兩類典型渣油原料加氫過程中脫金屬催化劑運轉初期失活研究

韓坤鵬，戴立順，聶 紅

(中國石化 石油化工科學研究院，北京 100083)

固定床渣油加氫處理與重油催化裂化組合工藝可以清潔高效地將劣質(zhì)渣油轉化為高附加值的輕質(zhì)油品，在國內(nèi)外得到廣泛的應用。固定床渣油加氫技術的主要目的是脫除渣油中硫、氮、金屬等雜質(zhì)以及降低殘?zhí)恐担瑸榇呋鸦b置提供合格的進料[1]。在實際工業(yè)生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，與加工高硫低氮類沙輕渣油的裝置相比，加工高氮低硫類儀長渣油的裝置在運轉初期不僅升溫速率快、反應溫度高，并且其降殘?zhí)柯曙@著低于沙輕渣油的[2]。目前關于兩類渣油的加工轉化差異的研究主要集中在兩類渣油原料性質(zhì)的表征上[2-4]，而對兩類渣油加氫過程運轉初期催化劑失活程度差異的研究較少。在渣油加氫過程中，級配裝填的脫金屬催化劑可以有效脫除渣油中的鎳、釩等金屬雜質(zhì)，同時又具有一定的脫硫和降殘?zhí)康墓δ埽蓪蠖说闹鞔呋瘎┐矊有纬捎行У奶荻缺Ｗo。由此，筆者采用碳硫元素分析(CS)、催化劑氮含量分析(CAT-N)、熱重-質(zhì)譜聯(lián)用分析(TG-MS)以及低溫靜態(tài)N2物理吸附等技術手段對從中型固定床渣油加氫實驗裝置上卸出的脫金屬催化劑進行表征，探究加工高氮低硫類渣油的脫金屬催化劑運轉初期失活快的原因，從而為更高效的渣油加氫催化劑和工藝的開發(fā)提供科學參考。

1 實驗部分

1.1 原料、催化劑及試劑

實驗選用來自某煉油廠的儀長管輸原油的渣油原料(簡稱儀長渣油)為高氮低硫類實驗油，并以沙特阿拉伯輕質(zhì)原油的渣油原料(簡稱沙輕渣油)為對比油，其基本性質(zhì)見表1。實驗所用催化劑為中國石化石油化工科學研究院(簡稱石科院)研發(fā)的第三代渣油加氫處理RHT系列催化劑的部分催化劑。甲苯(分析純)，國藥集團化學試劑有限公司產(chǎn)品。

表1 兩類渣油原料的基本性質(zhì)Table 1 Bulk properties of two kinds of feedstocks residue

Mn—Average relative molecular mass；CCR—Conderson carbon residue

1.2 渣油加氫催化劑穩(wěn)定性實驗

渣油加氫催化劑穩(wěn)定性實驗是在中型固定床渣油加氫實驗裝置上進行的。按照工業(yè)裝置催化劑級配原則，沿物流方向依次裝填保護催化劑(RG-30B)、加氫脫金屬催化劑(RDM-32)和加氫脫硫脫殘?zhí)看呋瘎?RCS-31)。主要反應工藝參數(shù)為：反應溫度380 ℃，氫分壓14.0 MPa，氫/油體積比700，體積空速0.30 h-1。即在相同催化劑級配體系和相同工藝條件下，分別以儀長渣油和沙輕渣油為原料油進行0(硫化后)、162、262和562 h的渣油加氫催化劑穩(wěn)定性實驗。

中型固定床渣油加氫裝置運轉結束后，將整個脫金屬催化劑床層卸出，混合均勻后留樣。用甲苯進行索氏抽提除去脫金屬催化劑表面的殘留油分，然后進行相關表征。

1.3 催化劑的表征

采用HORIBA公司EMIA-920V型碳硫分析儀，利用紅外吸收法原理測定催化劑的碳、硫含量。采用ANTEK公司9000型催化劑氮含量分析儀，利用化學發(fā)光法測定催化劑的氮含量。采用德國NETZSCH公司STA 409PC-QMS403C型熱重-質(zhì)譜聯(lián)用分析儀(TG-MS)對催化劑進行熱重和質(zhì)譜表征，考察樣品從20 ℃到800 ℃的失重變化，升溫速率為10 ℃/min，反應空氣流速30 mL/min。采用QUANTA公司AUTOSORB-6B型靜態(tài)氮吸附儀測定催化劑比表面積和孔結構性質(zhì)，120 ℃下干燥 2 h，然后在真空、300 ℃條件下抽氣處理，在液氮溫度為-196 ℃下測試。

