催化裂化輕循環油(LCO)高附加值利用研究進展

梁 宇，王紫東，王 銳，馬守濤

中國石油天然氣股份有限公司大慶化工研究中心，黑龍江 大慶 163714

催化裂化輕循環油(LCO)是催化裂化裝置中產出的一種中間餾分油，具有高硫、高氮、高芳烴含量等特點[1](表1)，屬于典型的劣質柴油餾分。由于世界環保法規的日益嚴格，這部分餾分油作為車用柴油將受到極大限制，亟須尋找新的高附加值利用途徑[2-3]。

表1 幾種典型的LCO性質

LCO具有非常高的芳烴含量，例如，MIP裝置中LCO的芳烴含量可達90%，其中大部分為雙環芳烴[4]。通過加氫精制(HDT)-加氫裂化(HYC)處理工藝，科研人員已經能夠利用LCO生產高辛烷值汽油和超低硫柴油[5]，經過相似的工藝處理，同樣得到高收率的輕質芳烴(BTX)：苯、甲苯、二甲苯[6]。事實上，目前一些石油公司已經同時掌握了這兩種生產工藝。

在許多情況下，用LCO生產高品質燃料和BTX時，首先要求加氫精制(HDT)，在降低硫、氮含量的同時能夠部分加氫飽和四氫化萘及其衍生物，產物經加氫裂化(HYC)后，發生一系列反應(圖1)。為了克服原料性質差、反應條件苛刻等困難，兩種催化劑必須具有較高的活性、選擇性和穩定性，因此性能優異的催化劑是LCO升級利用的關鍵。科研人員使用模型化合物對LCO進行了廣泛的研究，在HDT-HYC工藝中，加氫催化劑在萘的部分加氫和四氫化萘及其衍生物的選擇性加氫裂化為帶有烷基鏈的單環芳香烴的過程中起到關鍵作用[7]。在HYC過程中通常使用同時具有酸性和加氫功能的雙功能加氫裂化催化劑。為了發揮催化劑的最佳性能，酸性和加氫兩種功能之間應具有較好的平衡性[8]。同時，當準備在放大或工業應用中使用催化劑時，實驗中需使用真實原料進行工藝流程設計和過程優化[9]。

圖1 萘及其衍生物生產BTX及反應機制

本文主要針對近些年有關提高LCO經濟效益或者生產高質量燃料(高辛烷值汽油和超低硫柴油)和BTX的文獻進行綜述，為廣大學者提供借鑒和參考。

1 利用LCO生產高品質燃料

Fischer等[10]采用一段串聯HDT-HYC工藝，以LCO為原料生產高辛烷值汽油，加氫精制使用NiMo/Al2O3為催化劑，加氫裂化使用一種貴金屬催化劑Pd/脫鋁Y分子篩，在反應溫度分別為357和413 ℃、4.1MPa、H2/Hc為1 478 nL/L、質量空速(WHSV)為0.6 h-1情況下：當LCO的終餾點為385 ℃時，汽油收率為20%；當LCO的終餾點為288 ℃時，汽油收率為45%；當LCO的終餾點為338 ℃時，汽油收率為35%。LCO終餾點越低，汽油收率越高。

Derr等[11]研究的高品質燃料收率達到55%。在中等氫分壓時，LCO加氫裂化生產高辛烷值汽油和優質餾分油，其中加氫裂化反應器中壓力為4.8～6.2 MPa，H2/Hc為270～445 nL/L，溫度為360～425 ℃，汽油產品的研究法辛烷值(RON)和馬達法辛烷值(MON)分別高達100和88(平均為94)，其中大于215 ℃餾分油被循環回至加氫裂化反應器，使芳烴進一步被部分飽和和裂化，增加烷烴含量。采用這種方式，所得的餾分油十六烷指數為38的硫含量小于0.05%，這種中間餾分油可以作為車用柴油使用。此外，該工藝可生產相對低芳烴含量的高沸點餾分，用作低硫燃料油。該工藝加氫精制使用傳統的NiMo/Al2O3和CoMo/Al2O3催化劑，裂化部分采用NiW、NiMo或CoMo為金屬組分，超穩Y分子篩為酸性組分組成的催化劑。

