炼油技术浅说

炼油和石化工业是至关重要和非常复杂的工业部分，其装置的复杂程度远远超过普通人的想象，具有很高的技术含量，是现代联合生产的典型。在一个半世纪的发展过程中，越来越多的新技术被纳入到炼厂中。正是因为有了这些装置，才使我们能够得到足量和合格的各类油品。



原油是一种成分极其复杂的混合物，而且全世界各地的原油都不同质。在中学里我们就学到过，炼油主要依靠分馏工艺。分馏其实是一种蒸馏，通过沸点的不同分离原油的不同组分。最早的炼油和土法炼钢也没有什么差别，这种局面直到连续蒸馏工艺出现后才改变。可以说，正是有了连续蒸馏工艺，才有了现代炼油工业。最简单的炼厂叫做拔头炼厂，20世纪初期的炼厂基本上就是这种类型，只有采用连续蒸馏工艺的常压蒸馏装置（CDU），这其实就是我们在教科书中所说那类分馏工艺。

在原油中分馏出的最轻组分是一些气体，现在被加工为液化石油气（LPG）。但在20世纪初期，西方才刚刚普及管道煤气，并没有庞大的LPG分销体系，因此很多的炼厂气都被火炬放空了。这在今天是一定要尽可能避免的，因为不仅浪费了宝贵的石油资源，还造成了碳排放。

石脑油又叫做粗汽油，故名思有就是构成汽油的主要组分。其实用作汽油最好的是分子中碳原子在8个上下的馏分（C8），因为辛烷就是8个碳原子的。判定汽油抗爆性的指标，辛烷值就是这么来的，那是以正辛烷作为100。可惜，由于汽油中存在大量的短碳链分子，加上不饱和烯烃成分比较多，因此辛烷值是很成问题的。在二战中，辛烷值90以上的都是非常高品质的航空汽油了，而现在美国市面上加的最低品质汽油也要87号（各国辛烷值有不同分析方法，主要有马达法和实验室法两种）。

在中间馏分中，主要是煤油和柴油。在20世纪初期，航空工业才刚刚发展起来，使用的是航空汽油，还没有需要使用航空煤油的涡轮喷气发动机，因此煤油主要是当作燃料烧掉的。在航空煤油出现后不久，掺调石脑油的冬季航煤就有了，最典型的就是军标的JP-4和民标的Jet B。至于更重的直馏燃料油则在喷吹供油技术成熟后，成为了燃油锅炉的主要燃料。在一战前就出现了燃油的蒸汽轮机，成为了战舰了重要燃料，尽管重要性暂时仍然不如煤炭重要，但由于性能优良其重要性迅速提升。



但是拔头炼油的效率非常低，一个是汽油和柴油的产量不足，难以满足机动车保有量的迅速提升，另一个是汽柴油的品质不佳，矛盾主要在汽油上，就是辛烷值低。低辛烷值汽油用在汽车上尚且能够凑活，但要是用在活塞战斗机上则会严重限制性能，特别是对于发动机增压技术的应用和高空飞行都会带来不利影响。20世纪初期开始，人们就开始往汽油中添加提高辛烷值的添加剂，后来终于找到了四乙基铅这种化合物。当时是不会管铅中毒这回事的，尽管开始用不久就发现了这个问题。

真正迎来转机的是加氢工艺的引入。20世纪30年代末期，美国首先突破了重整工艺。重整装置以重石脑油为原料，将其化学结构重排，形成高芳烃含量的成分。由于芳烃的碳氢比比烷烃要低，因此辛烷值得到了提升。重整装置还因此能提供很多的副产氢，这些氢可以用于对汽柴油的处理，提高其饱和化程度。重整和加氢工艺的引入大大提高了汽柴油的产量和品质，对于50年代美国真正成为汽车轮子上的国家，起到了关键作用。



