讓催化反應(yīng)工程知識花開煉油加氫過程

蔡巧玉

40年前一提到石油，大多數(shù)人只會聯(lián)想到大慶油田、“鐵人”王進喜和黑油這3個關(guān)鍵詞，那時老百姓對石油用途的認知還很淺顯。而今天隨著人們生活水平的提高，石油已讓更多人會首先將之與自己的生活聯(lián)想到一起。

要將石油變?yōu)槿藗內(nèi)粘Ｉ钣玫漠a(chǎn)品，需要在煉廠進行一系列加工，其中加氫技術(shù)是不可或缺的一環(huán)。加氫技術(shù)一方面是生產(chǎn)清潔油品所必須的技術(shù)，另一方面它也是將煉油與化工結(jié)合在一起的必要手段?？梢哉f在綠色發(fā)展理念深入人心的今天，加氫技術(shù)更顯示出其重要性，目前新建煉廠大多數(shù)采用全氫型加工流程就是證明。中國石化要走綠色發(fā)展的道路，做有責(zé)任有擔(dān)當(dāng)?shù)钠髽I(yè)，更是將加氫技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用擺在重要的位置。為中國石化企業(yè)提供綠色技術(shù)支撐的中國石化大連（原撫順）石油化工研究院就一直在這條路上砥礪前行。

作為大連石油化工研究院原院長，近40年，方向晨潛心于關(guān)于石油煉制技術(shù)的研究，積淀了深厚的理論和技術(shù)功底。他堅持從基礎(chǔ)研究入手，在我國煉油工業(yè)發(fā)展的不同關(guān)鍵時期，圍繞高硫原油加工、低成本汽柴油質(zhì)量升級及提高工業(yè)加氫裝置運行效率等方面，創(chuàng)造性地將催化反應(yīng)工程知識應(yīng)用于解決生產(chǎn)中的難點問題，主持開發(fā)了十幾項具有引領(lǐng)性意義的煉油加氫新技術(shù)，并使其得到廣泛應(yīng)用，為我國加氫技術(shù)跨入國際領(lǐng)先行列，從跟跑、并跑到領(lǐng)跑做出了重要貢獻。

科研起步厚積薄發(fā)

方向晨出生于安徽桐城，這是江淮文化圈的發(fā)祥地和集中地?！锻┏顷扰f傳》記載：“城里通衢曲巷，夜半誦聲不絕”。這句話道出了桐城人“窮不丟書”的文化傳統(tǒng)。方向晨愛讀書，一方面與家鄉(xiāng)的文化環(huán)境有關(guān)，另一方面也與家庭環(huán)境有關(guān)，從當(dāng)教師的父母身上，他耳濡目染，從小就養(yǎng)成了勤于讀書、思考的習(xí)慣，所以即使在安徽太湖縣岔路鄉(xiāng)高沖大隊插隊，這種好習(xí)慣也未被改變。正是由于這樣的積累，1978年恢復(fù)高考后，他順利考入華東化工學(xué)院（現(xiàn)華東理工大學(xué)）化學(xué)工程系，由此開啟了在石化領(lǐng)域鉆研不輟的求學(xué)和科研歷程。

在石油煉制專業(yè)求學(xué)的4年時間里，他沒有滿足于課堂上的求知，而是將課余時間利用起來，泡圖書館，跑實驗室，盡可能地豐富自己的知識儲備。1982年，躊躇滿志的方向晨從華東理工大學(xué)畢業(yè)，被分配到撫順石油化工研究院。到研究院后，在具體選擇哪個科研方向的問題上，他面臨著抉擇。加工工藝、催化劑是當(dāng)時院里最主要的專業(yè)，但他并未去追尋熱點，而是選擇了“坐冷板凳”，他覺得自己在這兩個方向的發(fā)展，缺乏相關(guān)基礎(chǔ)知識的支撐。為了讓自己打好基礎(chǔ)，也為了把支撐加氫過程反應(yīng)內(nèi)核的知識了解清楚，他選擇了關(guān)于加氫反應(yīng)動力學(xué)的研究。

方向晨主動要求到最艱苦的試驗場從事煉油加氫試驗運行工作。在這里，他虛心向老師傅學(xué)習(xí)，認真對待每一次試驗，細致觀察和研究實驗過程中的每一個細節(jié)，配合課題組做了大量的工藝研究，積累起深厚的理論知識和實踐經(jīng)驗。作為新中國最早成立的煉油技術(shù)研究院，撫順石油化工研究院沐浴在改革開放的春風(fēng)里，這里正孕育著勃勃生機。

