胡一鳴
(中國(guó)石油化工股份有限公司石油化工科學(xué)研究院,北京 100083)
2021年亞洲煉油技術(shù)會(huì)議(ARTC)于2021年10月26-27日在新加坡舉辦,會(huì)議采取線上討論的形式,主題涵蓋碳凈零排放、氫能開發(fā)、廢塑料回收轉(zhuǎn)化、清潔燃料及石化創(chuàng)新技術(shù)發(fā)展等多個(gè)方面。會(huì)議為我國(guó)乃至亞太地區(qū)石化行業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展提供了重要的參考及交流平臺(tái)。
Bain & Company就全球煉油市場(chǎng)進(jìn)行了分析與展望,并指出,受新冠疫情影響,僅2020年就有約200萬(wàn)桶/日的煉油能力受到?jīng)_擊[1]。按地理位置劃分,美國(guó)和加拿大的煉廠首當(dāng)其沖,被關(guān)?;虿糠株P(guān)停的煉廠累計(jì)煉油能力約為70萬(wàn)桶/日,而亞太地區(qū)的煉廠正在積極利用此次機(jī)會(huì)進(jìn)行化工轉(zhuǎn)型或與新能源結(jié)合改造。從技術(shù)路線看,煉廠可以通過(guò)整合新能源、采納碳捕集、利用與封存(CCUS)技術(shù)、使用新工藝、加工新原料(如生物質(zhì)原料、低碳混合原料、廢塑料等)、生產(chǎn)低碳燃料或產(chǎn)品等一系列方法來(lái)提升自身競(jìng)爭(zhēng)力。
同樣,因新冠疫情影響,國(guó)際海事組織(IMO)提出的IMO 2020新政目標(biāo)沒(méi)有達(dá)成[2]。為最終實(shí)現(xiàn)IMO 2030/2050目標(biāo),Argus公司認(rèn)為下一步的做法應(yīng)是限制碳排放。從2030年起,傳統(tǒng)燃料油需求將大幅下降,汽油和柴油的需求模式與之類似,共同造成傳統(tǒng)煉油行業(yè)規(guī)模的縮小。然而,煉油產(chǎn)能或開工率下降可能會(huì)導(dǎo)致石化原料供應(yīng)的同步降低,因此需要通過(guò)特定方案增加這部分原料供應(yīng)或使用其他的替代原料。
氣候變化正在成為人們密切關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題,為此各大油氣企業(yè)都結(jié)合自身情況制定了碳減排目標(biāo),但這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。《巴黎協(xié)定》提出要將全球平均氣溫較前工業(yè)化時(shí)期的上升幅度控制在2℃以內(nèi),并努力實(shí)現(xiàn)溫升幅度控制在1.5℃以內(nèi)的目標(biāo)。然而據(jù)ENGIE Impact公司測(cè)算,到2037年,僅油氣行業(yè)排名前100家企業(yè)的碳排放就將引起1.5℃的溫升,Scope3占據(jù)油氣價(jià)值鏈總碳排放量的30%,而這部分企業(yè)中真正披露Scope3方面碳排放數(shù)據(jù)的還不超過(guò)40家[3]。
ENGIE Impact公司指出,企業(yè)可采用分階段實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的方法來(lái)應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。即短期內(nèi)為轉(zhuǎn)型做好準(zhǔn)備,投資提升能源效率等可快速獲得收益的項(xiàng)目,同時(shí)設(shè)立問(wèn)責(zé)機(jī)構(gòu),參與碳排放標(biāo)準(zhǔn)的制定和早期解決方案的評(píng)估;中期加快試驗(yàn)項(xiàng)目開展,投資可再生能源等商業(yè)化解決方案,考慮將煉油廠改造為生物煉廠;長(zhǎng)期集成和擴(kuò)展復(fù)雜的解決方案,增加綠色和可持續(xù)產(chǎn)品的投資組合配置。
