清华大学教授魏飞：原油直接裂解烃产品收率可达70%

清华大学化学工程教授、博士生导师

教育部长江学者特聘教授

北京市绿色化学反映工程和技术重点实验室主任

1996年、1997年、1999年分别获得国家杰出青年奖、中国青年特殊贡献奖等殊荣。主要研究方向包括多相流和多相流反应工程、气固流化床及其在石油化工和煤化工工程中的应用、碳纳米管及纳米功能材料、工业催化与反应过程强化等，在流态化、多相催化及碳纳米管领域贡献卓越，领衔开发了世界最大规模的碳纳米管生产技术以及高密度循环流化床、甲醇制芳怪、气固并流下行床等技术。

记者：原油直接裂解制烃产品是当前全球最前沿的石化技术。请您介绍一下该技术的反应机理和反应条件。

魏飞：原油直接裂解制烃产品，其核心是利用原油重质化条件下的原料直接生产化工平台化合物。由于原料与产品的氢碳比总体平衡，如果从反应机理上避免高温自由基反应及脱氢反应，就可以避免目前石油化工生产过程对于中间产物的反复加氢、裂解等一系列低效、非原子经济性的循环过程，实现优异的原子经济性，也使得项目的投资强度和能耗大幅降低，收益显著提高。

我们搞的原油直接裂解制烯烃与芳烃的反应条件比较苛刻，反应机理也更复杂。它是在超过600摄氏度、催化剂/原油比大于15千克/千克、催化剂与原油接触反应时间小于1秒的条件下，原油在平推流多相反应器中，经裂解、脱氢、芳构化等一系列反应，生产出烯烃、芳烃及其他化学品，整个过程是正碳离子与烃池反应机理的组合。由于反应及物料停留时间极短，在很大程度上避免了高温自由基反应与脱氢、芳烃缩合反应，从而大幅提高了烯烃、芳烃收率，降低了结焦率。

记者：与传统石油路线相比，原油直接裂解制烯烃、芳烃有哪些显著优势？

魏飞：我认为有四大显著优势：

• 一是裂解原料为原油而非石脑油、轻柴油或加氢尾油，省去了传统石油制烯烃、芳烃工艺必须配套的能耗、氢耗巨大的重油加氢裂解单元，整个装置的能耗、氢耗会明显下降。

• 二是传统的催化裂化制备烯烃、芳烃工艺，主要产品是油品，而烯烃和芳烃被沦为副产品且收率较低。以重油催化裂化为例，仅可得到5%的丙烯。而原油直接裂解制烯烃和芳烃技术正好相反，它以生产烯烃、芳烃等化学品为主，化学品收率接近70%～80%，汽油柴油产率极低。

• 三是所得产品中，除乙烯以外的干气低、结焦低，柴油、油浆量很少；所得汽油中单环芳烃含量超过45%，直接抽提芳烃后，可继续回炼得到烯烃、芳烃，进一步提高烯烃、芳烃产品的收率。

• 四是由于整个过程的原料与产品总体氢碳比是平衡的，避免了目前石化生产过程中大量的氢气、甲烷生成及对于中间产物反复加氢、裂解等低效非原子经济性循环过程，实现了优异的原子经济性，因此，投资强度和能耗大幅下降，项目收益率显著提升。

记者：那么与煤制烯烃、甲醇制烯烃相比呢？

魏飞：抱歉，这一技术不宜与煤化工直接比较。因为虽然煤化工的投资大、能耗高，但就我国的资源禀赋而言，原料是有保证的。而这一点，对投资巨大的项目或大产业而言至关重要。

记者：原油直接裂解制烃产品对原料和催化剂有无特殊要求？

魏飞：原油直接裂解制烯烃和芳烃不仅对原油性质有一定要求，对催化剂性能的要求更高。

对于原油，要求其重金属含量不能太高，镍+钒的含量最好小于百万分之三，从而确保脱氢与芳烃缩合反应速度得到抑制。另外，低碳烷烃含量也不能太高，如小于碳12的烷烃含量不高于30%。这与低碳烷烃的催化裂解催化剂的活性不够好相关。最好采用石蜡基含氢量高的重油作原料，尽量避免使用催化或焦化柴油或重油加氢尾油做原料。这是因为若原料中重金属含量高或氢含量过低，将严重影响烯烃收率；若采用催化或焦化柴油、重油加氢油作裂解原料，则烯烃、芳烃的收率会下降。