20世紀80年代初，我國的煉油工藝存在著很多技術(shù)盲點，面對這些不足，方向晨暗下決心，一定要在胡永康、趙琰、譚漢森、廖世剛、童廣明等老一輩科學(xué)家的帶領(lǐng)下，通過不斷學(xué)習(xí)、深入研究把這些盲點補足。1988年，一個繼續(xù)求學(xué)的機會降臨，方向晨被派往英國天鵝海大學(xué)反應(yīng)工程專業(yè)進修。他格外珍惜這次難得的學(xué)習(xí)機會，在異國他鄉(xiāng)刻苦鉆研了1年的時間。1989年，方向晨帶著所學(xué)回到祖國，不久便承擔(dān)起了中國石化重點科技攻關(guān)項目“緩和加氫裂化動力學(xué)實用數(shù)學(xué)模型”的科研任務(wù)。他在實驗室夜以繼日做了大量試驗研究，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)探討模型的可行性，經(jīng)過“實驗—計算—實驗”的無數(shù)次循環(huán)往復(fù)研究，他帶領(lǐng)團隊終于取得了突破性成果，建立起的反應(yīng)動力學(xué)模型能夠利用常規(guī)油品分析數(shù)據(jù)精確預(yù)測加氫反應(yīng)結(jié)果。因應(yīng)用前景廣闊，該成果榮獲1994年度中國石化科技進步獎二等獎。此后，以此為基礎(chǔ)開發(fā)的各種油品加氫反應(yīng)動力學(xué)模型被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實踐中。可以說，時至今日仍屬先進的這一加氫裂化動力學(xué)模型，著實為國內(nèi)加氫裂化技術(shù)趕上國際先進水平做出了重要貢獻。

這些基礎(chǔ)研究工作給了方向晨繼續(xù)從事科研的動力，對即將到來的種種挑戰(zhàn)，他已做好知識的積淀和心理準備。他不無自豪地說：“正是這十幾年的‘冷板凳塑造了我的職業(yè)生涯，為我應(yīng)用催化反應(yīng)工程知識指導(dǎo)煉油加氫系列技術(shù)的開發(fā)奠定了堅實的基礎(chǔ)?！?/p>

開辟含硫原油加工新途徑

如果開發(fā)加氫裂化動力學(xué)實用數(shù)學(xué)模型是方向晨科研航程的起點，那么含硫（高硫）劣質(zhì)原油加工則開啟了他事業(yè)騰飛的里程。

20世紀90年代中期，隨著國家改革開放進程的加快，在經(jīng)濟持續(xù)高速增長和人民生活水平不斷提高這一趨勢的推動下，石油這一國民經(jīng)濟發(fā)展的血液，其消費水平進入快速增長時期。由于國內(nèi)產(chǎn)量增長緩慢，中國日益依靠進口原油來滿足國內(nèi)不斷增長的石油需求，進口原油特別是含硫劣質(zhì)原油的數(shù)量明顯增加。而當(dāng)時國內(nèi)煉廠大多是以中國低硫原油的性質(zhì)為依據(jù)設(shè)計建設(shè)的，如何對含硫原油進行加工工藝的改進及提升成為煉油科技攻關(guān)的堡壘，亟須全力打造。

方向晨回憶，當(dāng)時含硫原油加工的理想工藝路線是加氫裂化，但20世紀90年代適應(yīng)含硫原油加工的加氫裂化裝置在全國僅有7套，遠遠不能滿足對進口原油進行加工的需求。怎么辦？當(dāng)時剛被提為副總的方向晨主動請纓，帶領(lǐng)科研團隊通過運用動力學(xué)模型和流程模擬等基礎(chǔ)工具，綜合推演了各種加氫新技術(shù)集成應(yīng)用的可行性和效果，對企業(yè)進行了脫瓶頸擴能改造，使7套裝置的總加工能力增加了近1倍。其中，鎮(zhèn)海加氫裂化裝置在改造中還集成應(yīng)用了新催化劑及其級配、循環(huán)氫重復(fù)利用、緩和加氫裂化、物料和熱量并聯(lián)耦合等技術(shù)，僅用新建裝置1/5的投資就將80萬噸/年裝置改造成為220萬噸/年加氫裂化-靈活加氫處理裝置，相關(guān)技術(shù)在2000年獲中國石化科技進步獎一等獎。