在技術(shù)發(fā)展路線方面,應(yīng)對(duì)煉廠深度脫碳的目標(biāo)可從多方面加以改進(jìn),總體思路歸納見表1。就本次會(huì)議的技術(shù)交流情況看,每一類降碳方式都有所涉及,若按技術(shù)領(lǐng)域細(xì)分,可大致分為6個(gè)方面,相應(yīng)報(bào)告占比如圖1所示。
表1 煉廠降碳的總體思路
圖1 ARTC技術(shù)類報(bào)告分布占比
由圖1可知,在ARTC會(huì)議中,傳統(tǒng)煉油技術(shù)方面的報(bào)告并不具有明顯的數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì),在總技術(shù)類報(bào)告中占比不超過(guò)1/3。除此之外,裝置設(shè)計(jì)維護(hù)、生物燃料生產(chǎn)和化工原料技術(shù)開發(fā)占據(jù)會(huì)議報(bào)告交流的主體部分,表明相比最新提出的資源循環(huán)利用技術(shù)和制氫工藝開發(fā),煉廠和企業(yè)更易從這3個(gè)方面開展轉(zhuǎn)型升級(jí)工作,以在未來(lái)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)有利地位。然而,資源循環(huán)利用和氫能技術(shù)開發(fā)雖然更有利于深度脫碳,但由于其概念形成時(shí)間短且技術(shù)起步相對(duì)較晚,在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中更多是機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存,需要長(zhǎng)期投資和持續(xù)驗(yàn)證才能最終形成成熟的商業(yè)化解決方案。
2.1.1 催化裂化技術(shù)
Grace和Technip Energies公司聯(lián)合推出了基于催化裂化工藝最大化生產(chǎn)丙烯的PMcc技術(shù)[4]。該技術(shù)主要從硬件設(shè)計(jì)、操作策略和催化劑解決方案等3個(gè)方面對(duì)催化裂化工藝進(jìn)行了優(yōu)化。Grace公司認(rèn)為,提高丙烯產(chǎn)量的操作策略通常傾向于高反應(yīng)器溫度、高劑油比、低烴分壓和循環(huán)裂化。
中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)了一種高抗釩污染催化裂化催化劑LMC-500 ultra[5]。實(shí)驗(yàn)室和中試結(jié)果表明,該催化劑在處理高釩原料時(shí)穩(wěn)定性較好,產(chǎn)品中汽油的選擇性提升、干氣和焦炭降低,相關(guān)釩捕獲技術(shù)已經(jīng)在商業(yè)化重油催化裂化(RFCC)裝置中得到驗(yàn)證。
Grace公司與S-OIL公司下屬的煉廠合作,充分利用催化裂化催化劑復(fù)配技術(shù)以提高渣油加工能力,從而提高盈利。新型復(fù)配催化劑IMPACT 2G可以為煉廠增加5 000余桶/日的進(jìn)料能力,并依據(jù)煉廠的經(jīng)濟(jì)效益和經(jīng)營(yíng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)500萬(wàn)~2 500萬(wàn)美元/年的價(jià)值增長(zhǎng)[6]。
Albemarle公司開發(fā)了一種多產(chǎn)丙烯的渣油催化裂化催化劑DENALI AFX[7]。利用該催化劑生產(chǎn)的成品中,C3產(chǎn)率增加0.33個(gè)百分點(diǎn)、油漿收率降低0.23個(gè)百分點(diǎn)、液體產(chǎn)率增加0.25個(gè)百分點(diǎn)。在進(jìn)料量恒定的情況下,利用該催化劑進(jìn)行生產(chǎn)可使利潤(rùn)提高0.25美元/桶,且再生器溫度降低7℃可使利潤(rùn)進(jìn)一步增加0.11美元/桶。該公司還承諾到2030年將催化劑業(yè)務(wù)的碳強(qiáng)度降低35%。
