石油化工科学研究院(Research Institute of Petroleum Processing,RIPP)是中国石油化工集团公司、中国石油化工股份有限公司直属综合性科研开发机构。自1956年建院以来,始终根据中国炼油工业发展的技术需求,关注国际先进炼油技术的发展动向,重点开展具有全局性、前瞻性和重大战略意义的关键课题的研究。学科完整,科研开发综合优势突出,研发领域涵盖了炼油工业技术全流程,并有重点地向石油化工领域延伸。所开发的炼油工艺技术和催化剂、添加剂一直占有国内市场的主要份额,在国际上也享有一定知名度,并正在形成中国炼油技术许可商的品牌。

在不同历史时期,RIPP均研发出对中国现代炼油工业发展具有举足轻重意义和推动作用的重大技术。如:20世纪60年代参与开发的流化催化裂化、催化重整、延迟焦化、尿素脱蜡、新型催化剂和添加剂技术,被誉为中国炼油史上的“五朵金花”,是实现中国现代炼油技术从无到有的标志。同一时期研制的航空燃料和特种合成润滑油、脂,解决了当时国防工业的燃眉之急。20世纪70年代,开发出提升管催化裂化工艺、分子筛催化裂化催化剂、半再生催化重整工艺和双金属催化重整催化剂,保持了炼油技术的发展势头。20世纪80年代,开发了重油催化裂化催化剂、USY和REHY分子筛、RN-1加氢精制催化剂、铂铼系列重整催化剂、SKI二甲苯异构化催化剂、全大庆常压渣油催化裂化工艺技术、针状焦生产技术等,总体技术接近世界水平,开始形成RIPP的优势技术领域,为中国现代炼油工业技术、催化剂基本实现自给发挥了关键作用。20世纪90年代,开发了催化裂化家族技术、中压加氢改质技术、重油加工组合工艺技术、中压加氢裂化技术、新型ZRP分子筛、低压组合床重整技术、新型溶剂芳烃抽提技术等,技术基本达到国际水平,部分技术达到国际先进甚至国际领先水平,一批技术和产品开始走出国门,陆续进入东南亚、中东和欧美市场。

进入21世纪,面对中国炼油工业面临的清洁油品生产、产品结构调整、降低生产成本等诸多挑战,RIPP科学地分析未来的发展趋势,提前开展了相关课题的研究,在清洁汽、柴油生产,提高原油加工深度,增加轻质油收率,含硫和重质原油加工等方面成功地开发并实施了多项技术,支撑了行业的发展,同时进行了必要的技术储备。

笔者通过回顾RIPP几项具有代表性的炼油技术的创新实践,总结了开展创新活动的体会,对今后的技术创新工作进行了展望。

1RIPP炼油技术创新的实践

1.1催化裂解技术

催化裂解(Deepcatalyticcracking,DCC)技术是以减压蜡油为原料,采用专有的催化裂解催化剂和具有自主知识产权的提升管加床层反应器,在区别于传统催化裂化的操作条件下,生产以丙烯为主产品的技术;其丙烯产率是常规催化裂化的3~5倍,最高达到21%;三烯(乙烯、丙烯、丁烯)总产率超过40%。该技术拥有自主知识产权,先后获得中国专利8项、国外专利13项,在国内6套工业装置上应用,1994年通过美国石韦公司代理出口泰国TPI石油公司。DCC技术被评为1991年度国家专利金奖和1995年度国家科技发明一等奖,是迄今为止,被《美国油气杂志》中的“炼油手册”收录的唯一的中国的炼油技术。

DCC课题于1987年立项,RIPP从原料的石油化学、催化化学、反应工程、化学工程研究,副产品综合利用,各种分析、评价、表征方法建立等诸多方面,对催化裂解技术进行了系统的研究开发。1988年建立了百吨级中试装置,经过催化剂、反应器、工艺参数的优化,丙烯产率最高达到21%,三烯总产率超过40%。1989年,进行了工业应用方面的工程设计研究。1990年,在中国石化总部主持下,RIPP会同中国石化北京设计院、济南炼油厂和齐鲁石油化工公司催化剂厂,完成了专用催化剂的工业放大试验,进行了国内第1套催化裂解工业装置的试验,一次装剂进油成功。