但加氫裂化裝置的擴能改造遠遠不能滿足企業(yè)加工進口含硫原油的需求，只有開辟新的途徑，才能深度解決加工能力不足的問題。“我國煉廠絕大多數(shù)是催化裂化型煉廠，但催化裂化裝置因環(huán)保、產(chǎn)品質(zhì)量、催化劑中毒等欠缺無法適應(yīng)加工高硫原油的要求，行之有效的途徑就是對原料進行加氫預(yù)處理。但單純的加氫脫硫經(jīng)濟效益不高，一般的加氫處理難以應(yīng)對原料變重、雜質(zhì)含量增加的問題?！狈较虺拷榻B。

為更加深入地了解實際情況，切實解決這一難題，他駐扎到以加工進口含硫原油為主的鎮(zhèn)海煉化公司很長時間，了解、掌握了具體情況后，主持開發(fā)出劣質(zhì)蠟油加氫處理部分轉(zhuǎn)化技術(shù)，通過從催化劑到工藝的系列創(chuàng)新，成功地解決了傳統(tǒng)加氫脫硫或加氫處理存在的問題。鎮(zhèn)海煉化公司采用該技術(shù)后，率先建成國內(nèi)首套180萬噸/年含硫蠟油加氫脫硫裝置，于2002年8月開車一次成功，開辟了含硫原油加工的新路線，整體性能達到國際先進水平。之后，國內(nèi)又相繼建成14套裝置，總加工能力達到2410萬噸/年。

創(chuàng)新清潔汽柴油生產(chǎn)新技術(shù)

進入21世紀以來，綠色環(huán)保理念深入人心，環(huán)保法規(guī)日益嚴格。尤其隨著機動車經(jīng)濟的飛速發(fā)展，機動車的生產(chǎn)和使用量急劇增長，機動車排氣對環(huán)境的污染日趨嚴重，許多大城市的空氣污染已由燃煤型污染轉(zhuǎn)向燃煤和機動車混合型污染，機動車排氣污染對環(huán)境和人們身體健康的危害已相當(dāng)嚴重，解決機動車尾氣污染問題已經(jīng)迫在眉睫，而改善燃油質(zhì)量就是一個解決問題的最有效途徑。

在此背景下，企業(yè)對汽柴油產(chǎn)品質(zhì)量升級的技術(shù)需求越來越迫切，如何破解汽柴油質(zhì)量升級的技術(shù)難題成為煉油科技的重點。已在含硫（高硫）劣質(zhì)原油加工領(lǐng)域摸爬滾打了多年的方向晨迅速捕捉到這一熱點，深感責(zé)任重大，他帶領(lǐng)科研團隊加班加點開展了執(zhí)著的攻堅戰(zhàn)。

催化裂化柴油在我國柴油中的占比高達三分之一，但由于其芳香烴含量高，致使柴油的十六烷值低，導(dǎo)致發(fā)動機效率降低，顆粒物排放大，成為柴油產(chǎn)品質(zhì)量升級的重要瓶頸之一。

為破解這一難題，2000年，方向晨承擔(dān)了國家科技攻關(guān)項目“劣質(zhì)柴油加氫改質(zhì)技術(shù)（MCI）”，在項目攻關(guān)中通過大量的試驗及表征，他帶領(lǐng)團隊創(chuàng)新性地提出將稠環(huán)芳烴的加氫反應(yīng)控制在“開環(huán)而不斷鏈”，即在一個單元過程中實現(xiàn)加氫精制和受控加氫裂化兩種功能，兼具加氫裂化過程柴油質(zhì)量高和加氫精制過程柴油收率高、氫耗低的優(yōu)點，為我國開辟了一條經(jīng)濟合理的柴油質(zhì)量升級路線。

憶起當(dāng)時的研究，方向晨介紹：“現(xiàn)在我們可能很少看到柴油車尾氣的黑煙現(xiàn)象，但在那時候車一上路，后面是滾滾的黑煙。針對這個問題，大家對影響因素做了分析，發(fā)現(xiàn)冒黑煙主要是稠環(huán)芳烴引起的，要解決問題，第一件事就是把芳烴飽和掉。但芳烴飽和又面臨氫耗高、生產(chǎn)效率低、經(jīng)濟性不好等問題，我們必須尋找一條新途徑。在不斷摸索中，我們發(fā)現(xiàn)把稠環(huán)芳烴飽和，再把它開環(huán)，變成單環(huán)芳烴，而不是把它完全飽和，一樣可以解決冒黑煙的問題，所以就有了MCI技術(shù)，它的好處是能最大量生產(chǎn)柴油，改善柴油的組成，在能耗、物耗都非常低的條件下，解決柴油車冒黑煙的問題?！?/p>

