關于石油煉制工業(yè)中加氫技術和加氫催化劑的研究

恩和烏力吉

（中國船級社質(zhì)量認證有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000）

石油作為我國的戰(zhàn)略性資源，廣泛應用于我國的各個領域。在當前倡導環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的時代，對于燃料油的需求有所降低，但目前節(jié)能環(huán)保技術的發(fā)展，對輕質(zhì)原油的需求量逐漸上升。因此，社會對石油煉制的產(chǎn)品質(zhì)量有了更高的要求，原油的深加工受到廣泛重視。李農(nóng)團隊于2022 年對石油煉制工業(yè)中加氫技術和加氫催化劑的發(fā)展現(xiàn)狀進行分析，探討了加氫技術以及加氫催化劑的未來發(fā)展趨勢，闡明了石油煉制工藝的發(fā)展與社會經(jīng)濟發(fā)展之間的密切關系，加氫技術與加氫催化劑的發(fā)展也將受到經(jīng)濟和政策的影響。姜亞軍（2023）探討了加氫催化劑在加氫技術中的作用，闡明了加氫催化劑的未來發(fā)展趨勢，認為未來的加氫催化劑會在保護環(huán)境、節(jié)能減排的基礎上，提升催化整體效果。在這個時代背景下，由于加氫技術與加氫催化劑是提升石油產(chǎn)量和質(zhì)量的關鍵技術，屬于石油煉制工業(yè)的核心技術，因此對該技術的研究尤為重要，是促進我國石化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點之一。

1 加氫技術和加氫催化劑的概念

1.1 加氫技術

石油的煉制工業(yè)主要包含兩個步驟：脫碳、加氫。加氫技術作為石油精煉的環(huán)節(jié)之一，具有十分重要的作用。加氫技術，是為了使石油的不飽和烴通過化學反應，轉(zhuǎn)化為飽和烴，從而提高原油質(zhì)量和穩(wěn)定性。石油的化學成分中包含碳、氫、磷、硫等原子，但是每個原子所連接的氫的數(shù)量并沒有達到飽和，加氫技術，即通過人為控制化學反應過程，將這些原子所連接的氫原子達到飽和，從而達到提升原油穩(wěn)定性、提升燃燒所產(chǎn)生的熱量等目的。加氫技術的原理，是通過調(diào)整石油分子中碳原子和氫原子的比例，從而生產(chǎn)出多種類型的產(chǎn)品。目前我國石油精煉的主要研究方向為提煉高辛烷值汽油和低硫柴油，從而生產(chǎn)出高質(zhì)量的燃料。加氫技術能夠滿足上述兩種產(chǎn)品的生產(chǎn)需求，比如，在加工汽油的過程中，通過加氫技術改變石油分子中硫、氮原子以及烯烴、芳烴分子的含量，從而達到生產(chǎn)高質(zhì)量汽油的目的[1]。

1.2 加氫催化劑

加氫催化劑可以根據(jù)加氫反應所達到的不同目的分為加氫脫氮（HDN）、加氫脫硫（HDS）、加氫脫金屬（HDM）以及加氫脫芳烴（HDA）等催化劑，各種催化劑的成分構成各不相同，各成分的催化目的也不同。加氫催化劑由主要催化劑、輔助催化劑以及載體三個部分組成，主要催化劑是提升加氫反應的反應程度以及引導反應方向的作用，屬于加氫催化劑的主體成分，需要根據(jù)生產(chǎn)目的進行選擇；輔助催化劑可以選擇性加入，若反應比較劇烈，可以通過加入適當?shù)妮o助催化劑，在保證不影響反應效果的前提下，穩(wěn)定反應過程；載體則指反應所需要裝置的種類及其反應面積大小[2]。

2 加氫技術與加氫催化劑的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 加氫技術發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，由于倡導環(huán)境保護以及可持續(xù)發(fā)展，加氫技術有了很大的進步，解決了傳統(tǒng)煉油技術的大部分問題，加氫技術的發(fā)展主要有以下幾個方面：

