從反應化學原理到工業應用Ⅱ.S Zorb催化劑設計開發及性能

林 偉，龍 軍

(中國石化 石油化工科學研究院， 北京 100083)

從反應化學原理到工業應用Ⅱ.S Zorb催化劑設計開發及性能

林 偉，龍 軍

(中國石化 石油化工科學研究院， 北京 100083)

根據S Zorb脫硫反應的原理，提出S Zorb專用催化劑的設計目標，即載體中要具有柔性骨架結構，以避免反應和再生過程中體積變化引起的結構破碎；活性金屬鎳要均勻分布在催化劑孔道中，與載體中氧化鋅處于最短可及距離，實現高效脫硫的同時減少辛烷值的損失。在此基礎上開發出具有完全自主知識產權的S Zorb專用催化劑FCAS。掃描電鏡及能譜分析結果表明，催化劑FCAS中具有柔性骨架結構，鎳在孔道內均勻分布，吸收硫之后催化劑的耐磨損強度增加。評價結果表明，催化劑FCAS具有與進口劑GenIV相近的脫硫活性，以及更好的辛烷值保留能力。催化劑FCAS已應用于22套工業裝置，在高效脫硫的同時，具有好的辛烷值保留能力。

清潔汽油；脫硫；化學；S Zorb

汽油中硫化物主要以硫醇、硫醚、二硫化物、噻吩及其衍生物等形式存在，燃燒后會釋放SO2，造成環境污染。隨著人們對環境保護的日益重視以及國家環保法規的日益嚴格，對汽油質量的要求更為苛刻，車用汽油標準也在不斷升級[1-5]。目前，歐洲和日本實施的歐V汽油質量標準要求汽油中硫質量分數不高于10 μg/g；美國的汽油質量標準要求汽油中硫質量分數不高于30 μg/g。我國現行的汽油產品標準為GB 17930-2013《車用汽油》。該標準對汽油中硫含量進一步作出限制，要求汽油中硫質量分數必須在50 μg/g以下。在北京、上海等大城市實施更加嚴格的清潔汽油地方標準，要求汽油中硫質量分數10 μg/g以下。根據汽油質量升級的要求，在全國范圍內也要求在2017年達到國V質量要求。在我國，催化裂化汽油是汽油池主要來源，其必須經過深度脫硫才能符合環保法規的要求。

目前，歐美發達國家大多采用選擇性加氫脫硫技術生產清潔汽油。其中，典型的技術有法國Axens公司開發的Prime-G+、ExxonMobil公司開發的SCANfining等技術[1-4]。這些技術雖然能夠滿足汽油脫硫的要求，但需要在很高氫分壓下進行，操作條件苛刻，并且消耗大量氫氣，導致汽油辛烷值損失的同時操作成本較高。由于傳統脫硫技術在脫硫同時辛烷值降低幅度較大，因此我國石油煉制界格外關注各類脫硫技術在實現清潔汽油質量升級過程中對汽油辛烷值的影響。

由美國康菲公司開發的S Zorb技術具有脫硫深度高和辛烷值損失低的特點，逐漸受到人們的重視。中國石化于2007年從美國康菲公司買斷了S Zorb脫硫技術[6-10]，但是該技術配套的催化劑由南方化學公司所掌握，這對于該技術的大規模推廣應用具有潛在的壟斷威脅。并且，當時還存在使用過程細粉多、劑耗高等問題，導致裝置運行成本增加，影響了整體的經濟性。為了更好地實現汽油質量升級，中國石化石油化工科學研究院承接了S Zorb技術的消化吸收、優化以及再創新的任務。在原S Zorb技術的基礎上，開發出催化加氫轉化脫硫技術，并逐漸成為國內汽油質量升級的重要技術，獲得廣泛的推廣應用[11]，目前該技術占國內清潔汽油總生產能力的69%。

催化劑開發過程中，在康菲公司研發的基礎上，首先對S Zorb脫硫反應原理進行分析，確定了不同組分的功能以及理想催化劑的結構目標，再通過對配方選擇以及制備工藝設計，開發出能夠滿足國V清潔汽油生產要求的催化劑FCAS，并且成功應用于國內外22套工業裝置。

1 實驗部分

1.1 原料及試劑

FCAS和GenIV催化劑，其中FCAS為中國石化石油化工科學研究院所開發并成功工業化的催化劑，GenIV為克萊恩公司開發的催化劑，也是催化劑FCAS開發之前S Zorb工業裝置上唯一使用的催化劑。

