多產輕質油的催化裂化餾分油加氫處理與選擇性催化裂化集成工藝(IHCC)的研發和工業試驗

許友好，劉 濤，王 毅，孫麗麗

(1.中國石化石油化工科學研究院，北京 100083；2.揚子石化淮安清江石油化工有限責任公司； 3.中國石化工程建設有限公司)

多產輕質油的催化裂化餾分油加氫處理與選擇性催化裂化集成工藝(IHCC)的研發和工業試驗

許友好1，劉 濤1，王 毅2，孫麗麗3

(1.中國石化石油化工科學研究院，北京 100083；2.揚子石化淮安清江石油化工有限責任公司； 3.中國石化工程建設有限公司)

從2007年到2015年，IHCC工藝歷經工藝研究、過程開發和工業試驗，完成了一系列中小型探索試驗、基礎設計、工程設計、關鍵設備開發、工業裝置的建設與開工、工業試驗方案制定與標定等研究工作。工業試驗結果表明：對于加氫重油原料，相對于FCC工藝，IHCC工藝的液體產品收率增加10.04百分點，焦炭產率下降20%以上；對于石蠟基常壓渣油原料，相對于FCC工藝，IHCC工藝的液體產品收率增加6百分點以上。IHCC工藝的成功開發標志著煉油技術從追求高轉化率向追求高選擇性轉變，從而實現石油資源的高效利用，同時還將部分解決中國石油化工能效倍增與二氧化碳排放問題。

催化裂化 蠟油加氫 轉化率 選擇性 液體產品收率

催化裂化工藝是重油轉化的主要技術之一，可生產大部分車用汽油。但重油催化裂化工藝伴隨著較多的油漿外甩，且焦炭產率較高，造成液體產品產率偏低，原料氫利用率大幅度下降，同時催化裂化工藝也是煉油工業中CO2排放的主要來源之一，在煉油廠的排放總量中約占20%。由此可見，催化裂化工藝還遠不是低碳高效煉油過程。催化裂化工藝從科學到技術都存在諸多問題，解決這些問題才有可能實現技術的躍進或突破，發展真正的低碳高效的催化裂化工藝。在諸多問題中，最基礎和最關鍵的問題是催化裂化過程的反應中石油烴分子碳碳鍵斷裂如何實現產品最佳分布，即干氣和焦炭產率盡可能低，而液體產品產率盡可能高。中國石化石油化工科學研究院(以下簡稱石科院)針對劣質原料油的特點，對目前催化裂化過程的反應化學進行了認真總結和分析，對重質原料油轉化過程進行了系統的、大量的試驗研究，結果表明：重質原料油在催化裂化轉化過程中所生成的干氣和焦炭隨轉化率增加而緩慢增加，當轉化率達到一定值后，干氣和焦炭產率隨轉化率增加而急劇增加。因此，催化裂化工藝存在著轉化率處于較高值、而干氣和焦炭產率之和與轉化率之比處于較低值的區間，從石油資源高效利用的角度來看，該區間是重質原料在催化裂化裝置上的最佳轉化率區間。因此，實現石油資源高效利用的目標是將不同類型的原料油在最佳轉化率區間內轉化，減少干氣和焦炭的生成，同時強化現有煉油技術的一體化，選用不同的煉油技術將組成異常復雜的重質原料經多次轉化反應生成各種不同類型的石油產品，滿足市場需求，從而實現最大量地生產輕質油品和高價值的化工原料。有鑒于此，石科院提出了多產輕質油的催化裂化餾分油(FGO)加氫處理工藝與選擇性催化裂化(或緩和催化裂化)工藝集成技術(IHCC—Integration of FCC Gas Oil Hydrotreating and Highly Selective Catalytic Cracking for Maximizing Liquid Yield)的構思。IHCC工藝的核心技術包括兩個子工藝：一是選擇性催化裂化工藝，簡稱為HSCC(Highly Selective Catalytic Cracking)工藝；二是HSCC工藝所生產的FGO中的芳烴和膠質經加氫處理進行芳烴飽和的工藝，簡稱為HAR(Hydrogenation of Aromatic and Resin of FCC Gas Oil)工藝[1]。從2007年到2015年，石科院與中國石化工程建設有限公司及揚子石化淮安清江石油化工有限責任公司(以下簡稱清江石化)等單位合作，對多種不同類型原料油進行IHCC工藝中小型試驗研究，并以石蠟基常壓渣油和加氫重油為原料進行了IHCC工藝的工業試驗。