該技術(shù)相繼在國內(nèi)近30套裝置中使用后，不僅全面改善了柴油質(zhì)量，而且大大減少了車用柴油對大氣的污染。該技術(shù)引領(lǐng)了劣質(zhì)柴油加氫改質(zhì)的技術(shù)創(chuàng)新，直到5年后國外才有類似技術(shù)的應(yīng)用報道。因貢獻突出，該技術(shù)榮獲2001年度國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎。

人們對環(huán)境和健康的重視程度日益提高，世界各國也紛紛制定了嚴格的燃油規(guī)格和排放標(biāo)準，柴油的硫含量標(biāo)準也在逐年提升。2000年12月，美國環(huán)保署發(fā)表了柴油低硫化規(guī)定，要求在2006年9月，美國80%柴油的硫含量要降低到15μg/g以下，2010年要全部達到該限定目標(biāo)。亞太的日本、泰國、澳大利亞等國家和中國香港地區(qū)也執(zhí)行柴油硫含量不大于10μg/g的標(biāo)準。在此背景下，超低硫柴油（硫含量小于10μg/g）生產(chǎn)技術(shù)成為柴油產(chǎn)品質(zhì)量升級的另一個急迫需求。

但即使是先行一步的國外相關(guān)技術(shù)也存在著氫耗高、加工費用高、裝置運行周期短等缺陷。如何在低氫耗、裝置不改動的條件下實現(xiàn)柴油產(chǎn)品低成本質(zhì)量升級，成為縈繞在方向晨心中的大問題。

通過實驗與分析，方向晨發(fā)現(xiàn)在硫化物的反應(yīng)中，有一類硫特別難反應(yīng)，這一類硫化物中的硫分子由于屏蔽作用被其他的分子包圍了起來，所以不太容易把它轉(zhuǎn)化掉。國外的方式是深度加氫，因為芳烴飽和需要比較低的溫度，所以國外催化劑的使用溫度都比較低。溫度低的話，催化劑的壽命就會縮短，國外的方法不可取。方向晨想，能不能把包圍著硫的那些分子挪開，讓它暴露出來，這樣不用加氫飽和，就直接把硫脫掉。

在帶領(lǐng)科研團隊進行催化反應(yīng)構(gòu)效關(guān)系和催化劑級配協(xié)同反應(yīng)研究中，他發(fā)現(xiàn)“烷基轉(zhuǎn)移再脫硫”可實現(xiàn)超低硫柴油的生產(chǎn)。這一發(fā)現(xiàn)令他興奮不已，馬上進行了大量的實驗驗證，在此基礎(chǔ)上發(fā)明了一系列催化材料制備和工藝技術(shù)，進而開發(fā)出柴油超深度加氫脫硫集成創(chuàng)新技術(shù)，為一個世界性的難題提供了一條較低成本的解決途徑。該技術(shù)不僅被國外多家知名公司評為頂級水平，更迅速成為我國柴油深度脫硫主流技術(shù)，在國內(nèi)外60多套裝置上使用，總加工能力超過國內(nèi)同類裝置的60%，僅1套裝置3年中累計減少操作成本達1.9億元。

順應(yīng)社會和企業(yè)需求，闖過一個又一個難關(guān)，接連開發(fā)出一個又一個清潔汽柴油生產(chǎn)技術(shù)，方向晨帶領(lǐng)團隊為我國汽柴油產(chǎn)品低成本質(zhì)量升級做出了重要貢獻。但他清楚，用清潔化、低排放的工藝來生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品是一條無止境的路，唯有步履不停才能抵達遠方。

引領(lǐng)煉油加氫技術(shù)邁向一流

隨著加氫裂化催化劑技術(shù)的持續(xù)進步，催化劑的穩(wěn)定性大幅提高，使得加氫裂化裝置的設(shè)計壓力有可能大幅度降低，從而降低裝置的投資、能耗和物耗。但任何事有一利必有一弊，壓力降低也使產(chǎn)品的品質(zhì)保障出現(xiàn)了問題。方向晨發(fā)現(xiàn)在加氫裂化產(chǎn)品中只有部分產(chǎn)品質(zhì)量受壓力的影響較大，從而提出了通過局部改變催化劑和反應(yīng)環(huán)境，就可實現(xiàn)把氫氣加給那些需要深度加氫的產(chǎn)品的技術(shù)方案。