中型試驗原料油為中國石化上海高橋石化公司催化汽油，其主要性質列于表1。該原料硫含量不是很高，但由于該原料存儲時間較長，膠質質量濃度比較高，這對脫硫效果會存在一定影響。

表1 中型評價所采用原料汽油的性質

1.2 催化劑的表征

采用掃描電鏡結合電子能譜QUANTA 200F+EDAX型儀器分析催化劑的形貌以及鎳分布。進行鎳徑向分布分析時，首先將催化劑顆粒包埋在樹脂中，然后切開得到催化劑的剖面，再通過電子能譜分析其含量。加速電壓20 kV，分辨率2 nm，束斑大小3.0～4.0，工作距離9.8～10.3 mm，LFD、ETD型探頭，工作壓力80 Pa。

按照Q/SH 3360 212-20093360規定的S Zorb催化劑專用的流化床磨損測試方法(FBAT方法)評價催化劑的耐磨損性能，以FBAT指數表示。FBAT指數越小，說明該催化劑的耐磨損性能越好。

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1.3 催化劑脫硫活性評價

采用COP公司S Zorb中型裝置評價催化劑脫硫活性。該設備包括反應、再生、還原等部分，可以模擬工業裝置的情況，為工業放大設計以及工藝評價提供試驗數據。裝置工藝流程如圖1所示。含硫汽油原料進入反應器A，在一定溫度、壓力和氫氣氛圍下，與催化劑接觸發生吸附脫硫反應。原料中硫組分被吸附到催化劑上，脫硫后的汽油從吸附器罐頂部進入后續分離系統。含硫催化劑從反應器底部流出，經N2提升進入接收罐，并用N2氣提，除去催化劑攜帶的氫氣和烴油組分。經過氣提后的催化劑從接收罐進入閉鎖料斗。閉鎖料斗自動降壓至再生器壓力，將待生催化劑送至再生器再生。閉鎖料斗氣體出口設有氫氣在線分析儀，隨時監控閉鎖料斗內的氫氣濃度。

在再生器內，催化劑與空氣和N2氣混合氣體進行燃燒，再生后的催化劑經N2提升進入再生器接收罐。在再生器接收罐內，通入N2氣進行吹掃，除去攜帶氧氣組分后，送入再生器閉鎖料斗。與吸附器閉鎖料斗類似，再生器閉鎖料斗設有氧氣在線分析儀，隨時跟蹤分析閉鎖料斗內的氧含量。再生器閉鎖料斗增壓至還原器壓力后，催化劑被送入還原器。在還原器內，催化劑中的NiO被還原成具有活化氫能力的金屬Ni，還原后的催化劑在料位的控制下進入反應器。

圖1 S Zorb中型裝置工藝流程圖

2 結果與討論

2.1 催化劑的結構目標及設計

在S Zorb脫硫過程中，催化劑起到汽油中硫轉化和吸收轉移的作用，其性能直接決定了該技術的脫硫效率。S Zorb催化劑的活性組分為鎳和氧化鋅。活性組元鎳首先將汽油中的硫醇、噻吩以及苯并噻吩催化加氫生成硫化氫，然后硫化氫被催化劑中的氧化鋅吸收形成硫化鋅，硫化鋅通過氧化再生恢復活性。脫硫過程的化學反應如式(1)所示。

(1)

從S Zorb催化加氫轉化脫硫的原理可以看出，該技術通過氧化鋅和硫化鋅的轉化達到硫轉移的目的。為了保證催化劑具有好的硫轉移能力，需要較高含量的氧化鋅。吸收硫前后的催化劑的XRD譜如圖2所示，新鮮劑在2θ為31.52°、34.36°、36.16°、47.58°、56.46°和62.70°處出現了六方氧化鋅的系列特征衍射峰，在2θ為37.01°和43.10°處出現了NiO物相的系列特征衍射峰；吸收硫之后的催化劑在2θ為26.97°、28.52°、30.51°、47.47°、51.75°、56.40°出現了六方硫化鋅的晶相峰，在2θ為36.62°、44.38°處出現了鎳的晶相峰。可見，S Zorb催化劑中氧化鋅和硫化鋅主要以六方晶相存在。

圖2 吸收硫前后S Zorb催化劑的XRD譜

圖3 六方氧化鋅和硫化鋅的晶體結構

表2 六方結構的氧化鋅和硫化鋅的晶胞參數

Table 2 Hexagonal crystal cell parameters of ZnO and ZnS

Compoundr+/nmr-/nmLatticeparametera/nmc/nmSpacegroupsZnO0 0740 1400 3250 521p63mcZnS0 0740 1840 3810 626