1 IHCC工藝研究

1.1 中型試驗及試驗結果

IHCC工藝中型試驗在3套中型裝置上進行，依次為HSCC中型試驗裝置、HAR加氫中型試驗裝置和小型提升管催化裂化中型試驗裝置。中型試驗中選用茂名加氫重油(較優)、齊魯加氫重油(較差)、管輸中間基重油和大慶石蠟基減壓渣油進行研究，考察這些原料油的轉化率與干氣產率、焦炭產率之間的關系，尋找干氣和焦炭產率之和與轉化率之比最低時的操作區間。在確定的操作區間內，研究操作參數對產物分布、產品性質的影響，從而為加工不同類型原料油的HSCC裝置設計提供基礎數據。

為配合HSCC工藝開發，開發出專用催化劑，其商品名稱為ASC-2，其特點為催化劑自平衡時間短、平衡催化劑活性穩定、焦炭選擇性好。為配合HAR工藝開發，開發出專用的多環芳烴飽和催化劑，其商品名稱為RDA-1，其特點為芳烴飽和能力強、開環裂化能力低，經2 000 h運行試驗證明其具有良好的穩定性。

IHCC中型試驗結果表明：對于性質相近的兩種加氫重油，IHCC工藝與MIP工藝相比，液體產品收率增加11.58百分點，干氣產率降低0.76百分點，焦炭產率降低4.23百分點，油漿產率降低6.57百分點；對于性質相近的兩種大慶減壓渣油，IHCC工藝與VRFCC工藝相比，液體產品收率增加9.10百分點，干氣產率降低0.32百分點，焦炭產率降低2.80百分點，油漿產率降低5.80百分點。由此可以看出，IHCC工藝技術可以大幅度提高液體產品收率，降低干氣和焦炭產率，同時可以將FCC工藝油漿完全轉化為液體產品。

1.2 最佳轉化率區間

以茂名加氫重油和大慶蠟油為原料，在中小型HSCC實驗裝置上研究不同轉化深度下干氣和焦炭產率及其選擇性的變化趨勢，得到兩種不同原料的轉化率與干氣產率(或選擇性)、焦炭產率(或選擇性)之間關系。焦炭產率與轉化率的關系見圖1，干氣產率與轉化率的關系見圖2。從圖1和圖2可以看出：在轉化率較低時，隨著轉化率的增加，兩種原料油的干氣和焦炭產率均緩慢增加，當轉化率達到一定值(稱為臨界值)后，干氣和焦炭產率均急劇增加；干氣和焦炭產率對應的臨界轉化率不同，焦炭在干氣之前；茂名加氫重油的干氣和焦炭產率所對應的臨界轉化率均小于大慶蠟油，這表明原料油越重，其臨界轉化率越低。

圖1 焦炭產率與轉化率的關系

圖2 干氣產率與轉化率之間關系

圖3 干氣選擇性與轉化率的關系

圖4 焦炭選擇性與轉化率的關系

將圖1和圖2的焦炭產率和干氣產率與轉化率之間的關系轉化為相應的選擇性與轉化率之間的關系，結果如圖3和圖4所示。從圖3可以看出，茂名加氫重油的干氣選擇性最低值對應的轉化率為65%左右，而大慶蠟油的干氣選擇性最低值對應的轉化率為80%左右，兩者相差約15百分點。從圖4可以看出，茂名加氫重油的焦炭選擇性最低值對應的轉化率為55%左右，而大慶蠟油的焦炭選擇性最低值對應的轉化率為70%左右，兩者相差也為約15百分點。按圖3和圖4中數據推算，茂名加氫重油的最佳轉化率區間為55%～65%，而大慶蠟油的最佳轉化率區間為70%～80%。實際上茂名加氫重油采用FCC工藝加工時，為了提高重油轉化能力，其轉化率一般控制在70%左右，偏離最佳轉化率區間約5～15百分點，從而不可避免地造成干氣和焦炭產率增加；而大慶蠟油采用FCC工藝加工時，其轉化率一般控制在75%左右，正好落在最佳轉化率區間，其追求高轉化率與改善目的產品選擇性的目標是一致的。與大慶蠟油相比，茂名加氫重油的最佳轉化率區間降低了約15百分點。說明原料性質越差，其最佳轉化率區間越低，這為后續的劣質重油IHCC中型試驗方案設計提供了有益的參考作用，同時表明IHCC工藝在加工更劣質的原料油時液體產品收率的提升空間更大。