至于催化剂，不仅要求其活性高、裂化原油的能力强，还要求其对烯烃、芳烃有良好的选择性。同时，要求催化剂的表面为结焦低的介孔结构。

记者：据了解，当前全球范围内，原油直接裂解制烯烃和芳烃技术实现产业化的并不多，请问难点在哪里？你们研发的技术已经到了哪一步？

魏飞：我认为原油直接裂解制烯烃和芳烃技术实现产业化的难点主要有3个：

• 一是在温度超过600摄氏度、剂油比超过15千克/千克且不到1秒钟接触时间的苛刻条件下实现原油催化裂解，需要显著抑制返混，降低结焦和干气的产生，从而对新型反应器结构与过程控制提出了严格要求。

• 二是在大剂油比条件下，传统催化裂化反应再生系统（简称反再系统）下的返混大、容易产生噎塞，在不稳定流化区域操作难度很大，需要开发新的特殊的下行式多级逆流流化床反应器。

• 三是所开发的催化剂在高温下必须同时具备良好的活性、稳定性和对烯烃、芳烃的高选择性。

经过不懈努力和试验，原油直接裂解制烯烃和芳烃所需的高效专用催化剂制备技术我们已经攻克。我们开发的下行床柔性重油催化裂化/裂解技术在中国石化集团济南炼油厂15万吨/年工业试验成功应用后，还开发出具有完全自主知识产权的原油直接裂解制烯烃、芳烃关键核心技术——多级逆流下行式反应器，并完成了10千克/小时全流程试验。我们的合作伙伴——沙特阿拉伯国家石油公司（简称沙特阿美）则完成了下行床反应器的百万吨级工业试验并在韩国完成了120万吨/年工业示范，积累了较为丰富的工程化经验和过程控制数据。至此，制约原油直接裂解制烯烃、芳烃的三大难题我们基本解决。目前，我们与沙特阿美正通力合作，发挥各自优势，加快技术的优化和工业化进程。

记者：请您借此回顾一下国内原油直接裂解制烯烃、芳烃技术的开发历程。

魏飞：国内石化行业探索原油直接裂解制烯烃、芳烃技术已经有很长时间了，最早可以从上世纪60年代引进砂子炉进行原油直接裂解算起。但当时由于砂子炉工程问题突出，再加上是以热裂解为核心的技术，并未取得预期的效果。由于传统炼油-乙烯（化工）一体化项目不仅工艺流程长、投资大，而且所得产品以柴油、汽油、煤油等燃料油为主，只有副产的20%左右的石脑油才能作为生产烯烃、芳烃的原料，导致市场短缺、附加值高的烯烃、芳烃产品长期供不应求。尤其化学品需求量巨大且持续增长的亚太地区，烯烃、芳烃的供需矛盾一度十分突出。在这种情况下，原油直接制烃产品成为石化行业关注的重点。

2000年，中石化洛阳石化工程有限公司成功开发出重质油裂解制烯烃技术；2010年3月，中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院推出重油催化热裂解制烯烃技术。这两项技术既是原油直接裂解制化学品的探索和尝试，也可以看作是原油直接裂解制化学品的雏形。但由于相关技术对于原油结焦、重金属沉积、反应传热、催化剂失活等诸多工程问题一直难以解决，加之此前国内成品油供应不足、利润可观，石化企业少产油多产化学品的积极性不高，导致原油直接裂解制化学品技术此后一直停滞不前。

随着可再生能源及电动车的发展，全社会对汽油、柴油的需求增长放缓，成品油供大于求矛盾开始显现并不断加剧，石化企业对开发能够多产化学品少产成品油的原油直接裂解制烃产品技术的热情再度升温。同时，清华大学在下行床柔性重油催化裂化/裂解方面与中国石化集团济南炼油厂取得了15万吨/年工业试验的成功，我国现代煤化工快速发展为煤气化过程中下行床的广泛使用积累了诸多工程经验，日本相关企业及沙特阿美在百万吨级下行床技术工业试验方面取得了工程化的长足进步，国内外企业的这些探索均为原油直接裂解制烃产品技术的开发创造了条件、提供了支撑。2015年7月，我们开始与沙特阿美合作开发以多级逆流下行式反应器为核心的平推流式下行床原油直接裂解制烃产品技术。