2.1.2 加氫處理技術(shù)
Arkema公司主要介紹了加氫處理催化劑原位硫化劑DMDS和硫化技術(shù)Carelflex[8]。DMDS可以在多種溫度條件下實(shí)現(xiàn)液態(tài)注入,并可在碳?xì)浠衔镏型耆芙膺M(jìn)而低溫轉(zhuǎn)化為H2S。由于DMDS含硫量高,因此可最大限度地減少輸送量,提供高性價(jià)比。DMDS可在裝置啟動(dòng)期間對(duì)加氫處理催化劑進(jìn)行原位活化,防止催化劑積碳,從而延長(zhǎng)催化劑壽命。該公司的Carelflex技術(shù)提供了一種實(shí)時(shí)在線的氫純度和H2S分析儀,幫助監(jiān)控硫化過(guò)程并預(yù)測(cè)程序調(diào)整。
日本JGC催化劑化工公司通過(guò)提高活性金屬分散度和載體酸強(qiáng)度開發(fā)了一種減壓蠟油加氫脫硫催化劑。相比該公司之前生產(chǎn)的CDS-VP2催化劑,新一代CDS-VP4催化劑表現(xiàn)出更高的加氫脫硫(HDS)和加氫脫氮(HDN)活性,適用于減壓柴油(VGO)、重質(zhì)焦化柴油(HCGO)等重質(zhì)油混合進(jìn)料以及更為廣泛的操作條件[9]。CDSVP4催化劑的良好性能已在商業(yè)化裝置上得到了進(jìn)一步驗(yàn)證,目前該公司正在進(jìn)行該催化劑在海外煉廠的部署工作。
2.2.1 芳烴技術(shù)
中國(guó)石油化工股份有限公司石油化工科學(xué)研究院介紹了最新研發(fā)的重整生成油脫烯烴催化劑TORH[10]。該催化劑可以滿足重整和芳烴抽提裝置中的脫烯烴要求,烯烴脫除率達(dá)97%以上,同時(shí)降低了芳烴損失率,平均芳烴損失不到0.1%。用該催化劑生產(chǎn)的產(chǎn)品能完全滿足市場(chǎng)對(duì)于油品及芳烴產(chǎn)物的質(zhì)量要求,油品色度得到明顯改善。利用該催化劑可以減少下游芳烴抽提裝置中白土的使用,降低了白土購(gòu)買、使用和后處理過(guò)程的成本,有利于提高經(jīng)濟(jì)效益,并減輕白土對(duì)環(huán)境的影響。
Sulzer GTC公司推出了一系列生產(chǎn)化工原料的產(chǎn)品和技術(shù),以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)最大化,其中Techtiv系列溶劑可用于苯-甲苯-二甲苯混合物(BTX)和苯乙烯的抽提。Techtiv-500對(duì)于芳烴具有高溶解度和高選擇性,在液液抽提工藝中性能優(yōu)于目前使用最為廣泛的常規(guī)環(huán)丁砜,且在亞洲某煉廠的改造中進(jìn)一步表現(xiàn)出比傳統(tǒng)環(huán)丁砜液液抽提裝置能耗低15%的優(yōu)勢(shì)[11]。在抽提蒸餾工藝中,Techtiv-500表現(xiàn)出抽提能力強(qiáng)、能耗低、產(chǎn)品純度高等特點(diǎn)。GT-BTX Plus工藝?yán)脤S萌軇㏕echtiv-DS可以實(shí)現(xiàn)催化裂化汽油中BTX和噻吩類硫化物的提取,采用GT-BTX Plus工藝對(duì)催化裂化汽油HDS裝置進(jìn)行改造后,產(chǎn)品汽油在滿足低含硫量的同時(shí)辛烷值損失較小。GT-Styrene工藝結(jié)合Techtiv-200溶劑可實(shí)現(xiàn)裂解汽油中苯乙烯單體的直接回收,產(chǎn)品為聚合級(jí),純度及附加值高。