1.3 FGO加氫處理工藝研究

FGO含有較多的短側鏈多環芳烴、膠質和瀝青質，而多環芳烴、膠質和瀝青質的結構復雜且芳環結構穩定，瀝青質、膠質和多環芳烴是結焦前軀體，尤其是瀝青質、膠質更易在加氫催化劑表面吸附、積炭，使催化劑快速失活，而且如果不能通過加氫反應將瀝青質、膠質盡可能轉化，則在FCC過程中也會結焦生炭。因此最需要加氫處理過程將多環芳烴、膠質和瀝青質中的芳環加氫，使它們變為有利于FCC轉化的氫含量較高且不易結焦的組分。另外，FGO中硫化物和氮化物的種類屬于大分子稠環芳烴類物種，穩定性高，分子中的硫、氮不易接近催化劑活性中心，脫除難度很高，因空間位阻效應，直接脫除路徑受到抑制，而先芳環加氫再脫除的路徑可以減少空間位阻，是提高活性的主要途徑，這也和催化劑所追求的主要功能相一致。在此情況下，具有高芳環加氫活性的金屬組分有利于反應的進行。有鑒于此，開發出專用催化劑RDA-1，該催化劑具有較強的芳環加氫功能，能將氫加到多環芳烴、膠質和瀝青質的芳環中，使多環芳烴有較高的轉化率，盡可能使膠質和瀝青質全部轉化；同時具有較強的抗積炭功能，使容易吸附在活性表面的積炭前軀體如堿性氮化合物、多環芳烴、膠質和瀝青質等能快速加氫脫附，保持較高的活性穩定性，以及具有較高的氫解活性，以保證較高的加氫脫氮和加氫脫硫活性，尤其是加氫脫堿氮的活性。與專用催化劑相適應，開發特定的加氫處理工藝流程以吸收FGO加氫處理過程中過高的放熱量，并保持適宜的反應溫度。在中型加氫裝置上對不同類型的FGO進行試驗研究，確定了富含單環芳烴和富含環烷烴兩種加氫處理試驗方案，并對兩種加氫處理試驗方案的操作參數進行系統的研究，為HAR裝置設計提供基礎數據。

由于FGO中含有較多的短側鏈多環芳烴和膠質，相比于劣質重油中的長側鏈多環芳烴和膠質，其短側鏈不易發生斷裂，從而有利于選擇專用催化劑和特定工藝流程對多環芳烴和膠質的芳環進行定向加氫，減少烴類碳碳鍵斷裂后飽和所消耗的氫，這一點從FGO加氫產物與原料的摩爾比低可以看出(圖5)。圖5為渣油加氫、VGOCGO加氫和FGO加氫的產物與原料摩爾比的比較。由圖5可知，渣油加氫產物與原料的摩爾比約為3.62，處于最高，而FGO加氫產物與原料的摩爾比只有1.09，處于最低。

圖5 幾種加氫處理裝置的產物與原料摩爾比

2 IHCC工業試驗

圖6 IHCC工藝技術的原則流程示意

2014年7月28日，HAR裝置的加氫FGO進入HSCC裝置原料罐，HSCC和HAR兩套裝置流程貫通，標志著工業試驗正式開始。按照IHCC工藝要求，對HSCC裝置和HAR裝置操作參數進行調整，達到設計條件后又運轉近60天，于2014年9月26日正式進行初步標定。初步標定結果表明，液體產品收率比改造前增加6百分點以上。新鮮催化劑老化器是HSCC專用設備，對于控制專用催化劑初始活性，改善產品的選擇性起到非常重要的作用。從工業試驗結果看，新鮮催化劑經水熱處理后，其活性可以降低到85以下，處理后的催化劑按正常單耗補充，可得到滿足HSCC工藝要求的催化劑活性。工業試驗期間，FGO過濾器運行效果很好，不管是常壓渣油還是加氫重油，FGO經過濾后的固含量均小于4 μgg，過濾器對FGO中催化劑顆粒物含量具有很好的適應性并長期保持平穩運轉，未出現任何故障，這充分說明此次試驗中過濾系統的應用是非常成功的。因此，采用帶反沖洗功能的金屬濾芯過濾器過濾FGO這類性質的油品是可行的。