2 結果與討論

2.1 渣油加氫轉化過程對比

兩類渣油加氫生成油的性質(zhì)及雜質(zhì)脫除率見表2。從表2可以看出，在相同催化劑級配體系和相同工藝條件下，儀長渣油的金屬Ni、V脫除率均低于沙輕渣油，分別相差5.2百分點、7.1百分點；其降殘?zhí)柯省⒚摿蚵始懊摰室簿^低，分別相差14.3百分點、1.6百分點、8.8百分點。這可能是由于儀長渣油相比于沙輕渣油較難加氫轉化，也可能是由于加工儀長渣油的催化劑運轉初期失活程度較大造成的，因此筆者將考察在相同催化劑級配體系和相同工藝條件下加工兩類典型渣油的脫金屬催化劑運轉初期失活行為的差異。

表2 兩類渣油加氫生成油的主要性質(zhì)及雜質(zhì)脫除率Table 2 Main properties and removal rate of impurities of two kinds of residue products

The properties of two kinds of residue products were characterized after 162 h operation unit.Residue hydrotreating condition:p=14.0 MPa;T=380 ℃;LHSV=0.30 h-1;V(H2)/V(Oil)=700

2.2 催化劑的元素分析

加工兩類渣油使用過的脫金屬催化劑上沉積的碳、硫、氮含量表征結果如表3所示。從表3可以看出，與加工沙輕渣油的脫金屬催化劑相比，在相同反應條件下加工儀長渣油的脫金屬催化劑上形成了更多積炭，分別相差1.4百分點、1.7百分點、1.1百分點；加工儀長渣油的脫金屬催化劑上硫化物沉積略少，而氮化物較多。由于兩類渣油的催化劑穩(wěn)定性實驗的催化劑級配體系與工藝條件都相同，因此原料油性質(zhì)差異是造成加工兩類渣油的脫金屬催化劑運轉初期元素沉積不同的主要原因。結合表1 可知，儀長渣油中氮質(zhì)量分數(shù)約是沙輕渣油的2.5倍，而硫質(zhì)量分數(shù)遠低于沙輕渣油。渣油中氮原子絕大部分存在于芳雜環(huán)結構中(五元環(huán)吡咯型和六元環(huán)吡啶型)，這些氮雜環(huán)化合物又大多富集在膠質(zhì)、瀝青質(zhì)中。在加氫反應過程中，這些氮化物(尤其是堿性氮化物)優(yōu)先吸附在催化劑表面，由于受到芳香環(huán)加氫飽和及C—N鍵斷裂反應速率的限制，其較難加氫轉化為小分子物質(zhì)，而易發(fā)生脫氫縮合反應形成積炭，從而使加工儀長渣油的脫金屬催化劑運轉初期形成更多的積炭，與其上沉積了更多的氮化物相一致。從表1還發(fā)現(xiàn)，儀長渣油的黏度約是沙輕渣油的2倍，相對平均分子質(zhì)量更大。由于渣油加氫反應是擴散控制的過程，因此在相同的反應條件下，黏度更高、分子更大的儀長渣油分子更難擴散至催化劑孔道內(nèi)的活性中心上進行加氫反應，進一步加劇積炭形成。研究表明，渣油加氫脫殘?zhí)看呋瘎┦Щ畛潭扰c其上形成的積炭量有著密切關系[5]。在加氫過程中，運轉初期快速形成的大量積炭將會覆蓋催化劑表面的活性中心，致使催化劑孔結構性質(zhì)變差，增大渣油中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等大分子反應物的擴散阻力。因此更多積炭的形成可能也是導致加工儀長渣油的脫金屬催化劑運轉初期失活較快的主要原因之一，此外還發(fā)現(xiàn)新鮮硫化態(tài)催化劑上就已存在大量氮化物，可能是由于在催化劑預硫化過程中硫化溫度和反應性能都較低，從而對硫化油中的氮化物有著較低的加氫轉化性能。