但由于實驗室環(huán)境的局限，方案用到工業(yè)裝置后曾出現(xiàn)了各種各樣的問題，于是在實際解決問題的過程中，方向晨團隊與企業(yè)的互動頻繁起來，中間經(jīng)歷了失敗、收獲了企業(yè)的包容和認可，更使研究更加深入。

“工業(yè)裝置的情況和我們實驗室的等溫反應(yīng)器是完全不一樣的。出現(xiàn)問題后，我們和企業(yè)一起分析原因，在這個過程中，我們首先提出了級配技術(shù)，就是把不同的催化劑在不同的溫度下應(yīng)用，想得挺好，但真正做起來我們是有失敗教訓(xùn)的。級配時，由于只考慮到催化劑對氮含量的影響，結(jié)果本來應(yīng)該用在低溫下的催化劑用到高溫上去了，該用在高溫下的催化劑用到低溫上去了，第一次進行工業(yè)應(yīng)用時，我們做得一塌糊涂?！狈较虺空f。

工業(yè)裝置不是用來做實驗的，新方案會不會再次失敗？一次次失敗后還會不會獲得企業(yè)的認可？再次攻關(guān)時，團隊上下都頂著巨大壓力。沒想到新方案做好后，又出現(xiàn)了一個小插曲。生產(chǎn)催化劑時，由于技術(shù)人員的疏忽，導(dǎo)致不同批次的催化劑性質(zhì)產(chǎn)生了差異，為保證正常的催化效果，這些催化劑必須區(qū)分開來使用。所幸由于之前有過失敗，團隊對催化劑級配技術(shù)已掌握得很清楚，根據(jù)級配原理可以將不同批次的催化劑在工業(yè)裝置上進行合理裝填，雖能解決問題，但過程卻相當(dāng)復(fù)雜。

“工業(yè)裝置里裝一次催化劑要好幾千噸，讓工人按照不同批次一次次裝，是很煩的，但企業(yè)卻一直信任我們，為我們提供了很大的支持?！狈较虺空f。費工夫裝好后，裝置一開動就獲得了很好的效果。當(dāng)時出乎所有人預(yù)料，能耗降低了20%，而且產(chǎn)品分布和產(chǎn)品性質(zhì)得到大幅度提高。

有了這個成功的開發(fā)經(jīng)驗，方向晨團隊已經(jīng)能夠靈活地調(diào)整產(chǎn)品分布和產(chǎn)品質(zhì)量了。這時企業(yè)又給他們提出了新任務(wù)。石化企業(yè)有兩大生產(chǎn)目標(biāo)，一個是生產(chǎn)汽柴油材料，一個是生產(chǎn)化工原料（包括芳烴、乙烯），加氫裂化裝置是連接煉油和化工的關(guān)鍵裝置。企業(yè)在生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)，想多生產(chǎn)芳烴原料，乙烯原料就會減少，反之亦然;同時還發(fā)現(xiàn)如果最大量的生產(chǎn)芳烴原料，那么芳烴原料的性質(zhì)會變差，最大量生產(chǎn)乙烯原料也是如此，就像一個蹺蹺板，解決了一個問題，另一個問題就照顧不了。

企業(yè)找到方向晨團隊，向他們尋求既能夠多生產(chǎn)化工原料，又能夠多生產(chǎn)乙烯原料，而且讓它們性質(zhì)都好的辦法。這雖然是個棘手的問題，但是結(jié)合之前開展的工作，基于對烴類組成與結(jié)構(gòu)隨反應(yīng)進程動態(tài)變化規(guī)律的認識，方向晨還是迅速找到了解題方法。他發(fā)現(xiàn)催化劑活性中有一個特點，它對芳烴的選擇性吸附比較強，但是對芳烴的轉(zhuǎn)化又比較弱;它對飽和烴的選擇性比較弱，但是轉(zhuǎn)化性又比較強。能不能利用這個特點來解決問題？

通過開展大量實驗，方向晨帶領(lǐng)團隊摸索出了門路，精準把握住了選擇性吸附和選擇性轉(zhuǎn)化之間的微妙關(guān)系。他們發(fā)現(xiàn)加氫裂化的原料芳烴含量是比較多的，這時候催化劑的表面基本是被芳烴覆蓋的，盡管這些飽和烴容易裂化，但是它接觸不到催化劑，因此催化劑的重點就是怎樣提高芳烴的轉(zhuǎn)化能力。另外，經(jīng)過一段反應(yīng)后，原料中的芳烴已經(jīng)少了，傳統(tǒng)的催化材料選擇性吸附能力不夠強，所以這時候大量的飽和烴就要裂化，怎么辦？“我們考慮能不能一方面提高催化材料表面對芳烴的吸附能力，另一方面讓裂化的活性少一些，這樣的話用少量的芳烴就能把它覆蓋住?！狈较虺拷榻B。