2.1.1 汽油加氫脫硫技術發(fā)展現(xiàn)狀

在當今新能源汽車逐漸興起的時代，人們開始樹立起綠色出行的理念，因此汽油的煉制和生產(chǎn)受到了極大的挑戰(zhàn)[3]。為了保證汽油車的低碳環(huán)保，石油煉制工廠開始生產(chǎn)低硫型汽油，這種氣又在燃燒后會產(chǎn)生比傳統(tǒng)汽油更少的硫化物，從而降低對環(huán)境的污染。生產(chǎn)低硫型汽油的關鍵技術就是加氫脫硫技術，該技術能夠有效提升汽油分子中的碳氫飽和度，降低汽油中硫原子的含量。汽油加氫脫硫技術的原理，是在催化劑的作用下，在氫氣環(huán)境下將汽油餾分中的硫轉(zhuǎn)化為硫化氫，再通過汽液分離的方式，將硫化氫去除，進而生產(chǎn)低硫汽油。在生產(chǎn)過程中，脫硫催化劑可以對含硫的汽油進行影響，形成脫硫活性結構，這種結構有助于研發(fā)更加高效的催化工藝[4]。

2.1.2 柴油加氫脫硫技術發(fā)展現(xiàn)狀

雖然目前的家用汽車已經(jīng)很少使用柴油，但是一些大型建筑設備、運輸車、挖掘機等設備依舊需要柴油來提供動力。由于汽油或柴油在未充分燃燒時產(chǎn)生的碳氫化合物會形成二次有機氣溶膠，不僅會對人體造成危害，還會污染空氣環(huán)境，通過研究發(fā)現(xiàn)，柴油產(chǎn)生的二次有機氣溶膠甚至高出汽油十幾倍，為了降低柴油造成的環(huán)境污染，柴油的加氫脫硫技術應運而生。柴油的加氫脫硫技術主要是通過加強脫硫催化劑的催化能力，從而增強反應活性，進而達到脫硫的目的。但是目前的柴油加氫脫硫技術成本過高，再加上日益上升的石油價格，導致脫硫柴油很難得到廣泛應用[5]。但是隨著科技的進步，目前最先進的柴油加氫脫硫技術取得了部分突破進展，柴油加氫過程中可以通過建立雙功能催化劑的催化體系來引導化學反應的結果，從而將原油中的硫、氮、芳烴化合物等進行去除，從而提升柴油的精煉效果。

2.1.3 渣油加氫裂化處理

渣油的加氫裂化處理能夠提升石油的利用率，較少資源的浪費，對控制油價也有一定作用。石油作為不可再生能源之一，為了降低對石油資源的損耗，渣油的裂化處理也受到廣泛關注，常壓渣油是常壓蒸餾塔底部所得的重質(zhì)油，因此，目前的渣油加氫裂化技術只是在處理一般石油的設備中，利用加氫技術處理，再轉(zhuǎn)到重質(zhì)原油處理設備中進行加熱催化，從而將渣油轉(zhuǎn)變?yōu)檩p質(zhì)油。由于渣油的分子比常規(guī)原油的更大，且黏性更強，因此，目前的渣油加氫裂化處理技術的發(fā)展還受到經(jīng)濟因素、環(huán)境因素等限制，在平衡催化效果和去除碳原子等方面還存在一定的問題。但是，通過近幾年的研究，研究者們發(fā)現(xiàn)通過使用易穿孔催化劑能夠解決部分問題，這種催化劑不僅具有潤滑作用，還具有一定的提升殘油品質(zhì)的作用。

2.2 加氫催化劑的發(fā)展現(xiàn)狀

加氫催化劑在提升加氫技術效果方面起到重要作用，由于社會對環(huán)境保護的廣泛關注，經(jīng)過近幾年的發(fā)展，催化劑中的金屬成分在不斷增加，加氫催化劑提升催化效果和保證反應的穩(wěn)定性的水平也都在不斷提升。加氫催化劑一般是含有鎢、鎳、鉬等與氧化鋁組成的貴金屬化合物催化劑。近些年來，為了提升氧化鋁的純度，在催化劑中也會加入氟、磷等輔助催化劑，最常用的加氫催化劑分為三類：

