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為了生產烯烴和芳烴，傳統石腦油催化裂解制烯烴和芳烴工藝不得不配套大型煉油裝置，導致其工藝流程長、投資大、能耗高，而且產品中的柴油、煤油、瓦斯油、高沸點殘留物等佔比超過70%，而用於生產烯烴和芳烴的石腦油佔比僅為20%。為了獲取更多化學品，企業不得不配套更大規模的煉油裝置及重油與柴油加氫裝置,致使烯烴和芳烴的生產成本大幅增加。那麼，能否繞過煉油過程,以原油直接裂解制烴產品呢？
記者獲悉，多年從事該項技術研究的清華大學教授、教育部長江學者特聘教授、北京市綠色化學反應工程和技術重點實驗室主任魏飛及他的合作者已經開發出原油制烯烴芳烴技術工藝。記者就此採訪了他。
魏 飛
清華大學化學工程教授、博士生導師
教育部長江學者特聘教授
北京市綠色化學反映工程和技術重點實驗室主任
1996年、1997年、1999年分別獲得國家傑出青年獎、中國青年特殊貢獻獎等殊榮。主要研究方向包括多相流和多相流反應工程、氣固流化床及其在石油化工和煤化工工程中的應用、碳納米管及納米功能材料、工業催化與反應過程強化等，在流態化、多相催化及碳納米管領域貢獻卓越，領銜開發了世界最大規模的碳納米管生產技術以及高密度循環流化床、甲醇制芳怪、氣固並流下行床等技術。
記者：原油直接裂解制烴產品是當前全球最前沿的石化技術。請您介紹一下該技術的反應機理和反應條件。
魏飛：原油直接裂解制烴產品，其核心是利用原油重質化條件下的原料直接生產化工平臺化合物。由於原料與產品的氫碳比總體平衡，如果從反應機理上避免高溫自由基反應及脫氫反應，就可以避免目前石油化工生產過程對於中間產物的反覆加氫、裂解等一系列低效、非原子經濟性的循環過程，實現優異的原子經濟性，也使得項目的投資強度和能耗大幅降低，收益顯著提高。
我們搞的原油直接裂解制烯烴與芳烴的反應條件比較苛刻，反應機理也更複雜。它是在超過600攝氏度、催化劑/原油比大於15千克/千克、催化劑與原油接觸反應時間小於1秒的條件下，原油在平推流多相反應器中，經裂解、脫氫、芳構化等一系列反應，生產出烯烴、芳烴及其他化學品，整個過程是正碳離子與烴池反應機理的組合。由於反應及物料停留時間極短，在很大程度上避免了高溫自由基反應與脫氫、芳烴縮合反應，從而大幅提高了烯烴、芳烴收率，降低了結焦率。
記者：與傳統石油路線相比，原油直接裂解制烯烴、芳烴有哪些顯著優勢？
魏飛：我認為有四大顯著優勢：
一是裂解原料為原油而非石腦油、輕柴油或加氫尾油，省去了傳統石油制烯烴、芳烴工藝必須配套的能耗、氫耗巨大的重油加氫裂解單元，整個裝置的能耗、氫耗會明顯下降。
二是傳統的催化裂化製備烯烴、芳烴工藝，主要產品是油品，而烯烴和芳烴被淪為副產品且收率較低。以重油催化裂化為例，僅可得到5%的丙烯。而原油直接裂解制烯烴和芳烴技術正好相反，它以生產烯烴、芳烴等化學品為主，化學品收率接近70%～80%，汽油柴油產率極低。
三是所得產品中，除乙烯以外的幹氣低、結焦低，柴油、油漿量很少；所得汽油中單環芳烴含量超過45%，直接抽提芳烴後，可繼續回煉得到烯烴、芳烴，進一步提高烯烴、芳烴產品的收率。
四是由於整個過程的原料與產品總體氫碳比是平衡的，避免了目前石化生產過程中大量的氫氣、甲烷生成及對於中間產物反覆加氫、裂解等低效非原子經濟性循環過程，實現了優異的原子經濟性，因此，投資強度和能耗大幅下降，項目收益率顯著提升。
記者：那麼與煤制烯烴、甲醇制烯烴相比呢？
魏飛：抱歉，這一技術不宜與煤化工直接比較。因為雖然煤化工的投資大、能耗高，但就我國的資源稟賦而言，原料是有保證的。而這一點，對投資巨大的項目或大產業而言至關重要。
記者：原油直接裂解制烴產品對原料和催化劑有無特殊要求？
魏飛：原油直接裂解制烯烴和芳烴不僅對原油性質有一定要求，對催化劑性能的要求更高。
