裂化更高的殘?zhí)亢碗s原子含量,但是不能像焦化裝置那樣處理重質(zhì)原料。通過渣油加氫裂化可以生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的低硫中間餾分油,用于摻混于噴氣燃料和柴油燃料之中,加氫過程可以提高這些產(chǎn)品的飽和度,因此加氫裂化柴油組分的十六烷值就很高。加氫渣油可作為低硫燃料或RFCC原料。4.4.1世界渣油加氫研究現(xiàn)狀我國中國石化集團(tuán)公司(Sinopec)開發(fā)的渣油加氫脫硫技術(shù)(S-RHT)于1999年12月在茂名石化順利投產(chǎn)。國外固定床渣油加氫工藝的典型代表有Chevron公司的VRDS/RDS技術(shù)、UOP公司的RCD-UNIBON技術(shù)、Unocal的RESIDUnionfining技術(shù)以及UOP與Unocal結(jié)合的RCDUnionfining技術(shù)等(見表10)。固定床渣油加氫工藝因其工藝流程較為簡單、易于操作、應(yīng)用范圍廣,所以固定床渣油加氫約占渣油加氫總處理能力的84%。從地域分布角度看,世界上渣油加氫裝置分布不是很均勻,美國和日本擁有的套數(shù)最多、加工能力最大,這主要與這些國家(地區(qū))對燃料油質(zhì)量的要求和環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)有較大關(guān)系。渣油加氫裝置在世界各國的分布情況見表11。目前,世界上已投產(chǎn)運(yùn)行的最大的渣油加氫處理裝置是1983年建在美國密西西比州Pascagoula煉油廠的渣油加氫(RDS)裝置。這套裝置設(shè)計(jì)加工阿拉伯重原油的常壓渣油,共有3個(gè)系列,3個(gè)系列同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)加工能力為537.6×104.4.2渣油加氫嚴(yán)壓法各種渣油加氫工藝的一般操作參數(shù)見表12。比較表12所列的固定床、沸騰床、懸浮床和移動床+固定床等各種渣油加氫工藝時(shí),不僅要看操作參數(shù),也要看它的產(chǎn)品質(zhì)量、反應(yīng)歷程、技術(shù)難易程度、技術(shù)成熟性和投資大小,如沸騰床渣油加氫由于有熱反應(yīng)存在,加氫渣油的質(zhì)量較差,產(chǎn)品不能直接作為低硫燃料油,同時(shí)技術(shù)復(fù)雜,投資太高,影響了該技術(shù)的發(fā)展。我國目前幾套渣油加氫工業(yè)裝置都是固定床。4.4.3催化劑的更換渣油加氫工藝具有一系列的優(yōu)點(diǎn),如不產(chǎn)生低值焦炭、液收率高、加氫渣油-催化裂化的組合工藝具有很好的經(jīng)濟(jì)效益等。但對原料性質(zhì)的要求嚴(yán)格使該工藝的發(fā)展受到一定限制,尤其是固定床渣油加氫不能加工金屬含量高的劣質(zhì)渣油。固定床渣油加氫工藝(RDS)原料的金屬含量一般不超過160~200μg/g,有的工業(yè)裝置為了延長開工周期,原料金屬含量實(shí)際只控制在60μg/g以下操作。某中東原油的渣油加氫裝置設(shè)計(jì)原料性質(zhì):密度0.9943g/cm對渣油加氫工藝而言,原料的柔性化是當(dāng)前的發(fā)展重點(diǎn)。開發(fā)催化劑自動更換體系可以使裝置加工金屬含量更高的油料。Chevron的OCR工藝、殼牌的HYCON料倉體系和IFP的HYVAHL切換式反應(yīng)器等就是例子。沸騰床加氫裂化正在成為一種重要的加工工藝(如ABBLummusCrest/Amoco的LCFinning,IFP/Texaco的H-Oil)。淤漿法加氫裂化工藝(如CANMET和Veba的Combicracking)允許加工高金屬含量進(jìn)料,但僅實(shí)現(xiàn)小規(guī)模(約5000bbl/開工日)工業(yè)化操作。此外,