多产轻质油的催化裂化馏分油加氢处理与选择性催化裂化集成工艺(IHCC)的研发和工业试验

许友好，刘 涛，王 毅，孙丽丽

(1.中国石化石油化工科学研究院，北京 100083；2.扬子石化淮安清江石油化工有限责任公司； 3.中国石化工程建设有限公司)

多产轻质油的催化裂化馏分油加氢处理与选择性催化裂化集成工艺(IHCC)的研发和工业试验

许友好1，刘 涛1，王 毅2，孙丽丽3

(1.中国石化石油化工科学研究院，北京 100083；2.扬子石化淮安清江石油化工有限责任公司； 3.中国石化工程建设有限公司)

从2007年到2015年，IHCC工艺历经工艺研究、过程开发和工业试验，完成了一系列中小型探索试验、基础设计、工程设计、关键设备开发、工业装置的建设与开工、工业试验方案制定与标定等研究工作。工业试验结果表明：对于加氢重油原料，相对于FCC工艺，IHCC工艺的液体产品收率增加10.04百分点，焦炭产率下降20%以上；对于石蜡基常压渣油原料，相对于FCC工艺，IHCC工艺的液体产品收率增加6百分点以上。IHCC工艺的成功开发标志着炼油技术从追求高转化率向追求高选择性转变，从而实现石油资源的高效利用，同时还将部分解决中国石油化工能效倍增与二氧化碳排放问题。

催化裂化 蜡油加氢 转化率 选择性 液体产品收率

催化裂化工艺是重油转化的主要技术之一，可生产大部分车用汽油。但重油催化裂化工艺伴随着较多的油浆外甩，且焦炭产率较高，造成液体产品产率偏低，原料氢利用率大幅度下降，同时催化裂化工艺也是炼油工业中CO2排放的主要来源之一，在炼油厂的排放总量中约占20%。由此可见，催化裂化工艺还远不是低碳高效炼油过程。催化裂化工艺从科学到技术都存在诸多问题，解决这些问题才有可能实现技术的跃进或突破，发展真正的低碳高效的催化裂化工艺。在诸多问题中，最基础和最关键的问题是催化裂化过程的反应中石油烃分子碳碳键断裂如何实现产品最佳分布，即干气和焦炭产率尽可能低，而液体产品产率尽可能高。中国石化石油化工科学研究院(以下简称石科院)针对劣质原料油的特点，对目前催化裂化过程的反应化学进行了认真总结和分析，对重质原料油转化过程进行了系统的、大量的试验研究，结果表明：重质原料油在催化裂化转化过程中所生成的干气和焦炭随转化率增加而缓慢增加，当转化率达到一定值后，干气和焦炭产率随转化率增加而急剧增加。因此，催化裂化工艺存在着转化率处于较高值、而干气和焦炭产率之和与转化率之比处于较低值的区间，从石油资源高效利用的角度来看，该区间是重质原料在催化裂化装置上的最佳转化率区间。因此，实现石油资源高效利用的目标是将不同类型的原料油在最佳转化率区间内转化，减少干气和焦炭的生成，同时强化现有炼油技术的一体化，选用不同的炼油技术将组成异常复杂的重质原料经多次转化反应生成各种不同类型的石油产品，满足市场需求，从而实现最大量地生产轻质油品和高价值的化工原料。有鉴于此，石科院提出了多产轻质油的催化裂化馏分油(FGO)加氢处理工艺与选择性催化裂化(或缓和催化裂化)工艺集成技术(IHCC—Integration of FCC Gas Oil Hydrotreating and Highly Selective Catalytic Cracking for Maximizing Liquid Yield)的构思。IHCC工艺的核心技术包括两个子工艺：一是选择性催化裂化工艺，简称为HSCC(Highly Selective Catalytic Cracking)工艺；二是HSCC工艺所生产的FGO中的芳烃和胶质经加氢处理进行芳烃饱和的工艺，简称为HAR(Hydrogenation of Aromatic and Resin of FCC Gas Oil)工艺[1]。从2007年到2015年，石科院与中国石化工程建设有限公司及扬子石化淮安清江石油化工有限责任公司(以下简称清江石化)等单位合作，对多种不同类型原料油进行IHCC工艺中小型试验研究，并以石蜡基常压渣油和加氢重油为原料进行了IHCC工艺的工业试验。