對於原油，要求其重金屬含量不能太高，鎳+釩的含量最好小於百萬分之三，從而確保脫氫與芳烴縮合反應速度得到抑制。另外，低碳烷烴含量也不能太高，如小於碳12的烷烴含量不高於30%。這與低碳烷烴的催化裂解催化劑的活性不夠好相關。最好採用石蠟基含氫量高的重油作原料，儘量避免使用催化或焦化柴油或重油加氫尾油做原料。這是因為若原料中重金屬含量高或氫含量過低，將嚴重影響烯烴收率；若採用催化或焦化柴油、重油加氫油作裂解原料，則烯烴、芳烴的收率會下降。
至於催化劑，不僅要求其活性高、裂化原油的能力強，還要求其對烯烴、芳烴有良好的選擇性。同時，要求催化劑的表面為結焦低的介孔結構。
記者：據了解，當前全球範圍內，原油直接裂解制烯烴和芳烴技術實現產業化的並不多，請問難點在哪裡？你們研發的技術已經到了哪一步？
魏飛：我認為原油直接裂解制烯烴和芳烴技術實現產業化的難點主要有3個：
一是在溫度超過600攝氏度、劑油比超過15千克/千克且不到1秒鐘接觸時間的苛刻條件下實現原油催化裂解，需要顯著抑制返混，降低結焦和幹氣的產生，從而對新型反應器結構與過程控制提出了嚴格要求。
二是在大劑油比條件下，傳統催化裂化反應再生系統（簡稱反再系統）下的返混大、容易產生噎塞，在不穩定流化區域操作難度很大，需要開發新的特殊的下行式多級逆流流化床反應器。
三是所開發的催化劑在高溫下必須同時具備良好的活性、穩定性和對烯烴、芳烴的高選擇性。
經過不懈努力和試驗，原油直接裂解制烯烴和芳烴所需的高效專用催化劑製備技術我們已經攻克。我們開發的下行床柔性重油催化裂化/裂解技術在中國石化集團濟南煉油廠15萬噸/年工業試驗成功應用後，還開發出具有完全自主智慧財產權的原油直接裂解制烯烴、芳烴關鍵核心技術——多級逆流下行式反應器，並完成了10千克/小時全流程試驗。我們的合作夥伴——沙烏地阿拉伯國家石油公司（簡稱沙特阿美）則完成了下行床反應器的百萬噸級工業試驗並在韓國完成了120萬噸/年工業示範，積累了較為豐富的工程化經驗和過程控制數據。至此，制約原油直接裂解制烯烴、芳烴的三大難題我們基本解決。目前，我們與沙特阿美正通力合作，發揮各自優勢，加快技術的優化和工業化進程。
記者：請您藉此回顧一下國內原油直接裂解制烯烴、芳烴技術的開發歷程。
魏飛：國內石化行業探索原油直接裂解制烯烴、芳烴技術已經有很長時間了，最早可以從上世紀60年代引進砂子爐進行原油直接裂解算起。但當時由於砂子爐工程問題突出，再加上是以熱裂解為核心的技術，並未取得預期的效果。由於傳統煉油-乙烯（化工）一體化項目不僅工藝流程長、投資大，而且所得產品以柴油、汽油、煤油等燃料油為主，只有副產的20%左右的石腦油才能作為生產烯烴、芳烴的原料，導致市場短缺、附加值高的烯烴、芳烴產品長期供不應求。尤其化學品需求量巨大且持續增長的亞太地區，烯烴、芳烴的供需矛盾一度十分突出。在這種情況下，原油直接制烴產品成為石化行業關注的重點。
2000年，中石化洛陽石化工程有限公司成功開發出重質油裂解制烯烴技術；2010年3月，中國石油化工股份有限公司石油化工科學研究院推出重油催化熱裂解制烯烴技術。這兩項技術既是原油直接裂解制化學品的探索和嘗試，也可以看作是原油直接裂解制化學品的雛形。但由於相關技術對於原油結焦、重金屬沉積、反應傳熱、催化劑失活等諸多工程問題一直難以解決，加之此前國內成品油供應不足、利潤可觀，石化企業少產油多產化學品的積極性不高，導致原油直接裂解制化學品技術此後一直停滯不前。
隨著可再生能源及電動車的發展，全社會對汽油、柴油的需求增長放緩，成品油供大於求矛盾開始顯現並不斷加劇，石化企業對開發能夠多產化學品少產成品油的原油直接裂解制烴產品技術的熱情再度升溫。同時，清華大學在下行床柔性重油催化裂化/裂解方面與中國石化集團濟南煉油廠取得了15萬噸/年工業試驗的成功，我國現代煤化工快速發展為煤氣化過程中下行床的廣泛使用積累了諸多工程經驗，日本相關企業及沙特阿美在百萬噸級下行床技術工業試驗方面取得了工程化的長足進步，國內外企業的這些探索均為原油直接裂解制烴產品技術的開發創造了條件、提供了支撐。2015年7月，我們開始與沙特阿美合作開發以多級逆流下行式反應器為核心的平推流式下行床原油直接裂解制烴產品技術。