另一方面，由于S Zorb技術需要臨氫氣氛，烯烴也不可避免地發生加氫，導致產品汽油辛烷值降低。在該反應體系中，金屬鎳與硫化鎳始終處于動態平衡。根據對S Zorb技術反應化學的研究[12]，該反應遵循催化加氫轉化脫硫原理，硫化鎳含量越低，烯烴加氫越少，從而有利于汽油辛烷值的保留。當硫化鎳與氧化鋅的微觀距離比較遠時，硫從硫化鎳轉移到氧化鋅上需要更多時間，這就增加了烯烴吸附在催化劑表面的概率，從而有更多的烯烴發生加氫。

根據上述分析，催化劑在載體結構上應具有柔性骨架結構，給氧化鋅一定的膨脹/收縮的空間，能夠避免體積變化引起的結構性破碎問題；同時，為了使催化劑具有較高的脫硫活性，并減少硫化鎳對烯烴的加氫作用，必須保證活性組元與氧化鋅的微觀距離比較短，也就是活性金屬鎳應該盡可能分散于氧化鋅顆粒周圍，即均勻分布在催化劑的內表面。

2.2 催化劑FCAS的物化性質

根據催化劑FCAS結構目標，開發出具有完全自主知識產權的工業催化劑FCAS[13-15]。首先，在該催化劑微球內建立柔性骨架架構，解決了脫硫和再生過程中由于氧化鋅和硫化鋅之間相互轉化引起催化劑結構性破碎的問題，提高了催化劑的耐磨損強度；其次，開發出微球瞬時均勻浸漬技術，該技術包括制備方法和專用設備[16-19]，實現鎳均勻浸漬在催化劑載體內孔道并與載體中氧化鋅處于最短可及距離的目標，使得催化劑能夠同時保持高的脫硫活性及低的辛烷值損失性能。

S Zorb催化劑載體經0.5 mol/L的硝酸處理1 h后的掃描電鏡照片示于圖4。圖4表明，當氧化鋅溶于酸而從載體中脫除后，載體的骨架結構仍然穩定，并在表面呈現很多容納催化劑活性組元的空間，這些空間相對獨立，但又相互貫通。這種載體結構是使催化劑免受氧化鋅-硫化鋅相互轉化引起的催化劑顆粒破損的主要原因。表3列出的硫化前后催化劑的磨損活性測試結果也進一步證實了這一點。克萊恩公司開發的GenIV催化劑在吸收硫后FBAT指數均有所增加，也就是該催化劑吸收硫后其耐磨損性能變差，說明硫存儲過程對其結構具有一定的破壞作用；而催化劑FCAS由于具有柔性骨架結構，吸收硫之后FBAT指數下降，耐磨損性能反而增加。

圖4 S Zorb催化劑載體經0.5 mol/L的硝酸處理1 h后的SEM照片(右圖放大倍數2200倍)

表3 FCAS和GenIV催化劑在載硫前后的磨損指數(FBAT)

Table3 The FBAT of fresh and sulfide catalyst FCAS and GenIV

CatalystFBAT(Fresh)FBAT(Sulfide)w(S)/%FCAS?R093 432 758 41GenIV?16 877 268 45GenIV?24 076 857 31GenIV?33 595 188 14GenIV?44 355 369 60

SEM+EDAX對FCAS和GenIV催化劑的剖面分析結果如圖5所示。圖5表明，催化劑FCAS中鎳元素在整個微球內均勻分布，即微球外層和內部的鎳含量接近，而GenIV中鎳的分布顯示出兩端高、中間低的特點，這說明其中鎳在表層富集。由此可見，采用微球瞬時均勻浸漬技術并匹配專用設備制備出的催化劑中，鎳均勻地分布在整個微球孔道內，與載體中氧化鋅處于最短可及距離，這有利于提高反應過程中硫的轉移速率，進而提高脫硫活性，并降低硫化鎳對油品中烯烴的加氫作用，減少辛烷值損失。

圖5 FCAS和GenIV催化劑中鎳的徑向分布(放大800倍)

2.3 FCAS催化劑的脫硫性能

按照FCAS催化劑制備工藝要求，在中國石化石油化工科學研究院工程研究中心建成了百噸級的S Zorb催化劑工業試生產線，并制備出催化劑大樣FCAS-R09，送到美國康菲公司進行中型評價，并與國外工業劑GenIV進行對比。試驗在康菲公司S Zorb中型裝置上進行，裝置設計進料量為(2.3～23)kg/h，催化劑循環速率(1～15)g/min，具體試驗條件及結果列于表4。