从DCC技术的创新实践得到了几点重要的启示。

首先,技术开发要考虑国情,应结合中国石油资源的特点与市场需求科学地选题。针对国民经济发展需要大量丙烯,但缺乏专门生产丙烯的技术;虽有副产丙烯的高温热裂解-蒸汽裂解技术,但国内其原料——化工轻油又存在资源短缺的实际情况,RIPP另辟蹊径,以重油为原料,采用催化方法降低反应势垒,创新出一条从重油制取丙烯的技术路线。

其次,从事多年炼油技术研究开发所积累的知识和经验是技术创新扎实的基础。在炼油技术发展进程中,传统热过程被催化过程所取代的例子很多,例如石脑油热重整与催化重整,减压蜡油热裂化与催化裂化、加氢裂化,重油焦化与重油催化裂化、重油加氢裂化等。针对目前蒸汽裂解存在的、由于受其热反应遵循自由基机理的本质所导致的过程选择性与原料局限性问题,催化裂解技术中大胆选择了遵循正碳离子机理的催化过程;在反应化学上,注意调变一次裂化、二次裂解与部分热裂解反应和氢转移反应之间的关系;在反应工程方面,针对传统提升管反应器装置,通过大剂/油比和增设床层反应器调节催化剂活性分布,在高温、低压、大水量和低空速的工艺条件下,满足了催化裂解过程热力学和动力学方面的要求。

第三,科研、设计单位和生产企业发挥各自优势、协作攻关,是技术成功开发的前提和保证。DCC技术实验室研究成功后,中国石化领导高度重视,专门组织了各方面的专家集中论证,指定了工业试验点。承担改造设计的北京设计院在项目开发时期就介入,较早地掌握了新技术的特点,因而能在较短的时间内完成了设计任务。可见,科研、设计和生产三者的有机结合,对技术形成和发展,特别是走向产业化具有决定性的意义。正是由于三方各尽其责、团结协作、利益共享、风险共担,才促成DCC这一创新技术在中国首先实现了工业化。

1.2降低烯烃含量的清洁汽油生产技术

从1954年制定第1个汽油标准起,我国车用汽油质量由低标号到高标号、无铅化的升级历程用了整整46年的时间。在20世纪末,国家开始启动车用汽油清洁化进程。

1998年,国务院颁发国办129号文,要求从2000年1月1日起全国停止生产、销售含铅汽油。为了贯彻129号文,汽车、环保部门开始启动相关标准制定工作。汽车部门参照欧洲ECER83/02(欧I排放)标准,于1999年制定了GB14761-1999汽车排放污染物限制及测试方法强制性国家标准,并于2000年1月1日起执行;国家环保总局于1999年制定了GWKB1-1999车用汽油有害物质控制标准,明确指出汽油中的苯、烯烃、芳烃、硫为有害物质,并规定了限值;国家也于1999年出台GB17930-1999车用无铅汽油标准,我国车用汽油清洁化进程的序幕由此拉开。2000年,全国停止销售和使用含铅汽油。2000年7月1日,北京、上海、广州三大城市开始实施满足欧I排放标准的GB17930-1999车用无铅汽油标准;2003年1月1日,全国实施GB17930-1999车用无铅汽油标准。2005年7月1日,将在全国执行欧II排放标准。2008年,将在全国执行欧III排放标准。预计2010年全国将执行欧IV排放标准。北京市为迎接奥运会,已于2004年实行欧II排放标准,并将率先在2005年执行欧III排放标准,预计2008年执行欧IV排放标准。可见,环保法规日益严格已呈大势所趋,导致中国炼油工业从未像今天这样,面临汽油质量持续升级的严峻挑战。

1999年制订的GB17930-1999车用无铅汽油标准规定汽油烯烃含量不得大于35%(体积分数,以下同),而同年,由国家石油产品质量监督检验中心对全国各炼油厂普查的结果却是,在生产的各类汽油中,平均烯烃含量为43%;烯烃含量超过35%的占80%;个别汽油烯烃含量高达75%。在这样一种严峻形势下,RIPP启动了清洁汽油生产技术的科技攻关,首先是迅速摸清了症结所在。在我国汽油池所有调合组分中,只有催化裂化汽油含有烯烃;由于种种原因,我国汽油池以催化裂化汽油为主(当时高达82%),而引导汽油清洁化潮流的美国、欧洲诸国的汽油池组分中,催化裂化汽油仅占35%左右。虽然各国都采用催化裂化生产汽油,但所用的原料不同,在欧美,催化裂化的原料大多是减压蜡油,而在中国,绝大多数催化裂化原料都是比减压蜡油更重的重油。重油的一个显著特点就是易生焦、结焦,所以不论是重油催化裂化的再生器中,还是反应器中,水热环境都很差。虽然大量使用了水热活性稳定性更好的超稳Y型催化剂,由于其硅/铝比大、晶胞小、酸密度低、氢转移活性低,使原料分子按正碳离子机理反应生成的烯烃,不容易被饱和,抑制了生焦、结焦,但结果造成了催化裂化汽油含有大量烯烃。