1 IHCC工艺研究

1.1 中型试验及试验结果

IHCC工艺中型试验在3套中型装置上进行，依次为HSCC中型试验装置、HAR加氢中型试验装置和小型提升管催化裂化中型试验装置。中型试验中选用茂名加氢重油(较优)、齐鲁加氢重油(较差)、管输中间基重油和大庆石蜡基减压渣油进行研究，考察这些原料油的转化率与干气产率、焦炭产率之间的关系，寻找干气和焦炭产率之和与转化率之比最低时的操作区间。在确定的操作区间内，研究操作参数对产物分布、产品性质的影响，从而为加工不同类型原料油的HSCC装置设计提供基础数据。

为配合HSCC工艺开发，开发出专用催化剂，其商品名称为ASC-2，其特点为催化剂自平衡时间短、平衡催化剂活性稳定、焦炭选择性好。为配合HAR工艺开发，开发出专用的多环芳烃饱和催化剂，其商品名称为RDA-1，其特点为芳烃饱和能力强、开环裂化能力低，经2 000 h运行试验证明其具有良好的稳定性。

IHCC中型试验结果表明：对于性质相近的两种加氢重油，IHCC工艺与MIP工艺相比，液体产品收率增加11.58百分点，干气产率降低0.76百分点，焦炭产率降低4.23百分点，油浆产率降低6.57百分点；对于性质相近的两种大庆减压渣油，IHCC工艺与VRFCC工艺相比，液体产品收率增加9.10百分点，干气产率降低0.32百分点，焦炭产率降低2.80百分点，油浆产率降低5.80百分点。由此可以看出，IHCC工艺技术可以大幅度提高液体产品收率，降低干气和焦炭产率，同时可以将FCC工艺油浆完全转化为液体产品。

1.2 最佳转化率区间

以茂名加氢重油和大庆蜡油为原料，在中小型HSCC实验装置上研究不同转化深度下干气和焦炭产率及其选择性的变化趋势，得到两种不同原料的转化率与干气产率(或选择性)、焦炭产率(或选择性)之间关系。焦炭产率与转化率的关系见图1，干气产率与转化率的关系见图2。从图1和图2可以看出：在转化率较低时，随着转化率的增加，两种原料油的干气和焦炭产率均缓慢增加，当转化率达到一定值(称为临界值)后，干气和焦炭产率均急剧增加；干气和焦炭产率对应的临界转化率不同，焦炭在干气之前；茂名加氢重油的干气和焦炭产率所对应的临界转化率均小于大庆蜡油，这表明原料油越重，其临界转化率越低。

