聚焦技術創新推動柴油質量升級

正如李大東院士所說，國家和市場的需求就是科研人員創新的方向。

石科院項目攻關團隊在討論加氫催化劑制備。權奕 攝

柴油是重要的交通燃料，但其成分中的硫和多環芳烴燃燒形成的顆粒物是霧霾產生的重要原因。1999年，我國開啟油品質量升級之路，對柴油中硫和多環芳烴含量提出嚴格限制。2015年至2019年，柴油質量標準從國4升級到國6，低硫低芳烴柴油的生產要求導致工業加氫裝置運轉周期大幅縮短，嚴重影響企業效益，使煉油行業面臨嚴峻挑戰。

正如李大東院士所說，國家和市場的需求就是科研人員創新的方向。早在2010年，中國石化石油化工科學研究院副院長聶紅及其團隊就認識到，柴油質量快速持續升級是煉油領域的重大研究方向。團隊充分利用石科院加氫技術深厚基礎，提出通過加氫催化劑和加氫工藝創新實現清潔柴油生產的整體解決方案，最終形成活性相定向構建及復雜反應分級強化的柴油高效清潔化關鍵技術，有效延長裝置運轉周期，實現低成本、高效率生產低硫低芳烴清潔柴油。該項目于2020年1月10日獲得2019年度國家技術發明獎二等獎。

突破高性能催化劑技術瓶頸

活性相定向構建及復雜反應分級強化的柴油高效清潔化關鍵技術，解決了柴油加氫工業裝置難以長周期高效兼顧超深度脫硫和多環芳烴深度飽和的難題，實現了柴油清潔化過程的低成本、高效率、長周期運行。

加氫催化劑的性能是生產清潔柴油的關鍵。如何在反應中同時保證催化劑的高活性和高穩定性？團隊通過反復試驗發現，加氫催化劑活性的提高來自兩種活性金屬協調作用，這一認識構成了實現高性能催化劑突破的基礎。在研發過程中，團隊從荷蘭引進國內首套具有16根反應管的柴油加氫脫硫高通量評價裝置，大大提高了催化劑活性評價效率。有了這件新式武器，大家不分晝夜、加班加點，加快研發速度。

在眾人的不懈努力下，團隊發明了定向控制金屬前驅物結構的活性相構建技術，實現兩種活性金屬原子級別的結合，提升了雙活性金屬組分之間的協同作用，使催化劑活性大幅提高。

然而，催化劑長周期活性評價數據顯示，新研制催化劑的穩定性未達到預定目標。是在原有基礎上調整催化劑配方，還是從催化劑材料和基礎研究開始重新探索？面對兩難抉擇，團隊經過慎重考慮決定選擇后者。

團隊從催化劑孔結構、積炭、金屬分散度、活性相尺寸等多方面進行研究，并采用新型催化材料和多種創新制備工藝進行試驗，挖掘數百種催化劑和數千組分析表征數據，發明了活性金屬高分散及錨定的活性相穩定技術，最終形成具有穩定的小尺寸活性相的新型催化劑，可有效實現催化劑活性及穩定性同時提升的目標。

基于高性能活性相構建及穩定技術，團隊研發出RS-2100和RS-2200加氫催化劑，性能明顯優于國內外同類催化劑，可以滿足國6柴油標準對硫和多環芳烴含量的要求。

分級調控工藝融合脫硫和脫芳

早在項目啟動之初，團隊便認識到，超深度脫硫和多環芳烴飽和是一對矛盾：超深度脫硫需要高溫，而多環芳烴飽和從熱力學平衡而言需要較低的反應溫度，在工業裝置中兩者難以兼顧。高性能催化劑雖能提高加氫反應速率，但無法完全解決熱力學平衡限制問題。

團隊從柴油加氫脫硫過程中多種競爭反應入手，研究發現氮化物是影響脫硫效率的關鍵。對于柴油脫氮，已有多種技術手段，但在現有裝置上實施要付出一定的成本代價。找到最經濟的方式脫除氮化物，成為團隊又一個攻關目標。

團隊成員結合數據深入分析，打破常規工藝中反應溫度逐漸升高的模式，采用高低溫分級調控策略，定向強化目標反應。他們將反應器的前部反應溫度提高，優先脫除氮化物，后部反應溫度降低，同時實現超深度脫硫和多環芳烴深度飽和。依據此思路發明的定向強化目標反應物的溫度分級調控工藝，有效解決了工業裝置長周期高效運行兼顧超深度脫硫和多環芳烴深度飽和的難題。

打贏催化劑工業放大戰役

由于新型加氫催化劑采用了全新的制備技術和流程，在工業放大過程中遇到諸多困難。為確保催化劑質量和生產進度，團隊成員長期駐守在催化劑廠生產一線。

進行第一次工業放大試驗時正值盛夏，七八月的南方高溫潮濕，生產現場溫度達40攝氏度以上。團隊成員在高溫反應釜旁一盯就是幾個小時，生產廠房如同蒸籠一般讓人汗如雨下。

評價數據顯示，放大催化劑比定型劑活性低5攝氏度，雖然與預定值（±3攝氏度）相差不大，但出于對高標準的堅持，聶紅認為還需要進一步完善。她結合自己在催化劑生產方面積累的經驗，組織團隊成員多次討論，梳理了整個制備流程，終于找到根本原因。原來，催化劑生產設備的處理溫度不利于高性能活性相前驅物的形成。團隊立刻奔赴催化劑廠，與技術人員共同探討制備工藝。

在第二次工業放大試驗過程中，團隊成員與現場技術人員時刻緊盯現場，從設備、操作環境、生產工藝和條件等各方面入手，嚴格把關每一道程序和步驟。試驗數據表明，第二次放大催化劑比定型劑性能略優，大家忐忑不安的心才終于落地。

迎難而上實現工業應用

工業裝置成功實施是一項技術的生命力所在。北京燕山分公司、九江分公司等企業承擔了包括催化劑和工藝的工業應用試驗。面對劣質柴油比例高、工藝條件較差的應用環境，同時還要滿足工業裝置長周期穩定運轉需求，工業試驗的難度可想而知。

這時，團隊中出現了不同的聲音，有人希望先停下來，等遇到性質更好的原料、工藝條件更合適的裝置再進行工業試驗。關鍵時刻，聶紅鼓勵大家：“難度大意味著成功后技術的適應性更強，可推廣程度更高，我們要相信自己的技術。”李大東院士提出，要關注并解決高溫區催化劑的穩定性問題。

采用石科院柴油清潔化技術及催化劑的中國石化九江分公司120萬噸/年柴油加氫裝置。圓形示意圖中為裝填在反應器中的RS-2100催化劑。張樂 供圖

吃下了定心丸，團隊思想更加解放。他們通過中型試驗裝置反復研究，在缺乏工業數據的情形下，制定出兩反應區溫度控制方案，在實驗室采用劣質原料獲得了國6標準柴油。工業裝置開工期間，團隊成員24小時不間斷在現場進行技術指導，及時調整優化方案，順利實現了裝置一次開車成功和長周期穩定運行。九江分公司副總經理陳齊全在為“十三五”國家重點研發計劃項目中期檢查的專家介紹發明技術應用時說：“通過石科院的技術進步，直接實現了我們加氫裝置生產產品從國3到國6的升級。”

截止目前，該項目已廣泛應用于國內外30余套次工業裝置，總加工能力約5000萬噸/年，為煉油企業帶來顯著經濟效益。同時，推動了我國石油煉制行業柴油質量持續升級的技術進步，對減少我國柴油污染物排放、改善環境質量發揮了重大作用。