UOP披露了公司在液相二甲苯異構(gòu)化、Parex裝置優(yōu)化和Sulfolane技術(shù)改進(jìn)等3個(gè)方面的最新進(jìn)展。首先,該公司開發(fā)了一種流程簡(jiǎn)單的液相二甲苯異構(gòu)化工藝LPXI,該技術(shù)不需要點(diǎn)火式加熱爐、循環(huán)氣體壓縮機(jī)和氫氣。以該技術(shù)進(jìn)行二甲苯異構(gòu)化可使反應(yīng)更接近熱力學(xué)平衡、降低能耗、減少新裝置的資本支出,預(yù)計(jì)近兩年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。使用LPXI的優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在對(duì)二甲苯選擇性高、二甲苯損失低、催化劑不需要預(yù)硫化等,可與Parex裝置聯(lián)合以降低投資和生產(chǎn)成本。其次,該公司通過(guò)改進(jìn)旋轉(zhuǎn)閥和升級(jí)吸附室控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了Parex裝置的優(yōu)化,達(dá)到小投資、快收益的效果。最后,針對(duì)商業(yè)化成熟的Sulfolane技術(shù),目前該公司正在將數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)分析與增強(qiáng)的建模功能相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)對(duì)技術(shù)的改進(jìn),預(yù)計(jì)改進(jìn)后的技術(shù)可以更好地應(yīng)用于重整油和裂解汽油中芳烴的抽提[12]。
2.2.2 丙烷脫氫(PDH)
潤(rùn)和催化劑公司(REZEL)提供了PDH技術(shù)解決方案[13],除針對(duì)不同反應(yīng)器設(shè)計(jì)了一系列PDH催化劑外,還提供了兩種PDH工藝,其中PropeNEXT技術(shù)使用循環(huán)流化床工藝,具有占地小、操作簡(jiǎn)便、可連續(xù)在線更換催化劑等優(yōu)點(diǎn),適用于小規(guī)模PDH的生產(chǎn);ReFIX-Pro使用固定床反應(yīng)系統(tǒng),相比PropeNEXT技術(shù)占地面積更大、加工量更大,但具有類似于流化床工藝的資本支出和運(yùn)營(yíng)支出。與傳統(tǒng)固定床和移動(dòng)床加工工藝相比,ReFIX-Pro技術(shù)具有更高的單程轉(zhuǎn)化率,即便使用無(wú)鉻催化劑,產(chǎn)品性能也接近于使用含鉑和含鉻的催化劑。
生物燃料與化石燃料有很大的不同,生物燃料的組成取決于生物原料類型及其加工過(guò)程,目前共同加工生物燃料與化石燃料的思路被證明可行。據(jù)此,Topsoe公司開發(fā)的HydroFlex技術(shù)可以根據(jù)煉油廠的特定需求量身定制,從而將幾乎所有可再生原料轉(zhuǎn)化為柴油[14]。通過(guò)該技術(shù),煉油廠還可將業(yè)務(wù)擴(kuò)展至超低硫噴氣燃料的開發(fā)。
Shell公司介紹了其在煉廠降碳方面做出的新舉措,并列舉出典型的投資案例。該公司認(rèn)為,實(shí)現(xiàn)碳凈零排放的路徑主要分為3條:提高能源效率、生產(chǎn)低碳能源產(chǎn)品以及碳捕獲、封存技術(shù)[15]。目前,該公司正計(jì)劃在荷蘭鹿特丹的能源和化工園區(qū)(前Pernis煉廠)建造1座年產(chǎn)量為82萬(wàn)噸的生物燃料設(shè)施。該設(shè)施通過(guò)Porthos項(xiàng)目將生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的CO2進(jìn)行捕獲并儲(chǔ)存到北海海底的空氣田中。同時(shí),鹿特丹港也即將建立規(guī)模為200 MW的可再生能源電解水制綠氫的燃料中心,用于卡車脫碳。