图1 焦炭产率与转化率的关系

图2 干气产率与转化率之间关系

图3 干气选择性与转化率的关系

图4 焦炭选择性与转化率的关系

将图1和图2的焦炭产率和干气产率与转化率之间的关系转化为相应的选择性与转化率之间的关系，结果如图3和图4所示。从图3可以看出，茂名加氢重油的干气选择性最低值对应的转化率为65%左右，而大庆蜡油的干气选择性最低值对应的转化率为80%左右，两者相差约15百分点。从图4可以看出，茂名加氢重油的焦炭选择性最低值对应的转化率为55%左右，而大庆蜡油的焦炭选择性最低值对应的转化率为70%左右，两者相差也为约15百分点。按图3和图4中数据推算，茂名加氢重油的最佳转化率区间为55%～65%，而大庆蜡油的最佳转化率区间为70%～80%。实际上茂名加氢重油采用FCC工艺加工时，为了提高重油转化能力，其转化率一般控制在70%左右，偏离最佳转化率区间约5～15百分点，从而不可避免地造成干气和焦炭产率增加；而大庆蜡油采用FCC工艺加工时，其转化率一般控制在75%左右，正好落在最佳转化率区间，其追求高转化率与改善目的产品选择性的目标是一致的。与大庆蜡油相比，茂名加氢重油的最佳转化率区间降低了约15百分点。说明原料性质越差，其最佳转化率区间越低，这为后续的劣质重油IHCC中型试验方案设计提供了有益的参考作用，同时表明IHCC工艺在加工更劣质的原料油时液体产品收率的提升空间更大。

1.3 FGO加氢处理工艺研究

FGO含有较多的短侧链多环芳烃、胶质和沥青质，而多环芳烃、胶质和沥青质的结构复杂且芳环结构稳定，沥青质、胶质和多环芳烃是结焦前躯体，尤其是沥青质、胶质更易在加氢催化剂表面吸附、积炭，使催化剂快速失活，而且如果不能通过加氢反应将沥青质、胶质尽可能转化，则在FCC过程中也会结焦生炭。因此最需要加氢处理过程将多环芳烃、胶质和沥青质中的芳环加氢，使它们变为有利于FCC转化的氢含量较高且不易结焦的组分。另外，FGO中硫化物和氮化物的种类属于大分子稠环芳烃类物种，稳定性高，分子中的硫、氮不易接近催化剂活性中心，脱除难度很高，因空间位阻效应，直接脱除路径受到抑制，而先芳环加氢再脱除的路径可以减少空间位阻，是提高活性的主要途径，这也和催化剂所追求的主要功能相一致。在此情况下，具有高芳环加氢活性的金属组分有利于反应的进行。有鉴于此，开发出专用催化剂RDA-1，该催化剂具有较强的芳环加氢功能，能将氢加到多环芳烃、胶质和沥青质的芳环中，使多环芳烃有较高的转化率，尽可能使胶质和沥青质全部转化；同时具有较强的抗积炭功能，使容易吸附在活性表面的积炭前躯体如碱性氮化合物、多环芳烃、胶质和沥青质等能快速加氢脱附，保持较高的活性稳定性，以及具有较高的氢解活性，以保证较高的加氢脱氮和加氢脱硫活性，尤其是加氢脱碱氮的活性。与专用催化剂相适应，开发特定的加氢处理工艺流程以吸收FGO加氢处理过程中过高的放热量，并保持适宜的反应温度。在中型加氢装置上对不同类型的FGO进行试验研究，确定了富含单环芳烃和富含环烷烃两种加氢处理试验方案，并对两种加氢处理试验方案的操作参数进行系统的研究，为HAR装置设计提供基础数据。

由于FGO中含有较多的短侧链多环芳烃和胶质，相比于劣质重油中的长侧链多环芳烃和胶质，其短侧链不易发生断裂，从而有利于选择专用催化剂和特定工艺流程对多环芳烃和胶质的芳环进行定向加氢，减少烃类碳碳键断裂后饱和所消耗的氢，这一点从FGO加氢产物与原料的摩尔比低可以看出(图5)。图5为渣油加氢、VGOCGO加氢和FGO加氢的产物与原料摩尔比的比较。由图5可知，渣油加氢产物与原料的摩尔比约为3.62，处于最高，而FGO加氢产物与原料的摩尔比只有1.09，处于最低。