根据以上分析,RIPP提出了强化选择性氢转移活性的总体技术思路;提出了研制新型分子筛解决氢转移活性不足问题,开发活性基质提高抗结焦选择性问题的技术措施。以较快的速度开发了GOR降烯烃催化剂,并于1999、2000年分别在中国石化上海高桥炼油厂、河南洛阳炼油厂、北京燕山炼油厂进行了催化裂化降烯烃工业试验,取得了催化裂化汽油烯烃含量下降10%的效果,另外,在中国石化广州炼油厂、福建炼油厂正在进行的由RIPP开发的催化裂化汽油回炼增产液化气和柴油的MGD技术也可以起到降低汽油烯烃含量的结果。以上两项技术的实施与推广,基本上缓解了北京、上海、广州三大城市实施GB17930-1999车用无铅汽油标准后,中国石化炼油厂成品汽油的市场准入压力。

基于以下考虑,RIPP于1999年同时启动了多产异构烷烃的催化裂化技术(MIP)的研究开发。促使重油深度转化并形成适宜产品分布的裂化反应与导致催化裂化汽油降低烯烃的氢转移反应在热力学与动力学需求匹配上不尽相同,仅靠催化材料调节难免顾此失彼;催化裂化汽油中的烯烃与芳烃都已被列入有害组分加以限制,这些高辛烷值组分减量后,汽油的辛烷值何以维持?企业既希望降低催化裂化汽油中的烯烃,也同时希望能进一步提高经济效益;更重要的是,由针对汽车尾气中有害物质排放的汽油标准GB17930-1999对汽油中的主要组分烯烃和芳烃进行了限制,首次从分子水平对炼油技术提出了要求,使传统催化裂化技术面临挑战。

MIP技术从1999年开始研发,同年10月进入中试,2000年11月列入中国石化“十条龙”科技攻关项目,2001年1月通过中试评议,2002年2月在上海高桥炼油厂改建的1.4Mt/aMIP装置上开工一次成功。工业试验结果表明,MIP技术可以将催化裂化汽油的烯烃含量直接降到35%以下,还可以提高重油转化能力和轻质油收率,保持汽油的辛烷值,提高企业经济效益。目前,MIP技术已在中国石化的8套装置上得到实施,还有10余套装置正在设计施工中。

GOR系列催化剂、MGD工艺、MIP技术的研发成功和在炼油厂的大面积推广应用,形成了符合中国炼油装置特点、具有我国自主知识产权的清洁汽油生产成套技术,使我国炼油企业在重大挑战面前,以较少投资、较低成本并在较短时间内实现了汽油质量升级,经济效益和社会效益显著。

回顾几年来清洁燃料生产技术的开发历程,可以发现RIPP技术创新工作已呈现新特点。

首先,RIPP已意识到环保法规不断严格形成的挑战已成为炼油技术进步的推动力;石油产品质量不断升级的趋势已成为炼油技术发展方向。通过研究石油产品的标准,关注其发展动向,超前安排科研课题。例如,根据我国汽油池除烯烃高外,还存在辛烷值偏低、硫含量高的实际情况,RIPP发挥自身综合优势,已安排了一批催化裂化、催化加氢、催化重整、固体酸烷基化、碳五和碳六异构化、间接法烷基化、固体酸醚化等相关技术,超前形成综合集成的技术解决方案。

其次,高起点的技术构思是实现创新的关键。只有坚持新颖性、创造性与科学性、工业实用性相统一,才能形成技术创新平台,推动技术不断发展。MIP技术就是首先从分析重质原料在催化裂化过程中按正碳离子机理的反应化学入手,提出了先裂化、再转化的技术思路;通过相关热力学与动力学研究,独创性地提出了双反应区的新概念;通过分析在双分子氢转移反应过程中氢的授受关系,提出串联式双反应区的技术构思;再经过反应工程研究,开发出新型“变径式”提升管反应器。由于是众多创新的集成,该技术先后申请25项国内外发明专利,其中美国专利3项,欧洲专利2项,日本专利2项;获得中国专利授权7项,美国专利授权1项,并获2003年度国家发明专利优秀奖和2004年度国家科技进步二等奖。