針對IHCC裝置初步標定中存在的問題，并考慮到現有裝置的具體情況以及時間限制，只補加輕循環油進汽油提升管的管線，這樣汽油提升管既可以進汽油，也可以進輕循環油。在最終考核標定中，汽油提升管只進輕循環油，以減少IHCC工藝的汽油產物損失。并于2015年6月進行了石蠟基常壓渣油和加氫重油的FCC工藝空白標定。

2015年7月，按IHCC工藝要求，首先將加氫處理裝置調到HAR技術狀態，等待HSCC裝置提供FGO原料。7月21日后，HSCC裝置和HAR裝置互供原料，按閉路循環進行操作，同時HSCC裝置和HAR裝置的操作參數已達到設計值；8月8日至8月9日，進行加氫重油多產汽油的IHCC工業試驗標定；8月11日至8月12日，進行加氫重油多產輕質油的IHCC工業試驗標定；8月13日將原料由加氫重油切換為石蠟基常壓渣油，8月14日至8月15日，進行石蠟基常壓渣油多產汽油的IHCC工業試驗標定。FCC和IHCC裝置標定時的原料油性質、主要操作條件和產物分布見表1。從表1可以看出：在加工性質相近的加氫重油時，FCC裝置的液體產品收率為80.05%，而IHCC裝置多產汽油和多產輕質油方案的液體產品收率分別為88.61%和90.09%，比FCC裝置分別提高8.56百分點和10.04百分點；IHCC裝置的提升管出口溫度比FCC裝置低14～16 ℃，按催化裂化反應基本原理，高反應溫度有利于改善焦炭選擇性、提高汽油辛烷值，但干氣選擇性變差，這種現象可從IHCC裝置與FCC裝置的干氣和焦炭產率得到驗證，與FCC裝置相比，IHCC裝置的干氣產率下降40%以上，超過中型裝置干氣產率的降低幅度，這是由于反應溫度降低所致，而焦炭產率僅降低了21.05%，低于中型裝置焦炭產率的降低幅度(在30%以上)[1]。在加工性質相近的石蠟基常壓渣油時，IHCC裝置的液體產品收率比FCC裝置提高7.27百分點。

表1 IHCC和FCC裝置標定時的原料油性質、主要操作條件和產物分布

FCC和IHCC裝置標定時汽油性質和輕循環油性質見表2。從表2可以看出：在以加氫重油為原料時，IHCC汽油的組成明顯不同于FCC汽油，前者的烯烴體積分數高，在30%～35%之間，而后者的烯烴體積分數只有23.8%；IHCC汽油的RON比FCC汽油低0.7～1.3個單位，這與各裝置的提升管出口溫度之差密切相關，即溫度每提高10 ℃，RON增加1個單位，按此原理推算，兩者的RON應該基本相同，但IHCC汽油的MON應低于FCC汽油。在以石蠟基常壓渣油為原料時，IHCC汽油的烯烴體積分數為54.9%，比FCC汽油增加13.1百分點，即使在液化氣產率降低約4百分點時，IHCC汽油的RON也與FCC汽油相同，而MON 比FCC汽油低約1個單位。

從表2還可以看出，無論是加氫重油，還是石蠟基常壓渣油，采用IHCC技術后，輕循環油性質均得到改善，表現為十六烷值明顯增加，氫含量增加，同時硫、氮含量降低。

為了比較和判斷FCC和IHCC過程的碳氫再分布程度，采用用碳、氫有效利用率兩項指標來評價，其數值高低反映了目的產品對原料中碳、氫元素利用的有效程度。碳有效利用率(EC)定義為液化氣、汽油、輕循環油中的碳占原料中碳的質量分數之和。氫有效利用率(EH)定義為液化氣、汽油、輕循環油中的氫占原料中氫的質量分數之和。