Sulzer與Duke Technologies聯(lián)合開發(fā)了一種新型加氫處理工藝BioFlux用于可再生柴油的生產(chǎn)[16]。該裝置通過(guò)將氫氣完全溶解到液體中來(lái)克服滴流床設(shè)計(jì)的缺陷,同時(shí)最大化提升反應(yīng)器中的液體流量。進(jìn)料中的甘油三酯與氫氣反應(yīng)可除去氧和飽和烯烴,進(jìn)而生成柴油餾分內(nèi)的烴產(chǎn)品。通過(guò)回收一部分烴產(chǎn)品與新鮮進(jìn)料混合再加工,可以減少新鮮進(jìn)料的熱補(bǔ)充需求,并提供額外的氫氣供應(yīng),減少大量氣體回收利用的不便。總體而言,該技術(shù)可以使可再生柴油加氫處理部分的資本支出減少25%,運(yùn)營(yíng)支出減少25%~50%。通過(guò)使用液體高通量操作模式,BioFlux工藝成功地控制了反應(yīng)區(qū)溫度并最大限度地減少了反應(yīng)副產(chǎn)物的生成,因此每加工1桶原料幾乎可以生產(chǎn)相同體積的可再生柴油。該工藝還可以降低氫耗、延長(zhǎng)催化劑壽命,適用于新建或改造裝置。
Alfa Laval公司設(shè)計(jì)并優(yōu)化了加氫植物油預(yù)處理系統(tǒng)[17]。該系統(tǒng)通過(guò)酸處理脫膠除去含磷化合物和微量金屬,并以漂白黏土或類似物質(zhì)進(jìn)行洗滌和吸附;通過(guò)高速分離器和板式換熱器中的水洗和后續(xù)處理,可以除去原料中的氯化物;通過(guò)結(jié)晶和過(guò)濾,可以除去原料中的聚乙烯。在加氫處理工藝方面,該公司通過(guò)優(yōu)化分餾塔,最大化提升裝置效率,并開發(fā)了全焊式板式換熱器,在裝置節(jié)能和抗污染方面取得了一定成果。
2.4.1 高通量評(píng)價(jià)體系
BASF子公司hte業(yè)務(wù)聚焦于催化領(lǐng)域,擁有全球最大的催化研發(fā)高通量實(shí)驗(yàn)室和50多個(gè)反應(yīng)器單元,在催化劑測(cè)試工作中為客戶提供支持,具有多樣性和靈活性,使客戶從加速催化研發(fā)中受益[18]。
Avantium公司設(shè)計(jì)了一種小型獨(dú)立高通量固定床反應(yīng)系統(tǒng)Flowrence,由16個(gè)等溫固定床微流量反應(yīng)器組成,可用于開展平行反應(yīng)[19]。該反應(yīng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在可以一次性執(zhí)行16個(gè)反應(yīng),提高工作效率;提供4個(gè)溫度模塊,可同時(shí)模擬不同工藝條件;由于反應(yīng)規(guī)模較小,因此可以降低操作成本,同時(shí)增加操作方面的安全性。
2.4.2 延長(zhǎng)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)周期
Crystaphase公司從污染物入手進(jìn)行技術(shù)開發(fā)以提升反應(yīng)器性能。該公司分析了導(dǎo)致裝置提前停工的污染物成分和形態(tài),并根據(jù)具體情況利用相應(yīng)技術(shù)精確、高效地解決問(wèn)題。會(huì)上主要介紹了CatTrap和ActiPhase兩種技術(shù)[20],其中CatTrap技術(shù)可在不溶性污染物導(dǎo)致裝置產(chǎn)生壓降之前通過(guò)過(guò)濾去除;ActiPhase技術(shù)以誘導(dǎo)沉淀法來(lái)捕獲可溶性污染物,防止其通過(guò)沉淀和原位聚合等方式導(dǎo)致壓降產(chǎn)生和催化劑失活。兩種技術(shù)都成功應(yīng)用于石腦油加氫處理裝置,顯著延長(zhǎng)了裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)周期。
2.4.3 縮短裝置停工時(shí)間
RTI公司介紹了為加氫處理工藝提供的反應(yīng)器清潔技術(shù)[21]。該技術(shù)可以降低裝置停工時(shí)間,減少氮?dú)庀某杀?,提高清洗過(guò)程中的安全性和可靠性。使用到的專利技術(shù)QTRX2可以滿足消除反應(yīng)器熱氫剝離及延長(zhǎng)氮?dú)獯祾邥r(shí)間的需求。QuenchRX技術(shù)可以使催化劑和反應(yīng)器中的自燃物種失活,降低反應(yīng)器系統(tǒng)維護(hù)的安全風(fēng)險(xiǎn)。pH BALANCE技術(shù)可以降低加氫處理裝置的pH值,簡(jiǎn)單易用,能夠消耗大多數(shù)氫氧化物和氨,使反應(yīng)環(huán)境最終呈現(xiàn)中性。