图5 几种加氢处理装置的产物与原料摩尔比

2 IHCC工业试验

图6 IHCC工艺技术的原则流程示意

2014年7月28日，HAR装置的加氢FGO进入HSCC装置原料罐，HSCC和HAR两套装置流程贯通，标志着工业试验正式开始。按照IHCC工艺要求，对HSCC装置和HAR装置操作参数进行调整，达到设计条件后又运转近60天，于2014年9月26日正式进行初步标定。初步标定结果表明，液体产品收率比改造前增加6百分点以上。新鲜催化剂老化器是HSCC专用设备，对于控制专用催化剂初始活性，改善产品的选择性起到非常重要的作用。从工业试验结果看，新鲜催化剂经水热处理后，其活性可以降低到85以下，处理后的催化剂按正常单耗补充，可得到满足HSCC工艺要求的催化剂活性。工业试验期间，FGO过滤器运行效果很好，不管是常压渣油还是加氢重油，FGO经过滤后的固含量均小于4 μgg，过滤器对FGO中催化剂颗粒物含量具有很好的适应性并长期保持平稳运转，未出现任何故障，这充分说明此次试验中过滤系统的应用是非常成功的。因此，采用带反冲洗功能的金属滤芯过滤器过滤FGO这类性质的油品是可行的。

针对IHCC装置初步标定中存在的问题，并考虑到现有装置的具体情况以及时间限制，只补加轻循环油进汽油提升管的管线，这样汽油提升管既可以进汽油，也可以进轻循环油。在最终考核标定中，汽油提升管只进轻循环油，以减少IHCC工艺的汽油产物损失。并于2015年6月进行了石蜡基常压渣油和加氢重油的FCC工艺空白标定。

2015年7月，按IHCC工艺要求，首先将加氢处理装置调到HAR技术状态，等待HSCC装置提供FGO原料。7月21日后，HSCC装置和HAR装置互供原料，按闭路循环进行操作，同时HSCC装置和HAR装置的操作参数已达到设计值；8月8日至8月9日，进行加氢重油多产汽油的IHCC工业试验标定；8月11日至8月12日，进行加氢重油多产轻质油的IHCC工业试验标定；8月13日将原料由加氢重油切换为石蜡基常压渣油，8月14日至8月15日，进行石蜡基常压渣油多产汽油的IHCC工业试验标定。FCC和IHCC装置标定时的原料油性质、主要操作条件和产物分布见表1。从表1可以看出：在加工性质相近的加氢重油时，FCC装置的液体产品收率为80.05%，而IHCC装置多产汽油和多产轻质油方案的液体产品收率分别为88.61%和90.09%，比FCC装置分别提高8.56百分点和10.04百分点；IHCC装置的提升管出口温度比FCC装置低14～16 ℃，按催化裂化反应基本原理，高反应温度有利于改善焦炭选择性、提高汽油辛烷值，但干气选择性变差，这种现象可从IHCC装置与FCC装置的干气和焦炭产率得到验证，与FCC装置相比，IHCC装置的干气产率下降40%以上，超过中型装置干气产率的降低幅度，这是由于反应温度降低所致，而焦炭产率仅降低了21.05%，低于中型装置焦炭产率的降低幅度(在30%以上)[1]。在加工性质相近的石蜡基常压渣油时，IHCC装置的液体产品收率比FCC装置提高7.27百分点。

表1 IHCC和FCC装置标定时的原料油性质、主要操作条件和产物分布

FCC和IHCC装置标定时汽油性质和轻循环油性质见表2。从表2可以看出：在以加氢重油为原料时，IHCC汽油的组成明显不同于FCC汽油，前者的烯烃体积分数高，在30%～35%之间，而后者的烯烃体积分数只有23.8%；IHCC汽油的RON比FCC汽油低0.7～1.3个单位，这与各装置的提升管出口温度之差密切相关，即温度每提高10 ℃，RON增加1个单位，按此原理推算，两者的RON应该基本相同，但IHCC汽油的MON应低于FCC汽油。在以石蜡基常压渣油为原料时，IHCC汽油的烯烃体积分数为54.9%，比FCC汽油增加13.1百分点，即使在液化气产率降低约4百分点时，IHCC汽油的RON也与FCC汽油相同，而MON 比FCC汽油低约1个单位。