按照這種思路去開發(fā)了幾類催化劑，把這幾類催化劑放在合適的反應(yīng)器中，結(jié)果最后取得了非常好的效果，打破了產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量不能同時提高、芳烴原料產(chǎn)量與乙烯裂解原料產(chǎn)量存在著的蹺蹺板現(xiàn)象，破解了石腦油和加氫尾油產(chǎn)率和質(zhì)量不能兼顧的難題。

近40年風(fēng)里來雨里去，方向晨帶領(lǐng)團隊用執(zhí)著和堅持走出了一條技術(shù)創(chuàng)新的可持續(xù)發(fā)展道路。這是一條漫長而充滿艱辛的道路，很多人在困難面前止了步，但他卻在風(fēng)雨中練就了特有的自信和從容，他不怕研究中遇到困難，相反覺得這是件好事。多年的經(jīng)驗告訴他：只有前期把遇到的問題都搞清楚了，才能在最后工業(yè)生產(chǎn)的過程中少走彎路?！叭绻銢]有解決這些問題，或者是留了余地，到工業(yè)上去實踐的時候，這些問題一定會回來找你?！狈较虺空f。

能耗是他始終關(guān)注的一個問題。加氫裂化是強放熱反應(yīng)，能否充分利用反應(yīng)熱來降低加氫裂化裝置的能耗？這是一個系統(tǒng)工程的問題，傳統(tǒng)的流程設(shè)計也是在考慮安全、穩(wěn)定、可操作性等方方面面因素后積淀下來的知識。如何破解這一困局，方向晨做了進一步研究?！捌鋵嵨覀兪怯行┗A(chǔ)的，因為我們前面開發(fā)的級配技術(shù)，就是這個目的，但是只做到那一步還不行，我們還需要更高效地換熱，盡可能多地把反應(yīng)熱利用起來?！?/p>

反復(fù)琢磨后，他們把過去的多極并流換熱變成了逆流換熱，在換熱溫度達到盡可能高的情況下，讓原料和產(chǎn)品換出來的熱直接達到反應(yīng)所需要的熱量。有人問：“為什么過去不這么做？”“是因為原料在高溫下容易結(jié)焦把換熱器堵住?！狈较虺看鸬馈?/p>

要實現(xiàn)逆流換熱首先要解決結(jié)焦問題。通過觀察換熱過程，方向晨發(fā)現(xiàn)，只要管子里的流速超過一定值后，就不會結(jié)焦了。因為管壁的溫度和流速是成一定關(guān)系的，流速越慢，管壁溫度越高就越容易結(jié)焦。當(dāng)流速高的時候，管壁熱量被帶走，就不會出現(xiàn)結(jié)焦的問題。在這樣的原理下，他們設(shè)計出了一種新型的逆流換熱器。

但問題并未徹底解決，開工的時候，都是冷物料怎么辦？方向晨發(fā)現(xiàn)有些物料反應(yīng)熱特別大，于是開工時利用這種物料，用一個小加熱爐，就可以把反應(yīng)啟動起來。最終，方向晨主導(dǎo)開發(fā)的低投資、低能耗的加氫裂化（改質(zhì)）成套技術(shù)，首次在煉油裝置集成使用高溫高壓逆流傳熱技術(shù)，實現(xiàn)了反應(yīng)熱高效利用;利用首創(chuàng)的加氫裝置“自供熱”工藝技術(shù)解決了裝置開工能量不足的問題，建成了世界首套工業(yè)化新型加氫改質(zhì)裝置，在支撐柴油質(zhì)量升級的同時，使能耗降低了67%。

循環(huán)氫系統(tǒng)的能耗一般占裝置總能耗的1/3左右，能否不用循環(huán)氫系統(tǒng)，取而代之以將氫氣溶解在油中實現(xiàn)加氫反應(yīng)。在此方面，杜邦公司進行了積極的探索，但由于其應(yīng)用的效果很不穩(wěn)定，當(dāng)時業(yè)界對這一技術(shù)路線持否定態(tài)度。