Fuchikami等[12]使用LCO(硫含量為0.61%、氮含量為4.46×10-4、芳烴含量為76%、十六烷指數為26)生產出十六烷指數為48的優質柴油。HDT部分采用固定床反應器，使用NiMo/SA和NiMo/USY(50%)-Al(50%)為催化劑，反應溫度為280～350 ℃、壓力為9.8 MPa、體積空速(LHSV)為2.0 h-1、H2/Hc為400 nL/L，在一定溫度下，芳烴加氫率可達95%；在300和320 ℃時，十六烷指數分別為42和47，最大硫含量僅為1.0×10-5，在運行266 d后催化劑活性有少量下降。為了減少焦炭在催化劑表面的沉積，該工藝采用反向進料系統，原料向下流動，氫氣向上流動。

Gutiérrez 等[13-14]使用PtPd/HY催化劑考察了溫度、壓力和空速對LCO反應的影響，在WHSV為2 h-1時，通過提高溫度(300～400 ℃)和壓力(3～6 MPa)來提高催化劑選擇性，石腦油產量從16%增加至40%，中間餾分從60%下降至40%，裂化尾油由22%降至12%。在3 MPa和4.5 MPa時，隨著溫度的升高，芳烴化合物的含量由47%下降至42%。作者指出，盡管升高溫度有利于石腦油和中間餾分油的芳烴飽和，但芳烴的含量仍然很高[15]。降低空速促進了芳烴的轉化，增加了直鏈烷烴和支鏈烷烴的生成。當質量空速為1～8 h-1時，HYC的轉化率由84%降至2%；當WHSV為1 h-1時，轉化率為84%，石腦油和柴油的選擇性分別為75%和5%，芳香族化合物和吲哚類化合物的含量分別為33.6%和2.8%。而異構鏈烷烴和環烷烴的濃度分別為34.1%和22.3%。然而，這種石腦油不符合汽油的規定，它應在較高的溫度、壓力和/或H2/Hc下加氫裂化獲得較高的品質。

Bisht等[5]開發了另一種升級LCO的方法，通過使用HDT和HYC工藝生產出了36%的高辛烷值、高芳潛石腦油(RON為93)，其余54%的未裂化油經UnicrackingTM UOP工藝可成為超低硫柴油(1.0～5.0)×10-5，其中HDT工藝采用NiMo催化劑，氫分壓從4.9增加到7.4 MPa，LHSV從0.5增加到2.0 h-1，反應溫度從350提高到400 ℃。HYC催化劑為一種工業試驗的催化劑，研究表明，UnisarTM可以將更多的LCO加氫飽和，提高其十六烷值，且催化劑保持了較好的穩定性，轉化率、收率和產品品質都保持了較高的水平。

Chong等[16]開發了一種用高芳烴含量的催化柴油生產高辛烷值汽油和輕芳烴的FD2G技術，該技術采用一段串聯工藝流程，在固定床反應器上使用NiW催化劑，在390～405 ℃、8～10 MPa、LHSV為0.7～0.8 h-1的工況下，它可以生產35%～58%的低硫清潔柴油，硫含量低于1.0×10-5，十六烷值在29～35，與此同時可生產35%～55%的RON為92～94的清潔汽油。

為了獲得高品質燃料，大多數學者采用HDT-HYC組合工藝對LCO進行加氫處理，可以看出，高性能的加氫精制/加氫裂化組合催化劑是LCO選擇性加氫飽和和部分開環裂化獲得高品質燃料油的關鍵[17]。

2 利用LCO生產高附加值化工產品

BTX是非常重要的基本化工原料，目前柴油過剩，BTX需求逐年增長，從LCO中獲取化工產品是解決柴油過剩和輕質芳烴短缺的理想途徑，在加氫裂化過程中，雙環芳烴部分加氫成為四氫萘類化合物，再經開環、斷鏈生成輕質芳烴(BTX)。

Sheng等[18]使用輕裂解燃料油生產高價值單環芳烴化合物，這種原料的主要成分是烷基化萘和少量的噻吩、喹啉和吲哚，與LCO的組成十分相似。在HDT部分中，萘的衍生物被部分加氫飽和，使兩個芳環化合物中的一個發生選擇性的飽和，精制油硫含量小于1.0×10-5，在HYC步驟中，精制油發生部分斷鏈，單環芳烴化合物收率為29%。

Kim等[19]公開了一種以LCO為原料進行HYC生產輕質芳烴產品的工藝(圖2)，LCO的餾程為170～360 ℃，芳烴含量為70%～80%，在步驟(A)中，使用一種大孔徑球型催化劑，芳烴化合物在大孔徑通道內能更容易接近反應中心，使用該催化劑在流化床反應器內對LCO進行加氫裂化；在步驟(B)中，從步驟(A)中的產品被分離成單環芳烴化合物和多環芳烴兩部分；在步驟(C)中，芳烴混合物在NiMo催化劑上被部分加氫。整個流程完成后，原料的單環、雙環和三環芳烴化合物由7.2%、43.4%、23.6%變為產品的43.6%、17.6%和7.1%。