1.DN-3100 催化劑。DN-3100 是由美國標準催化劑公司生產(chǎn)的，是一種采用CENTINE 技術生產(chǎn)，并利用actiCAT 技術進行預硫化的以氧化鋁為載體的催化劑。經(jīng)過近幾年的發(fā)展，還發(fā)展出了Ni-Mo 型的DN-3110、DN-3120 等催化劑，DN-3100 能夠在生產(chǎn)柴油的加氫處理（HDT）時起到較好的脫硫效果，還能夠在加氫裂化的預處理中使用，從而提升加氫技術的脫氮和脫芳碳氫的能力。

2.Nebula 催化劑。這種催化劑技術由?？松梨诤脱疟９韭?lián)合開發(fā)，屬于特種加氫處理，這種催化劑一般用于生產(chǎn)超低硫柴油（ULSD）以及石油原料的加氫裂化預處理。特種加氫處理還有一種名為Celestia的體相金屬催化劑，具有較好的HDS、HDN 效果以及HDA 飽和活性，不僅更加環(huán)保，而且能夠提高生產(chǎn)油的品質(zhì)。

3.Stars 催化劑技術。以該技術為核心，生產(chǎn)的KF-848 與KF-757 催化劑，其特點是能夠在催化劑表面形成一層二硫化鉬，從而提高反應的活性，有助于降低產(chǎn)品中芳烴的占比以及控制氮原子的含量，尤其是在生產(chǎn)柴油的過程中，在加氫處理時加入這兩種催化劑，能夠提升產(chǎn)品品質(zhì)。KF-848 催化劑有助于控制反應的穩(wěn)定，提升HDN 的活性,同時，在對柴油的HDT 過程中，加入KF-848，有助于提升HDS、HDN、HDA 效果。

總而言之，加氫催化劑技術通過近幾年的發(fā)展已經(jīng)愈發(fā)成熟，并且逐漸向環(huán)境保護、能源節(jié)約的可持續(xù)發(fā)展道路上靠攏。

3 加氫技術與加氫催化劑的發(fā)展趨勢

3.1 加氫催化劑的發(fā)展趨勢

加氫催化劑的生產(chǎn)工藝的完善程度決定了催化劑的實際效果。隨著科技的發(fā)展，自動化技術開始逐漸應用于我國各個生產(chǎn)及運輸領域，在對加氫催化劑進行創(chuàng)新的過程中，重點是對加氫催化劑的生產(chǎn)工藝進行創(chuàng)新，同時，需要結合實際的石油生產(chǎn)需求，以遵循生產(chǎn)需求為準則，積極引進自動化設備，制定加氫催化劑自動化生產(chǎn)流程，對傳統(tǒng)加氫催化劑的生產(chǎn)工藝進行簡化，從而達到降低生產(chǎn)成本，提升加氫催化劑質(zhì)量的目的。在實際生產(chǎn)加氫催化劑的過程中，為了提升煉油工廠的經(jīng)濟效益，應先引進先進的重質(zhì)油處理設備來生產(chǎn)石油產(chǎn)品，確定設備空轉(zhuǎn)時的運行參數(shù)，進而制定合適的加氫催化劑生產(chǎn)指標。加氫催化劑的生產(chǎn)與研發(fā)，需要研究者們緊密關注社會對石油產(chǎn)品的需求以及原油的價格等實際情況，進而開發(fā)出能夠滿足人們對石油產(chǎn)品需求的加氫催化劑技術。在當今時代，市場對噴漆以及清潔柴油的需求量在不斷增加，而高、中油型的供給量高于需求量，存在產(chǎn)能過剩的情況，因此，加氫催化劑的研究重點在逐漸轉(zhuǎn)移，高、中油的加氫催化劑生產(chǎn)需要根據(jù)供給側進行結構性改革。