第三,知识创新带动技术发展的跨越式进步,成功的技术创新大多从基础研究开始起步。RIPP之广应用,使中国炼油工业用几年的时间走过国外几十年走过的路,主要得益于多年来在探索性研究和应用基础研究方面知识的积累。

2RIPP炼油技术创新的展望

2.1炼油技术创新的外部推动力

社会进步和国民经济发展需要石油产品不断轻质化、优质化、清洁化,而由于原油供应持续重质化、劣质化使企业需要增加轻油收率、调整产品结构和持续降本增效,是中国炼油工业在21世纪面临的挑战。对此,RIPP的技术开发工作将围绕清洁燃料型、油-化结合型和化工型3种炼油厂平台模式展开。清洁燃料型炼油厂的主要目标是以重质劣质原油为原料,生产符合未来排放法规要求的清洁燃料,并满足清洁化生产过程的要求;油-化结合型炼油厂主要是以重油为原料,通过重油转化,除生产清洁燃料外,兼顾生产乙烯、丙烯以及优质乙烯原料和优质芳烃原料;化工型炼油厂是以传统原油为原料,通过现代炼油技术优化组合及创新,生产三烯、三苯,同时多产化工料。另外,随着我国进口原油依存度的不断提高,国家安全潜在的风险亦相应增大,寻找适合中国国情的替代能源势在必行,开发与替代能源相关的、经济合理可行的成套技术,已成为炼油技术开发的目标。

2.2RIPP技术创新能力分析

回顾历史,RIPP之所以能在不同的时期开发出一系列重大技术,满足中国炼油工业发展的技术需求,并在此过程中完成技术开发模式从跟踪模仿为主到自主创新的转变,从单项技术研发到为炼油厂提供综合集成的成套技术,归根结底是由于始终凝聚了一批既掌握深广、扎实的基础理论,又熟悉炼油生产全过程和市场需求的高层次学术带头人,和一批既有专业知识,又有丰富实际工作经验的专家队伍,经过多年、几代人的知识与经验的积累,所形成的综合实力和在长期的科研实践中积淀出的具有RIPP特色的技术创新文化和氛围,这是最为宝贵的一笔财富。

从横向看,各学科交叉融合、彼此渗透、互相启发,形成了综合优势突出的整体研发实力。从纵向看,基础研究源源不断地提供新构思、积累新知识,联动引发应用基础研究、研究开发、工业示范、工业应用、市场化、商品化,这些互不相同但又彼此关联的活动,共同构成了一条通过价值传递,最终实现市场和商业价值的技术创新价值链。这是一个创造价值的动态过程,其中每一步骤不可或缺,彼此互为价值关系,创新过程即价值的传递过程。初步形成和不断完善这样的技术创新价值链,是RIPP技术创新能力全面、协调和可持续发展的源泉。

2.3RIPP下阶段的技术创新工作

(1)坚持RIPP建设“世界级以炼油为主的、炼油-化工结合的能源型研究开发中心”的基本定位,努力在技术、人才、装备和管理四个方面达到世界一流。这是一个循序渐进的长期过程,不可能一蹴而就。从实现科研开发可持续发展的高度,科研业务设置要贯彻“有所为,有所不为”的方针,科研项目布局应体现“构思一批、研究一批、开发一批,应用一批”的层次性,研究开发要向分子水平进军,努力从分子水平去认识石油、炼制石油和使用石油。

(2)加强技术创新价值链的建设,各个环节人、才、物等资源配置要实践科学性。强调一项技术创新能够占有高的市场份额,是对其最严格、最准确的价值评价,也是标志技术创新活动是否有效,以及在多大程度上有效的最终的评价尺度。价值链上的每一项活动都会对最终能够实现多大的价值造成影响,技术上的竞争,不只是某个环节的竞争,而是整个技术创新价值链的竞争,整个价值链的综合竞争力是决定性的。

(3)努力实现技术开发的模块化。所谓技术开发的模块化,就是将技术商品分解为一系列相互独立的子系统,即:技术模块,它们能够独立开发,并且可以被其他技术集成或引用,最终组成能够平稳运行的复杂技术方案。其最大的好处在于,通过专注于若干单个模块,每个研究单元能够深入地研究其产品,从而有效地提高创新的水平和速度,技术模块研究开发战略是技术开发能够不断应对市场变化的最佳战略。