為此，方向晨又進行了探索，在深入分析加氫過程的動力學(xué)、熱力學(xué)和流體力學(xué)的基礎(chǔ)上，他發(fā)現(xiàn)在一定的條件下是能夠?qū)崿F(xiàn)液相循環(huán)加氫反應(yīng)過程的。這些條件包括反應(yīng)過程中反應(yīng)物和產(chǎn)物能夠保持液態(tài)，否則將會使氫氣從油中快速析出;在加氫反應(yīng)中是氫氣的濃度對反應(yīng)結(jié)果產(chǎn)生影響，氫氣的量只有在缺氫的條件下才會產(chǎn)生影響，特別是硫化氫對加氫脫硫反應(yīng)的影響十分巨大，提高氫濃度可有效克服硫化氫影響。由此他建立了液相循環(huán)加氫技術(shù)及其應(yīng)用的原則，率先建成沒有循環(huán)氫系統(tǒng)的國V柴油工業(yè)裝置，實現(xiàn)了長周期穩(wěn)定運行。與同規(guī)模傳統(tǒng)柴油加氫精制裝置相比，總投資降低20%，能耗降低54%。該項目已拓展至航煤加氫、重整生成油加氫領(lǐng)域，并已應(yīng)用于40多套工業(yè)生產(chǎn)裝置。

這些低能耗加氫技術(shù)能夠根據(jù)企業(yè)的實際需求進行組合應(yīng)用，在國內(nèi)煉油企業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，為我國清潔油品低成本快速質(zhì)量升級提供了堅實的技術(shù)保障。

在創(chuàng)新路上越走越遠

在近40年時間里，方向晨已然從撫順石油煉制研究所十室的實習(xí)員成長為國內(nèi)煉油行業(yè)加氫催化反應(yīng)的工程專家。期間，他擔(dān)任過撫順石油化工研究院十室的副主任、高級工程師，撫順石油化工研究院副總工程師、副院長、院長，大連石油化工研究院院長（2020年9月已卸任）。談到管理，方向晨認為最大的事情，就是選擇正確的道路?！耙簿褪钦f，每個時期干什么要把握好。一個人的知識積累是一二十年的，科研上最害怕的就是打一槍換一個地方，人沒有那么多的精力，必須專注于某個領(lǐng)域，所以管理人員最大的任務(wù)是引好路。如果給大家指到一個錯誤的方向上去，這不單是浪費了錢財，更可能是浪費了一代人的生命。我管理很差，但在方向選擇上我非常注意，就怕給別人引偏路。”方向晨笑著說。

雖然工作崗位在變動，但注重理論聯(lián)系實際，愿意長期堅守在石化行業(yè)攻堅克難第一線的工作態(tài)度在他身上卻始終沒變。

早在2003年，擔(dān)任撫順石油化工研究院院長時，上任之初方向晨就做出一個大膽決策——開發(fā)沸騰床渣油加氫技術(shù)。這是一種加工轉(zhuǎn)化重質(zhì)劣質(zhì)渣油的有效手段，撫順石油化工研究院的前輩們在20世紀60至70年代就傾力研究過，由于條件所限未能成功。面對新時期煉油行業(yè)加工原料日益重質(zhì)化、劣質(zhì)化的現(xiàn)實，這項技術(shù)一直令方向晨魂牽夢繞。為開拓劣質(zhì)渣油深加工路線，方向晨帶領(lǐng)團隊做出了不懈探索。

方向晨介紹：“劣質(zhì)高硫原油的渣油加工以焦化為主，資源利用率低，生產(chǎn)污染大。如果用沸騰床渣油加氫取代80%的焦化，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)的同時，增產(chǎn)的成品油相當(dāng)于多進口4000萬噸原油。目前世界上只有兩家擁有該技術(shù)，但系統(tǒng)復(fù)雜、設(shè)備要求高和投資大，限制了其廣泛應(yīng)用。”對沸騰床加氫這項新技術(shù)的研發(fā)，方向晨其實已開展很多年。十年磨一劍，他帶領(lǐng)攻關(guān)團隊通過自主創(chuàng)新，突破了一系列關(guān)鍵技術(shù)，終于成功開發(fā)出了渣油沸騰床一體化的成套技術(shù)——STRONG沸騰床加氫技術(shù)，這一具有完整原始創(chuàng)新性質(zhì)的三相分離式沸騰床渣油加氫技術(shù)，大大簡化了系統(tǒng)和設(shè)備、降低了投資和運行費用，提高了裝置操作的穩(wěn)定性，將使我國的渣油加工技術(shù)引領(lǐng)世界的潮流，并開啟我國重質(zhì)劣質(zhì)渣油加工的新時代，為提高石油資源利用率和清潔生產(chǎn)做出重要貢獻。目前5萬噸/年渣油加氫沸騰床示范裝置在中國石化金陵分公司建成并成功進行了工業(yè)應(yīng)用的試驗研究工作，百萬噸級的工業(yè)裝置正在設(shè)計建設(shè)之中。