3.2 加氫裂化催化劑的應用與優(yōu)化

在如今輕質(zhì)油的需求量日益提升以及可持續(xù)發(fā)展的背景下，加氫裂化催化劑的發(fā)展受到人們的重視。一方面，加氫裂化催化劑在石油的煉制工藝中具有廣泛的作用，不僅能夠通過人為控制生產(chǎn)汽油、低凝固點的噴氣燃料、柴油或潤滑油，并且其催化生產(chǎn)的原料屬于常壓渣油或減壓渣油，對節(jié)約能源有一定作用。通過在加氫裂化過程中引入先進的綠色清潔技術，對環(huán)境的保護也起到一定的作用。在對加氫裂化催化劑的研究過程中，研究者們將研究的重點放在了微孔分子的研究上，進而提高加氫裂化催化劑的抗高硫性以及抗高氮性，保證其在石油加氫裂化過程中的活性以及控制反應穩(wěn)定性的水平。除此之外，為了滿足社會對柴油餾分油的需求，加氫裂化催化劑也發(fā)展出了能夠提高柴油餾分油產(chǎn)量的催化劑種類。

3.3 新型加氫催化劑的研發(fā)

新型加氫催化劑的研發(fā)主要是為了滿足人們?nèi)找嬖黾拥纳a(chǎn)生活需要，根據(jù)當前的社會經(jīng)濟形勢，新型的加氫催化劑研究的主要方向為：在長遠的可持續(xù)發(fā)展的前提下，提升對重質(zhì)油輕質(zhì)化的催化效果，并增強控制反應穩(wěn)定性的能力。新型催化劑主要有三種研究方向：第一，高性能復合催化劑，這種催化劑具有多種作用共同協(xié)作的特點，進而較為全面地提高石油產(chǎn)品生產(chǎn)的效率；第二，納米級催化劑，屬于利用納米技術生產(chǎn)的高性能催化劑，這種催化劑具有減少催化成本的特點，并且能夠有效提升催化的活性和選擇性；第三，生物基催化劑，這種催化劑是利用生物技術進行生產(chǎn)，屬于環(huán)?？山到庑痛呋瘎?，對促進可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。總而言之，新型催化劑的研發(fā)任重而道遠，需要研究者根據(jù)實際生產(chǎn)需求，研發(fā)功能全面、效果顯著、成本低廉并且有益于綠色環(huán)保的新型加氫催化劑。

3.4 加氫催化劑生產(chǎn)的未來展望

石油煉制工業(yè)的加氫技術和加氫催化劑發(fā)展的核心突破點在于通過不斷完善催化劑配方和工藝，研究出高效的催化裂化技術，并且對HDS 進行深入研究，實現(xiàn)超低硫燃料油的生產(chǎn)。為了順應可繼續(xù)發(fā)展的理念，應積極增強和推廣環(huán)保型催化劑的制備技術，降低生產(chǎn)催化劑的能耗和污染排放，促進我國能源的可持續(xù)發(fā)展。在石油的加氫處理方面，首先，工廠可以引入數(shù)字化技術，建設數(shù)字化工廠，利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術，使得加氫催化劑的生產(chǎn)過程智能化、自動化。其次，可以應用智能化算法，比如構建機器學習、深度學習等數(shù)字模型，提升新型催化劑的研究效率。最后，建立監(jiān)控系統(tǒng)，對加氫催化劑的生產(chǎn)進行實時監(jiān)控，從而實現(xiàn)對自動化生產(chǎn)過程的全面監(jiān)控和管理。

4 結語

隨著我國對石油資源的不斷研究，加氫技術與加氫催化劑已經(jīng)開始走向成熟，但是由于全球石油資源逐漸緊張以及對環(huán)境的破壞日益加重，相關研究人員對加氫技術和加氫催化劑的研究在節(jié)約能源以及環(huán)境保護等方面已經(jīng)初具成效，目前的加氫技術以及加氫催化劑已經(jīng)能夠?qū)υ瓦M行較好的處理，并且石油燃料的含硫量也能夠通過催化劑的影響達到高效脫硫的目的。在科技水平日益提高的背景下，希望研究者們能夠利用智能系統(tǒng)以及自動化設備，對石油煉制中關于加氫和加氫催化劑的研究更進一步，降低生產(chǎn)石油能耗的同時降低對環(huán)境的污染，進而促進我國石油能源領域的發(fā)展。