表2 IHCC和FCC裝置標定時的汽油和輕循環油性質

FCC和IHCC裝置標定時加氫重油原料中的碳、氫有效利用率見表3。由表3可以看出，多產汽油的FCC裝置標定、多產汽油的IHCC裝置標定和多產輕質油的IHCC裝置標定時的碳有效利用率(EC)分別為79.83%，88.17%，89.64%，而氫有效利用率(EH)分別為85.26%，90.49%，91.70%。說明IHCC工藝可以明顯提高原料中的碳、氫有效利用率。即使如此，IHCC工藝對原料碳、氫的有效利用率仍然低于20世紀70年代餾分油的催化裂化，當時餾分油催化裂化對原料碳、氫的有效利用率約為94%[2]。因此，IHCC工藝的產物分布仍有改善的空間。預測在HAR裝置達到設計要求時，IHCC工藝對原料中碳、氫的有效利用率將達到更高的水平。

表3 IHCC、FCC裝置標定時加氫重油原料中的碳、氫有效利用率

3 IHCC工藝有待開發的技術

3.1 IHCC與渣油加氫技術集成

IHCC與渣油加氫(RDS)技術集成體現在以下兩點：一是可以為RDS裝置提供FGO，替代RDS原料中的餾分油(VGO)；二是由于IHCC工藝適合處理劣質原料，可以降低RDS裝置運轉初期的操作苛刻度，為IHCC工藝提供更劣質的加氫重油。HSCC裝置可生產更多的富含多環芳烴的FGO，而FGO中的多環芳烴由HAR裝置進行飽和加氫，降低了RDS裝置對原料中膠質和瀝青質加氫改質的要求，有利于延長RDS裝置運轉周期，從而使RDS和FCC裝置的運行周期更加匹配[3]。

3.2 IHCC工藝產品方案的靈活性

常規的FCC工藝產品生產方案包括多產液化氣(丙烯)和汽油、多產汽油和多產輕質油等方案。IHCC工藝產品生產方案比常規的FCC工藝更加靈活，原因在于IHCC工藝中含有FGO加氫處理部分，可以通過調整FGO餾程范圍以及FGO的流量來實現IHCC工藝的多種產品生產方案，并使每種產品生產方案處于最佳水平。當IHCC工藝多產液化氣(丙烯)和汽油時，可采用含擇形分子篩的專用催化劑，降低FGO初餾點(如330 ℃或300 ℃甚至250 ℃)以提高FGO流量，使更多的加氫FGO返回到HSCC原料中去，同時提高HAR裝置的加氫飽和深度；當IHCC工藝多產汽油時，可適當地提高HSCC裝置的反應苛刻度，并保持適宜的FGO加氫飽和深度，降低FGO初餾點(如330 ℃或300 ℃甚至250 ℃)以提高FGO流量，使更多加氫FGO返回到HSCC原料中去，最極端情況是將輕循環油餾分全部切入到FGO中，經加氫處理后再返回到HSCC原料中，這樣就不產輕循環油餾分；當IHCC工藝多產高十六烷值輕循環油時，可適當地降低HSCC裝置的反應苛刻度，提高FGO初餾點(如大于350 ℃)。

3.3 IHCC汽油后處理技術的開發

IHCC汽油烯烴含量過高，尤其對于加工石蠟基原料，其汽油烯烴體積分數高達50%，必須開發出具有競爭力的降低IHCC汽油烯烴的技術，才能使IHCC工藝更有競爭力。針對IHCC汽油的組成特點，開發汽油輕烯烴醚化和重烯烴芳構化脫硫集成技術，可以實現汽油烯烴體積分數小于20%、硫質量分數低于10 μgg、辛烷值增加1個單位以上的目標。

汽油輕烯烴醚化和重烯烴芳構化脫硫集成技術是將IHCC汽油中碳五烯烴切割出來進行醚化[4]，對碳六以上烯烴進行芳構化，其芳構化過程是在汽油脫硫過程中一并進行的，已進行初步的試驗研究，取得了較為理想的試驗結果。試驗原料的IHCC汽油(全餾分)組成見表4。將原料中的碳五組分切出，原料中的重餾分組成及重餾分芳構化脫硫后的組成也列于表4。