表3 加工不同類型渣油的脫金屬催化劑上碳、硫、氮含量分析結果Table 3 w(C)，w(S)and w(N)of the HDM catalysts processed different residue feedstocks

2.3 催化劑的熱解行為分析

熱重-質(zhì)譜聯(lián)用技術(TG-MS)不僅可以獲得催化劑樣品分解或氧化導致其質(zhì)量變化的熱重(TG)曲線，還可通過質(zhì)譜分析器得到積炭氧化燃燒釋放出的氣體定性和定量的信息[6]，是研究催化劑積炭失活的重要手段。因此筆者通過TG-MS進一步考察加工兩類渣油的脫金屬催化劑運轉初期的熱解行為，研究積炭的氧化燃燒行為差異。

2.3.1 TG-MS曲線解析

圖1為運轉162 h后加工儀長渣油的脫金屬催化劑的TG-MS譜圖。從圖1可以看出，卸出的脫金屬催化劑存在3個明顯的質(zhì)量損失區(qū)域，分別為50～200 ℃、200～400 ℃、400～700 ℃。結合MS譜圖可知：催化劑在Zone 1溫度段釋放了較大量H2O和極少量SO2，主要是催化劑表面物理吸附水及少量活性相硫化物氧化所致；在Zone 2溫度段釋放出大量的H2O，較大量CO2、SO2及極少量NO2，主要是由于部分H/C原子比較高的積炭氧化燃燒、沉積金屬硫化物氧化所致；而在Zone 3溫度段則產(chǎn)生大量CO2，少量的H2O、SO2及NO2，主要歸屬于H/C原子比較低的積炭氧化燃燒、部分金屬硫化物或有機硫化物的氧化。由此可知，卸出的脫金屬催化劑在運轉初期就已形成2種燃燒難易程度不同的積炭。

圖1 運轉162 h后加工儀長渣油的脫金屬催化劑的TG-MS譜圖Fig.1 TG-MS curves of the HDM catalyst processed Yichang AR after 162 h

2.3.2 催化劑TG曲線對比

圖2為不同運轉時間下加工不同類型渣油的脫金屬催化劑的TG曲線。從圖2可以看出，在400～700 ℃ 范圍內(nèi)，加工儀長渣油的脫金屬催化劑的質(zhì)量損失量較大，表明在相同反應條件下加工儀長渣油的脫金屬催化劑積炭較為嚴重。并且與50～200 ℃和200～400 ℃溫度段相比，加工兩類渣油的脫金屬催化劑在400～700 ℃范圍內(nèi)都有最大的質(zhì)量損失量，說明加工兩類渣油的脫金屬催化劑在運轉初期就已經(jīng)形成了較多難以氧化燃燒的高溫型積炭，而加工儀長渣油的脫金屬催化劑上形成的高溫型積炭更多。

圖2 不同運轉時間下加工不同類型渣油的脫金屬催化劑的TG曲線Fig.2 TG curves of the HDM catalysts processed different residue feedstocks at different operation timet/h:(a)162；(b)262；(c)562 Saudi Arabian AR； Yichang AR

2.3.3 催化劑TG-MS譜圖對比及積炭的氧化燃燒行為分析

圖3為裝置運轉162 h后加工兩類渣油的脫金屬催化劑的MS譜圖。從圖3可以看出，與加工沙輕渣油的脫金屬催化劑相比，在相同反應條件下加工儀長渣油的脫金屬催化劑氧化燃燒生成的H2O、CO2、SO2、NO2質(zhì)譜譜峰的出峰位置在400～700 ℃溫度范圍內(nèi)向高溫方向偏移程度更大。結合上述分析可知，該部分譜峰主要歸屬于催化劑上低H/C原子比的高溫型積炭氧化燃燒，說明加工儀長渣油的脫金屬催化劑上形成的積炭更難氧化燃燒。此外還發(fā)現(xiàn)氧化燃燒形成的CO2和NO2質(zhì)譜譜峰峰位置基本相同，說明積炭和氮化物有著高度相似的燃燒行為，并且加工儀長渣油的脫金屬催化劑氧化燃燒形成的CO2和NO2質(zhì)譜譜峰較強，表明儀長渣油中的氮化物不僅促使脫金屬催化劑在運轉初期形成更多的積炭，還使其形成了較多更難氧化燃燒的積炭。