2.5.1 廢塑料回收
Axens公司介紹了其廢塑料回收及可再生塑料生產(chǎn)方案Rewind Mix和Rewind PET[22]。Rewind Mix是一種可以純化熱裂解油并滿足蒸汽裂解裝置規(guī)范的獨(dú)特解決方案,可避免蒸汽裂解裝置因處理廢塑料油而引起異常停工或催化劑失活的情況出現(xiàn)。該方案可用于石油化工用石腦油和餾分油的生產(chǎn),且能與現(xiàn)有石油化工廠高度集成,預(yù)計(jì)在近期將通過(guò)許可實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。Rewind PET技術(shù)可將廢棄的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)轉(zhuǎn)化為與食品接觸級(jí)PET,具有良好的生態(tài)效益,且再生產(chǎn)的PET能提供具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格,該技術(shù)相關(guān)合作方共同制定的目標(biāo)是在2022年由Axens對(duì)Rewind PET技術(shù)進(jìn)行全球轉(zhuǎn)讓授權(quán)。
2.5.2 熱回收
Qpinch公司以自然界為靈感,通過(guò)模擬ADPATP循環(huán)以及磷酸-焦磷酸可逆反應(yīng)開發(fā)了一種熱回收技術(shù)[23]。該技術(shù)從提高能源效率的角度減少碳排放和運(yùn)營(yíng)成本,與工業(yè)廢熱的規(guī)模相匹配,回收的廢熱可提升反應(yīng)器溫度50~100℃,具有低維護(hù)成本、低能耗的特點(diǎn)。目前此熱回收技術(shù)已經(jīng)在安特衛(wèi)普的LDPE生產(chǎn)基地建成并啟動(dòng),為創(chuàng)建可持續(xù)發(fā)展的低排放行業(yè)做出貢獻(xiàn)。
Technip Energies推出了一套低碳、低成本生產(chǎn)藍(lán)氫的解決方案T.EN BlueH2[24]。與傳統(tǒng)產(chǎn)氫工藝相比,該方案實(shí)現(xiàn)了節(jié)能、增產(chǎn)、減排的目標(biāo),每制備1千克H2所產(chǎn)生的CO2由原來(lái)約10.0千克降低至約0.1千克,碳足跡降低99%。最新開發(fā)的TPR與EARTH技術(shù)更是從硬件的角度對(duì)蒸汽重整轉(zhuǎn)化制氫工藝進(jìn)行優(yōu)化。
本次ARTC會(huì)議進(jìn)一步表現(xiàn)出石化行業(yè)面向碳中和目標(biāo)所持有的積極響應(yīng)態(tài)度和面向低碳、可持續(xù)發(fā)展所采取的轉(zhuǎn)型發(fā)展舉措。以傳統(tǒng)煉油為主業(yè)的各大企業(yè)主體及研究機(jī)構(gòu)雖持續(xù)著催化劑性能提升及煉化一體化技術(shù)的開發(fā)工作,但已開始對(duì)節(jié)能減排、減油增化、優(yōu)化運(yùn)營(yíng)等方面進(jìn)行業(yè)務(wù)調(diào)整,渣油加工仍是重點(diǎn)攻關(guān)的難題,最大化生產(chǎn)丙烯需求已成為主流,高通量評(píng)價(jià)體系的利用或可加速新一代技術(shù)落地。
隨著社會(huì)對(duì)環(huán)境問(wèn)題的專注度逐年提高,資源循環(huán)利用和生物燃料的開發(fā)勢(shì)頭強(qiáng)勁,可持續(xù)航空燃料和可再生柴油生產(chǎn)技術(shù)是重點(diǎn)攻克方向??稍偕茉粗茪湟殉蔀榇髣?shì)所趨,但在全方位替代傳統(tǒng)化石燃料方面仍需要一段時(shí)間。