2020年7月28日，我國首套國產(chǎn)化50萬噸/年中低溫煤焦油STRONG沸騰床加氫裂化裝置在陜西神木開車成功，可提高液體收率15%以上，具有原料適應(yīng)性強、流程簡單、投資低等特點?！爸械蜏孛航褂褪且环N煤化工產(chǎn)品，通過加氫技術(shù)，可進一步生產(chǎn)為車用發(fā)動機燃料油和其他化學(xué)品，是一種具有極大發(fā)展?jié)摿Φ氖吞娲a(chǎn)品?！狈较虺空f，我國煤焦油領(lǐng)域發(fā)展前景良好、市場空間巨大，僅陜西、新疆、內(nèi)蒙古等地就有大量煤化工企業(yè)，煤焦油年產(chǎn)量約2000萬噸。以上述50萬噸/年煤焦油加工裝置為例，利用STRONG沸騰床加氫技術(shù)和FEC-10催化劑，可為企業(yè)年增效3億元。隨著國內(nèi)能源需求的日益增大和石油對外依存度不斷攀升，大力發(fā)展煤焦油加氫技術(shù)，既符合國家煤炭產(chǎn)業(yè)政策和能源發(fā)展戰(zhàn)略，又能切實推動煤炭清潔高效利用，促進煤炭行業(yè)新舊動能轉(zhuǎn)換和高質(zhì)量發(fā)展，具有良好的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益。

沸騰床渣油加氫技術(shù)的成功開發(fā)，也最終填補上了我國煉油行業(yè)自主創(chuàng)新技術(shù)中最后一塊拼圖——渣油加氫轉(zhuǎn)化技術(shù)，并實現(xiàn)了技術(shù)上的跨越。把沸騰床變成百萬噸級的工業(yè)裝置，是方向晨為自己定下的目標(biāo)，他說：“國家提出了碳減排、碳中和、碳達峰的目標(biāo)。我們石化企業(yè)如何響應(yīng)這種號召，如何去適應(yīng)這種發(fā)展的需求，是我們必須要考慮的問題?！?/p>

回顧從業(yè)近40年走過的路，方向晨的研究一直走在引領(lǐng)我國煉油加氫技術(shù)更快更好發(fā)展的前沿，能做到這些，與他幾十年瞄準國際前沿，并長期堅守在石化行業(yè)攻堅克難的第一線所做的不懈奮斗有關(guān)，是一步一步的累積，讓他在創(chuàng)新這條路上越走越遠。

作為學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人，他學(xué)風(fēng)嚴謹、為人正派，具有開拓創(chuàng)新和團隊合作精神，了解他的同事用“勤”“實”“通”3個字概括他身上的優(yōu)點。他組建了一支理論功底扎實、實踐經(jīng)驗豐富的煉廠清潔生產(chǎn)過程創(chuàng)新團隊。在他的帶領(lǐng)下，團隊科研碩果累累，開發(fā)的很多技術(shù)目前已在俄羅斯、捷克、泰國、印度尼西亞等國家及我國35個省區(qū)市的200余套加氫裝置和100余套環(huán)保裝置上成功應(yīng)用。

推動煉油向綠色低碳方向發(fā)展功在當(dāng)代、利在千秋。實現(xiàn)碳中和是國家未來發(fā)展的戰(zhàn)略性摹劃，這不僅將對能源產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生革命性的影響，也將對國民經(jīng)濟的方方面面產(chǎn)生革命性的影響。世界面臨百年未遇之大變局，在這樣的形勢下，舉國上下都意識到科技創(chuàng)新是破解未來發(fā)展難題的關(guān)鍵。

“十四五”及未來幾十年能源革命及新材料創(chuàng)新將成為科技發(fā)展主攻方向，新一輪科技創(chuàng)新熱潮的序幕已經(jīng)拉開。盡管已經(jīng)退休，但方向晨感覺到自己的時間更緊迫了，工作也更忙碌了。著力打造團隊和培養(yǎng)人才，為在石化科技創(chuàng)新上做出更顯著的貢獻，他與團隊一起就如何布局烴類結(jié)構(gòu)煉油、開發(fā)新型能源資源、高端材料創(chuàng)制等新技術(shù)、新方向，正進行著奮力拼搏，一段科研新航程開啟了。