从表2还可以看出，无论是加氢重油，还是石蜡基常压渣油，采用IHCC技术后，轻循环油性质均得到改善，表现为十六烷值明显增加，氢含量增加，同时硫、氮含量降低。

为了比较和判断FCC和IHCC过程的碳氢再分布程度，采用用碳、氢有效利用率两项指标来评价，其数值高低反映了目的产品对原料中碳、氢元素利用的有效程度。碳有效利用率(EC)定义为液化气、汽油、轻循环油中的碳占原料中碳的质量分数之和。氢有效利用率(EH)定义为液化气、汽油、轻循环油中的氢占原料中氢的质量分数之和。

表2 IHCC和FCC装置标定时的汽油和轻循环油性质

FCC和IHCC装置标定时加氢重油原料中的碳、氢有效利用率见表3。由表3可以看出，多产汽油的FCC装置标定、多产汽油的IHCC装置标定和多产轻质油的IHCC装置标定时的碳有效利用率(EC)分别为79.83%，88.17%，89.64%，而氢有效利用率(EH)分别为85.26%，90.49%，91.70%。说明IHCC工艺可以明显提高原料中的碳、氢有效利用率。即使如此，IHCC工艺对原料碳、氢的有效利用率仍然低于20世纪70年代馏分油的催化裂化，当时馏分油催化裂化对原料碳、氢的有效利用率约为94%[2]。因此，IHCC工艺的产物分布仍有改善的空间。预测在HAR装置达到设计要求时，IHCC工艺对原料中碳、氢的有效利用率将达到更高的水平。

表3 IHCC、FCC装置标定时加氢重油原料中的碳、氢有效利用率

3 IHCC工艺有待开发的技术

3.1 IHCC与渣油加氢技术集成

IHCC与渣油加氢(RDS)技术集成体现在以下两点：一是可以为RDS装置提供FGO，替代RDS原料中的馏分油(VGO)；二是由于IHCC工艺适合处理劣质原料，可以降低RDS装置运转初期的操作苛刻度，为IHCC工艺提供更劣质的加氢重油。HSCC装置可生产更多的富含多环芳烃的FGO，而FGO中的多环芳烃由HAR装置进行饱和加氢，降低了RDS装置对原料中胶质和沥青质加氢改质的要求，有利于延长RDS装置运转周期，从而使RDS和FCC装置的运行周期更加匹配[3]。

3.2 IHCC工艺产品方案的灵活性

常规的FCC工艺产品生产方案包括多产液化气(丙烯)和汽油、多产汽油和多产轻质油等方案。IHCC工艺产品生产方案比常规的FCC工艺更加灵活，原因在于IHCC工艺中含有FGO加氢处理部分，可以通过调整FGO馏程范围以及FGO的流量来实现IHCC工艺的多种产品生产方案，并使每种产品生产方案处于最佳水平。当IHCC工艺多产液化气(丙烯)和汽油时，可采用含择形分子筛的专用催化剂，降低FGO初馏点(如330 ℃或300 ℃甚至250 ℃)以提高FGO流量，使更多的加氢FGO返回到HSCC原料中去，同时提高HAR装置的加氢饱和深度；当IHCC工艺多产汽油时，可适当地提高HSCC装置的反应苛刻度，并保持适宜的FGO加氢饱和深度，降低FGO初馏点(如330 ℃或300 ℃甚至250 ℃)以提高FGO流量，使更多加氢FGO返回到HSCC原料中去，最极端情况是将轻循环油馏分全部切入到FGO中，经加氢处理后再返回到HSCC原料中，这样就不产轻循环油馏分；当IHCC工艺多产高十六烷值轻循环油时，可适当地降低HSCC装置的反应苛刻度，提高FGO初馏点(如大于350 ℃)。