表4 典型的IHCC汽油組成及其烯烴分布

從表4可以看出，重餾分芳構化脫硫后，其芳烴質量分數增加1.5百分點，RON只降低0.4個單位，而MON增加0.4個單位，硫質量分數為3.6 μgg。考慮到實驗室汽油脫硫裝置在汽油相同的脫硫率下，汽油辛烷值損失高于工業裝置約1個單位以上[5-6]，因此在未來的工業汽油脫硫芳構化裝置上，RON有可能增加0.5個單位以上，MON有可能增加1.5個單位以上。

將碳五烯烴醚化后的汽油和重餾分芳構化脫硫后的汽油進行混兌，混兌后的汽油組成列于表4。從表4可以看出，混兌后的汽油可作為未來滿足國Ⅵ排放標準的車用汽油調合組分。

4 結 論

(1) IHCC工藝實現了煉油技術從追求高轉化率向高選擇性轉變，強化了脫碳工藝和加氫工藝等不同的煉油工藝之間的組合，從而提高石油資源利用效率，為煉油工藝技術集成提供了范例。

(2) IHCC工藝的工業試驗結果表明：對于石蠟基常壓渣油原料，IHCC工藝與FCC工藝相比，液體產品收率增加6百分點以上；對于加氫重油原料，IHCC工藝與FCC工藝相比，液體產品收率增加10百分點以上。

(3) IHCC工藝適合處理劣質重油，提高了煉油廠處理劣質原料油的適應性。

(4) IHCC工藝具有多種不同的產品生產方案，且相互切換更加靈活。

(5) IHCC工藝在應對原油供應的重質化與劣質化、促進有限的重油資源深度和高效轉化、增產輕質油品等方面均具有重要意義，同時，還將部分解決中國石油化工能效倍增與二氧化碳排放問題。

[1] 許友好，戴立順，龍軍，等.多產輕質油的FGO選擇性加氫工藝和選擇性催化裂化工藝集成技術(IHCC)的研究[J].石油煉制與化工，2011，42(3)：7-12

[2] 陳俊武，許友好.催化裂化工藝與工程[M].3版.北京：中國石化出版社，2015

[3] 李大東.加氫處理工藝與工程[M].北京：中國石化出版社，2011

[4] 袁清，毛俊義，黃濤，等.輕汽油醚化催化蒸餾過程模擬研究[J].石油煉制與化工，2011，42(7)：67-72

[5] 李鵬，田健輝.汽油吸附脫硫S Zorb技術進展綜述[J].煉油技術與工程，2014，44(1)：1-6

[6] 段玉亮,劉鋒,尹威威.S Zorb裝置長周期運行分析[J].石油煉制與化工,2015,46(11):46-51

DEVELOPMENT AND COMMERCIAL APPLICATION OF IHCC TECHNOLOGY FOR MAXIMIZING LIQUID YIELD

Xu Youhao1， Liu Tao1， Wang Yi2， Sun Lili3

(1.SINOPECResearchInstituteofPetroleumProcessing，Beijing100083； 2.Huai’anQingjiangPetrochemicalCompanyLtd.YangziPetrochemicalCompanyLtd.SINOPEC； 3.SINOPECEngineeringIncorporation)

From 2007 to 2015， IHCC process (Integration of FCC Gas Oil Hydrotreating and Highly Selective Catalytic Cracking for Maximizing Liquid Yield)， after process development and industrial test， completed a series of technical consideration， pilot plant experiments， basic and engineering design， key equipment development， as well as construction and start-up of industrial unit， industrial test plan formulation and calibration work. The commercial tests of IHCC disclose that compared with conventional FCC process， the liquid yield can be increased by 10.04 percentage points and coke yield decreased by over 20%， respectively using hydrotreated residue as feedstock， while liquid yield can be increased by 6 percentage points using paraffinic AR feed. The successful development of IHCC technology shift the refining technology from pursuing high conversion to high selectivity， leading to efficient utilization of oil resources， and reduction of CO2emission and energy saving.

catalytic cracking； wax oil hydrotreating； conversion； selectivity； liquid product yield

2016-01-05； 修改稿收到日期： 2016-03-28。

許友好，教授級高級工程師，主要從事催化裂化工藝的研究工作。

許友好，E-mail：xuyouhao.ripp@sinopec.com。

國家科技支撐計劃課題資助項目(2012BAE05B05)；2011—2015年度中國石油化工股份有限公司十條龍攻關項目。