魏飞：埃克森美孚是在2014年建成并运行了原油直接裂解制烃产品技术的，其核心是利用现有石油分馏与裂解技术的组合，通过对原料的选择与加工方案的优化，使化学品价值最大化。据称，其化学品收率可由传统炼化一体化的10%～15%提高到50%～70%，吨烯烃成本可以节省100～200美元，可以将其看作原油直接裂解制烯烃、芳烃的第一代技术。

我们开发的原油直接催化裂解制烯烃、芳烃技术，化学品收率可达70%～80%，不仅原料适应性更广，还解决了目前重油催化裂解带来的焦炭高、干气量大、产品收率低等核心问题。具体而言，若采用石蜡基或中间基原油，我们开发的平推流式下行床原油直接裂解制化学品工艺的乙烯+丙烯单程收率可达45%（质量百分比，下同）、芳烃收率23%。若加上循环，可得到70%以上的双烯与单环芳烃。更为重要的是，该过程中焦炭与柴油的产率很低，避免了焦炭量大引起的反再系统热量不能平衡，柴油量大引起的加氢循环不能增产烯烃、芳烃的问题。

魏飞：我们已经完成具有完全自主知识产权的多级逆流下行式原油制烯烃芳烃工艺10千克/小时的全流程实验，正在国内推进50万吨/年至120 万吨/年工业示范，预计近几年就会有百万吨级示范装置投建。未来，这一技术将会成为大型炼厂由炼油型、炼化一体化向高效化工型炼厂跨越的核心单元。

记者：随着众多大型乙烯、芳烃及煤化工项目的投产，我国烯烃、芳烃产能持续大幅增长，甚至在3～5年后可能存在产能过剩的风险。在这种情况下，您对原油直接裂解制烃产品技术的前景还有信心吗？

魏飞：就目前新建和规划的烯烃、芳烃项目规模和速度而言，未来的确有产能过剩的可能。但我们从另一个角度来看，届时烯烃芳烃产能真的过剩，也属于结构性过剩，首先淘汰的必然是那些工艺技术落后、能源资源消耗大、规模小、上下游配套不完善、成本高的产能。能耗和氢耗低、投资强度小、竞争力强的技术和项目不仅不会被淘汰出局，反而会得到更多投资者青睐。这也是为什么埃克森美孚希望在中国建大型原油直接裂解装置的原因。因此，我对我们技术的前景充满信心。

另外，从我国石化行业的发展历程看，真正的先进技术是很难从国外买到的。尤其在当前国际地缘政治复杂的大背景下，我国获取国外先进石化技术的可能性更小。这就倒逼我们必须自主开发比国外更先进的石化技术，才能在未来的国际竞争中站稳脚跟。

从美国化工30年的发展历程看，没有技术突破与积累的企业，绝大部分都会被淘汰。中东国家的石化企业，正是看到了技术进步的重要性，才抛弃了拥有丰富油气资源和低原料成本的优越感，不仅投入巨资开展基础性、前沿性技术研究，还敞开大门，主动开展对外合作和联合技术攻关。相信国内有远见卓识的石化企业，也会积极参与到包括原油直接裂解制化学品在内的高新技术开发研究中来，共同推动相关技术的研发、试验、优化、完善乃至推广应用，促进我国石化行业技术进步和产业升级。

记者：目前国际能源尤其石油和天然气市场跌宕起伏。这种走势将会对烃产品市场产生怎样的影响？又会对你们的技术推广应用产生怎样的影响？

魏飞：石油与国际能源市场的波动，更大程度上反映了以美元为核心的国际资本对石油市场的作用关系。中国在人民币强于美元之前或中国的金融具有国际主导权之前，不仅很难在这个市场上获得大的利益，还会因我们的原油对外依存度超过72%而带来长久且不可控的影响。在这种情况下，用先进的原油直接裂解制烃产品，能够更好地减少或规避石油及国际能源市场波动对我国化工市场、石化行业乃至能源领域的影响。

记者：谢谢您接受采访！

 

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文章来源：《中国石油和化工产业观察》杂志

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