3.3 IHCC汽油后处理技术的开发

IHCC汽油烯烃含量过高，尤其对于加工石蜡基原料，其汽油烯烃体积分数高达50%，必须开发出具有竞争力的降低IHCC汽油烯烃的技术，才能使IHCC工艺更有竞争力。针对IHCC汽油的组成特点，开发汽油轻烯烃醚化和重烯烃芳构化脱硫集成技术，可以实现汽油烯烃体积分数小于20%、硫质量分数低于10 μgg、辛烷值增加1个单位以上的目标。

汽油轻烯烃醚化和重烯烃芳构化脱硫集成技术是将IHCC汽油中碳五烯烃切割出来进行醚化[4]，对碳六以上烯烃进行芳构化，其芳构化过程是在汽油脱硫过程中一并进行的，已进行初步的试验研究，取得了较为理想的试验结果。试验原料的IHCC汽油(全馏分)组成见表4。将原料中的碳五组分切出，原料中的重馏分组成及重馏分芳构化脱硫后的组成也列于表4。

表4 典型的IHCC汽油组成及其烯烃分布

从表4可以看出，重馏分芳构化脱硫后，其芳烃质量分数增加1.5百分点，RON只降低0.4个单位，而MON增加0.4个单位，硫质量分数为3.6 μgg。考虑到实验室汽油脱硫装置在汽油相同的脱硫率下，汽油辛烷值损失高于工业装置约1个单位以上[5-6]，因此在未来的工业汽油脱硫芳构化装置上，RON有可能增加0.5个单位以上，MON有可能增加1.5个单位以上。

将碳五烯烃醚化后的汽油和重馏分芳构化脱硫后的汽油进行混兑，混兑后的汽油组成列于表4。从表4可以看出，混兑后的汽油可作为未来满足国Ⅵ排放标准的车用汽油调合组分。

4 结 论

(1) IHCC工艺实现了炼油技术从追求高转化率向高选择性转变，强化了脱碳工艺和加氢工艺等不同的炼油工艺之间的组合，从而提高石油资源利用效率，为炼油工艺技术集成提供了范例。

(2) IHCC工艺的工业试验结果表明：对于石蜡基常压渣油原料，IHCC工艺与FCC工艺相比，液体产品收率增加6百分点以上；对于加氢重油原料，IHCC工艺与FCC工艺相比，液体产品收率增加10百分点以上。

(3) IHCC工艺适合处理劣质重油，提高了炼油厂处理劣质原料油的适应性。

(4) IHCC工艺具有多种不同的产品生产方案，且相互切换更加灵活。

(5) IHCC工艺在应对原油供应的重质化与劣质化、促进有限的重油资源深度和高效转化、增产轻质油品等方面均具有重要意义，同时，还将部分解决中国石油化工能效倍增与二氧化碳排放问题。

[1] 许友好，戴立顺，龙军，等.多产轻质油的FGO选择性加氢工艺和选择性催化裂化工艺集成技术(IHCC)的研究[J].石油炼制与化工，2011，42(3)：7-12

[2] 陈俊武，许友好.催化裂化工艺与工程[M].3版.北京：中国石化出版社，2015

[3] 李大东.加氢处理工艺与工程[M].北京：中国石化出版社，2011

[4] 袁清，毛俊义，黄涛，等.轻汽油醚化催化蒸馏过程模拟研究[J].石油炼制与化工，2011，42(7)：67-72

[5] 李鹏，田健辉.汽油吸附脱硫S Zorb技术进展综述[J].炼油技术与工程，2014，44(1)：1-6

[6] 段玉亮,刘锋,尹威威.S Zorb装置长周期运行分析[J].石油炼制与化工,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。

许友好，教授级高级工程师，主要从事催化裂化工艺的研究工作。

许友好，E-mail：xuyouhao.ripp@sinopec.com。

国家科技支撑计划课题资助项目(2012BAE05B05)；2011—2015年度中国石油化工股份有限公司十条龙攻关项目。