中型評價結果表明，催化劑FCAS和GenIV均具有很高的脫硫活性，在所設定的反應條件下，均可使高橋原料汽油中硫質量分數降低到3 μg/g以下。FCAS催化劑與GenIV相比，在重時空速較高，其它反應條件相同的情況下，脫硫率相近，但產品汽油辛烷值損失更低。并且中型評價結果還表明，FCAS催化劑還具有較好的流化性能、耐磨性能及活性穩定性，能夠滿足工業裝置穩定運行的要求。

表4 FCAS與GenIV催化劑的中型評價結果對比

2.4 FCAS催化劑的工業應用結果

中國石化催化劑有限公司南京分公司首批生產工業催化劑FCAS分別于2010年7月和8月在燕山分公司和高橋分公司進行工業試驗，整個工業試驗的時間分別為10個月和12個月。當FCAS催化劑在裝置中藏量達到60%左右時進行總結標定，結果列于表5。

由表5可見，對于高橋及燕山S Zorb裝置空白標定和總結標定的主要反應條件基本一致，說明在脫硫率相近的情況下，FCAS催化劑具有更好的辛烷值保留能力，這也與鎳在FCAS催化劑孔道內均勻分布，鎳和載體中氧化鋅處于最短可及距離相對應。

表5 催化劑FCAS在燕山和高橋S Zorb裝置的工業試驗結果

整體工業應用的結果表明，催化劑FCAS可以滿足工業裝置生產需要，可以生產硫質量分數在10 μg/g以下的汽油產品；與進口催化劑相比，具有略高的脫硫反應活性及穩定性、更好的辛烷值保留能力，并且具有較好的流化性能及耐磨性能，能夠滿足工業裝置長周期運行的需要。基于FCAS催化劑優異的性能，該催化劑自2010年首次開始工業試驗以來，已成功應用于國內外22套工業裝置，生產清潔汽油近3000萬t/a。

3 結 論

(1) 通過對S Zorb脫硫過程中反應化學的研究，提出了催化劑載體必須具有柔性骨架結構以及活性金屬鎳均勻分布的結構目標。

(2) 對不同催化劑脫硫活性以及烯烴飽和能力的評價結果表明，鎳是比較理想的活性金屬。

(3) 設計出載體成型過程中的自組裝控制技術以及微球瞬時均勻浸漬技術，并在此基礎上開發出S Zorb工業催化劑FCAS，該催化劑具有柔性骨架結構，并且鎳在催化劑體相內均勻分布。

(4) 工業應用結果表明，催化劑FCAS可以生產符合國V標準的清潔汽油。與進口劑相比，在相同轉化率下，催化劑FCAS具有更好的辛烷值保留能力，實現了設計的目標。

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From the Mechanism of Reaction Chemistry to Commercial ApplicationⅡ.The Design and Performance of S Zorb Catalyst

LIN Wei，LONG Jun

(ResearchInstituteofPetroleumProcessing，SINOPEC，Beijing100083，China)

The aim of the study is to design the special catalyst of S Zorb technology according to its mechanism of reaction chemistry. First of all, the carrier needs flexible skeleton structure to avoid catalyst crushing caused by the change of catalyst during the sulfur removal and regeneration processes. Secondly, the accelerant nickel should be evenly distributed in S Zorb catalyst, which is beneficial to realize desulfurization and reducing octane loss simultaneously. Based on these researches, the special catalyst of S Zorb named FCAS was developed successfully. The SEM and EDAX results show that the S Zorb catalyst FCAS has flexible skeleton structure, so the sulfide catalyst FCAS has better attrition performance, and nickel was uniform distributed in its pores. Catalyst FCAS has been applied in 22 commercial S Zorb units. From the catalyst evaluation results, it can be seen that catalyst FCAS exhibits perfect desulfurization activity and stability, octane retention and good fluidization performance.

clean gasoline; hydrodesulfurization; chemistry; S Zorb

2014-10-08

中國石化股份公司“十條龍”攻關項目(113138)基金資助 第一作者： 林偉，男，教授級高級工程師，博士，從事工業催化劑研究；Tel: 010-82368891; E-mail: linwei.ripp@sinopec.com

龍軍，男，教授級高級工程師，博士，從事石油煉制過程中重質油加工、分子石油化學的研究；E-mail:longjun.ripp@sinopec.com

1001-8719(2015)02-0453-07

O643.31；TE624

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2015.02.024