記者：據了解，美國埃克森美孚公司也已開發出了原油直接裂解制烯烴和芳烴技術並實現了工業化應用。你們和美孚技術有何不同？
魏飛：埃克森美孚是在2014年建成並運行了原油直接裂解制烴產品技術的，其核心是利用現有石油分餾與裂解技術的組合，通過對原料的選擇與加工方案的優化，使化學品價值最大化。據稱，其化學品收率可由傳統煉化一體化的10%～15%提高到50%～70%，噸烯烴成本可以節省100～200美元，可以將其看作原油直接裂解制烯烴、芳烴的第一代技術。
我們開發的原油直接催化裂解制烯烴、芳烴技術，化學品收率可達70%～80%，不僅原料適應性更廣，還解決了目前重油催化裂解帶來的焦炭高、幹氣量大、產品收率低等核心問題。具體而言，若採用石蠟基或中間基原油，我們開發的平推流式下行床原油直接裂解制化學品工藝的乙烯+丙烯單程收率可達45%（質量百分比，下同）、芳烴收率23%。若加上循環，可得到70%以上的雙烯與單環芳烴。更為重要的是，該過程中焦炭與柴油的產率很低，避免了焦炭量大引起的反再系統熱量不能平衡，柴油量大引起的加氫循環不能增產烯烴、芳烴的問題。
記者：你們準備何時開始大規模工業化推廣？
魏飛：我們已經完成具有完全自主智慧財產權的多級逆流下行式原油制烯烴芳烴工藝10千克/小時的全流程實驗，正在國內推進50萬噸/年至120 萬噸/年工業示範，預計近幾年就會有百萬噸級示範裝置投建。未來，這一技術將會成為大型煉廠由煉油型、煉化一體化向高效化工型煉廠跨越的核心單元。
記者：隨著眾多大型乙烯、芳烴及煤化工項目的投產，我國烯烴、芳烴產能持續大幅增長，甚至在3～5年後可能存在產能過剩的風險。在這種情況下，您對原油直接裂解制烴產品技術的前景還有信心嗎？
魏飛：就目前新建和規劃的烯烴、芳烴項目規模和速度而言，未來的確有產能過剩的可能。但我們從另一個角度來看，屆時烯烴芳烴產能真的過剩，也屬於結構性過剩，首先淘汰的必然是那些工藝技術落後、能源資源消耗大、規模小、上下遊配套不完善、成本高的產能。能耗和氫耗低、投資強度小、競爭力強的技術和項目不僅不會被淘汰出局，反而會得到更多投資者青睞。這也是為什麼埃克森美孚希望在中國建大型原油直接裂解裝置的原因。因此，我對我們技術的前景充滿信心。
另外，從我國石化行業的發展歷程看，真正的先進技術是很難從國外買到的。尤其在當前國際地緣政治複雜的大背景下，我國獲取國外先進石化技術的可能性更小。這就倒逼我們必須自主開發比國外更先進的石化技術，才能在未來的國際競爭中站穩腳跟。
從美國化工30年的發展歷程看，沒有技術突破與積累的企業，絕大部分都會被淘汰。中東國家的石化企業，正是看到了技術進步的重要性，才拋棄了擁有豐富油氣資源和低原料成本的優越感，不僅投入巨資開展基礎性、前沿性技術研究，還敞開大門，主動開展對外合作和聯合技術攻關。相信國內有遠見卓識的石化企業，也會積極參與到包括原油直接裂解制化學品在內的高新技術開發研究中來，共同推動相關技術的研發、試驗、優化、完善乃至推廣應用，促進我國石化行業技術進步和產業升級。
記者：目前國際能源尤其石油和天然氣市場跌宕起伏。這種走勢將會對烴產品市場產生怎樣的影響？又會對你們的技術推廣應用產生怎樣的影響？
魏飛：石油與國際能源市場的波動，更大程度上反映了以美元為核心的國際資本對石油市場的作用關係。中國在人民幣強於美元之前或中國的金融具有國際主導權之前，不僅很難在這個市場上獲得大的利益，還會因我們的原油對外依存度超過72%而帶來長久且不可控的影響。在這種情況下，用先進的原油直接裂解制烴產品，能夠更好地減少或規避石油及國際能源市場波動對我國化工市場、石化行業乃至能源領域的影響。
記者：謝謝您接受採訪！
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文章來源：《中國石油和化工產業觀察》雜誌，記者：陳繼軍
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本期編輯：歸歸、小玉
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