圖3 裝置運轉162 h時加工不同類型渣油的脫金屬催化劑的質(zhì)譜圖Fig.3 MS of the HDM catalysts processed different feedstocks residue after 162 h operation(a)H2O；(b)CO2；(c)SO2；(d)NO2 Saudi Arabian AR； Yichang AR

分別對加工兩類渣油的脫金屬催化劑氧化燃燒生成的CO2質(zhì)譜譜峰進行分峰處理，擬合峰的峰溫、峰面積比及不同類型積炭量列于表4。從表4可以看出，與加工沙輕渣油的脫金屬催化劑相比，在相同反應條件下加工儀長渣油的脫金屬催化劑上不僅形成了較多的積炭，高溫型積炭量也更多，并且2種類型的積炭峰溫更高。相關研究表明[7-8]，在加氫過程中形成的高溫型積炭對催化劑失活影響更大。由此可知，形成較多的積炭且更多較難氧化燃燒的高溫型積炭是導致加工儀長渣油的脫金屬催化劑比加工沙輕渣油的運轉初期失活程度更大的主要原因。

2.4 積炭(沉積物)對催化劑孔結構的影響

在裝置運轉初期，快速形成的大量積炭以及少量金屬硫化物的沉積將會導致催化劑孔結構發(fā)生變化，阻礙渣油分子與催化劑活性中心接觸，致使催化劑失活。表5為加工兩類渣油的脫金屬催化劑的比表面積和孔體積。從表5可以看出，在相同反應條件下，加工儀長渣油的脫金屬催化劑的比表面積、孔體積均低于加工沙輕渣油的，說明在裝置運轉初期，加工儀長渣油的脫金屬催化劑的孔結構性質(zhì)更差。這主要是由于加工儀長渣油的脫金屬催化劑上沉積了更多的積炭。

表4 不同運轉時間下加工不同類型渣油的脫金屬催化劑的CO2各類型譜峰的位置及所占比例Table 4 Fit peak temperature and peak area ratio of CO2 MS of the HDM catalysts processed different feedstocks residue at different operation time

表5 加工不同類型渣油的脫金屬催化劑的BET表征結果Table 5 The results of BET of the HDM catalysts processed different feedstocks residue

圖4為加工兩類渣油的脫金屬催化劑的孔徑分布，可以更直觀地考察催化劑孔結構性質(zhì)差異。從圖4可以看出，與加工沙輕渣油的脫金屬催化劑相比，在相同反應條件下，加工儀長渣油的脫金屬催化劑孔徑在10～100 nm范圍內(nèi)占比更少。這說明加工儀長渣油的脫金屬催化劑孔道堵塞更為嚴重，活性中心可接近性更差，催化劑運轉初期失活程度更大。此外還可以發(fā)現(xiàn)，運轉162 h的加工儀長渣油的脫金屬催化劑孔徑在10～20 nm范圍內(nèi)的占比略多于加工沙輕渣油的脫金屬催化劑。這可能是由于在較短的運轉時間內(nèi)加工儀長渣油的脫金屬催化劑上大于20 nm的孔道相比于加工沙輕渣油的脫金屬催化劑的孔道堵塞更為嚴重導致的。

3 結 論

(1)與加工沙輕渣油的脫金屬催化劑相比，在相同反應條件下加工儀長渣油的脫金屬催化劑上形成了更多的積炭；沉積的硫化物略少，而氮化物較多。

(2)加工兩類渣油的脫金屬催化劑上積炭的氧化燃燒都主要集中在400～700 ℃范圍內(nèi)，形成較多積炭以及更多較難氧化燃燒的高溫型積炭是導致加工儀長渣油的脫金屬催化劑運轉初期失活程度更大的主要原因。

圖4 不同運轉時間下加工不同類型渣油的脫金屬催化劑的孔徑分布Fig.4 Pore diameter distribution of the HDM catalysts processed different feedstocks residue at different operation timet/h:(a)162；(b)262；(c)562 Sulfided； Saudi Arabian AR； Yichang AR

(3)加工儀長渣油的脫金屬催化劑的孔結構性質(zhì)更差，其比表面積及孔體積均低于加工沙輕渣油的脫金屬催化劑，大孔占比更低，活性中心可接近性變得更差。