圖2 利用LCO生產BTX流程[19]

Kim等[20]同時發明了一種由LCO生產高價值芳烴化合物和烯烴的工藝過程(圖3)，這個過程要求：1)HDT步驟中，部分飽和多芳環化合物指單芳環化合物；2)HYC步驟中，選擇性加氫裂化；3)分離步驟，主要分離3種成分，BTX和C9芳烴、烯烴組分、尾油；4)以PtSn/BEA為催化劑，經烷基化生產BTX，尾油進行循環處理，增加BTX產率。在HDT中采用常規加氫精制催化劑，在HYC中使用一種含有Y分子篩的Si-Al催化劑。

圖3 利用LCO生產高價值芳烴化合物和烯烴流程[20]

Bisht等[5]發現在UnicrackingTM工藝中獲得的部分轉化的精制油可以被轉移到LCO-XTM工藝中最大量生產BTX，該工藝最關鍵的部分是LCO轉化為芳烴化合物的最大轉化率，最大轉化率由兩種途徑來實現：1)通過常規分餾工藝使單環芳烴單獨分離；2)通過選擇性加氫萘中的一個環并開環斷鏈，但文中并沒有詳細闡述HYC的操作條件和芳烴最大化過程。

Yanagawa等[21]公開了一種從熱裂解重油(類似LCO)中通過裂化和重組獲得單環芳烴的工藝流程，它使用了一種中等大孔徑沸石作為催化劑，包含P、Ca或Sr和稀土元素，優選硅鋁比大于10的β沸石。這個專利在實施過程中不使用氫，催化劑需要連續再生，因此需要兩個反應器，當原料包含許多多環芳烴時，它會優先進行加氫步驟。在裂化和重組步驟中，多環或多芳烴的體積分數必須低于25%，最好是不到15%的原料。使用此工藝，BTX的選擇性可以達到45%。

Yanagawa等[22]公開了從一種富含萘的餾分油中生產芳烴化合物的工藝過程，使用結晶鋁硅酸鹽(25%～70%)作為催化劑(ZSM-5，硅鋁比10～50)，催化劑中包含Ga和P或Zn和P。在此過程中，氫化萘的衍生物可以作為氫的貢獻者，促進高效的氫轉移反應，使這一過程可以在較低的氫氣分壓下進行，多支鏈的環烷烴特別適合作為原料油的基礎組成部分，發現環烷烴的含量和BTX的產量有直接的關系，環烷烴的質量分數為27%時，BTX的轉化率為49%～51%。

Upare等[23]通過絡合浸漬法制備了一種不同金屬含量的CoMo/β催化劑，通過將萘和一部分裂解原料油加氫裂化為單環芳烴來評估其活性，研究表明，二、三、四甲基萘和菲的存在會使催化劑輕微失活。Upare等[24]還研究了不同反應條件對模型化合物萘最大量生產BTX的影響。CoMo/β催化劑Co/Mo為0.5(β的SiO2/Al2O3為25)，在氫分壓為8 Mpa、370 ℃、LHSV為1.6 h-1、H2/Hc為1 250 nL/L的條件下，萘的轉化率為99.5%，最高單環芳烴收率為62.6%，催化劑持續140 h沒有發生失活現象。在同樣條件下用真實原料進行實驗時，在轉化率為99.1%的條件下,單環芳烴的最大收率為54.8%。

研究表明，通過萘的加氫所得到的萘的衍生物的平均分子量約為169 g/mol，所得到的BTX分子量為100 g/mol，即使使用100%的單環或雙環芳烴原料，100%地轉化為BTX，BTX的最高收率也僅為60%左右，其余的40%轉化為C2～C5碳氫化合物氣體。綜合所有因素，即使在較高的轉化率下，對BTX的選擇性僅為30%～62%。

3 結論

隨著社會對清潔燃料和石化產品的需求不斷增長，通過加氫裂化進行LCO的升級需要更深入和透徹的研究。就國內市場而言，在成品油需求結構方面，柴油已達到峰值，汽油預計2025年達到峰值，并且，受制造業、基礎建設、消費增長驅動，未來十年我國主要化工原料需求將持續增長。所以,從近期而言，用LCO生產汽油可以滿足當前市場需求；從長遠來看，用LCO生產化工產品將是主要方向；同時，如何制備高活性、高選擇性的加氫精制-加氫裂化組合催化劑是未來LCO升級利用的關鍵。