另一方面，新的问题出现了，前面说到全世界各地的原油品质是不同的，有轻有重。重质原油的轻质油品收率低，重质油品收率高，与消费结构形成了矛盾。如果没有汽柴油和航煤，现代化战争是绝对没法打的，由此便形成了一系列重质原油加工工艺。其实重质原油加工工艺出现得并不晚，早在20世纪上半叶就已经有了热裂化工艺，简单的说就是通过热处理，将大分子打成小分子，这样轻质和中质馏分就有了。但后来随着技术的进步，出现了更先进和更复杂的工艺，例如固定床或者流化催化裂化（FCC）工艺。

简单地说，催化裂化工艺要求在常压蒸馏装置下道安装减压装置，由此原油一次加工工艺彻底成熟。现在在炼油工业中，将常压蒸馏单元和减压蒸馏单元合称为常减压装置。减压装置出来的减压柴油（或者叫减压瓦斯油VGO）作为FCC装置的进料。一方面可以提供石脑油，作为汽油调和原料，另一方面可以增产柴油。具体来说，到底是更偏向增产汽油还是更偏向柴油要看国庆，美国是偏向增产汽油，中国是偏向增产柴油。

这里还有必要说说地炼，中国的很多地炼都是加工劣质原油甚至燃料油的，它们经常都要配备减黏裂化装置，首先对于很重的燃料油进行处理，将其加工成可以处理的原料。两桶油经常说地炼品质不行，其实从工艺上来说是有道理的，当然地炼会反驳说两桶油垄断原油进口权，云云。不管怎么说，从工艺上来说，地炼的确是不如两桶油的，能和两桶油相比的也只有中海油这种，毕竟人家有自己的千万吨级主力炼厂，还有自己的油源。

保障了量还有有质。在这方面需要增加很多设备，重整装置对于芳烃工业是非常重要的，但光靠重整也不行，一个重要的原因是它以重石脑油为原料，虽然可以动用FCC装置生产的VGO，但适合重整装置进料的原料仍然有限。一个比较好的思路就是拿碳链更短的分子转化成更长的分子，或者支链更多的分子（因为支链多能增加辛烷值），这样就出现了异构化和烷基化工艺。在实践中，由于四乙基铅毒性带来的环境和健康问题越来越严重，所以开始转用其他提辛烷值的代用品，其中之一就是甲基叔丁基醚（MTBE）。

MTBE也是从炼油工业中获得原料，然后通过石化工艺合称。现在一般是用甲醇和富含烯烃的混合C4反应，由于这一合成反应的选择性很强，基本上只和异辛烯反应，剩余的抽余液中可以获得很多正丁烯，正好拿来做烷基化原料。从80年代开始，为了解决合成橡胶原料的不足，还出现了所谓醚后C4的综合利用，对正丁烯氧化脱氢，然后生产丁二烯，再聚合成合成橡胶。不过，这一技术大规模推广还是这几年的事情。



在主要的二次加工工艺中，我们已经讨论了重整、裂化、加氢，还有一项没有谈，这就是焦化（Coking）。国内主力炼厂基本上都是FCC和焦化共同构成二次加工的主力，而焦化中用得最多的是延迟焦化，并且以增产柴油为主要目的。延迟焦化只是焦化装置中的一种，应用得最多而已，还有加氢焦化、缓和焦化等许多其他类型。焦化装置主要以减压蒸馏装置的减压渣油（VRES）为原料，属于劣质原料加工的一条主要线路。作为热加工工艺在反应过程中既有断链，又有缩合。近年来，美国在炼厂改造中增加了许多焦化装置，这其实是为了加工加拿大重质原油。在后面我还会讨论，加拿大油砂油的处理工艺。

炼油和石化工业是至关重要和非常复杂的工业部分，其装置的复杂程度远远超过普通人的想象，具有很高的技术含量，是现代联合生产的典型。在一个半世纪的发展过程中，越来越多的新技术被纳入到炼厂中。正是因为有了这些装置，才使我们能够得到足量和合格的各类油品。



原油是一种成分极其复杂的混合物，而且全世界各地的原油都不同质。在中学里我们就学到过，炼油主要依靠分馏工艺。分馏其实是一种蒸馏，通过沸点的不同分离原油的不同组分。最早的炼油和土法炼钢也没有什么差别，这种局面直到连续蒸馏工艺出现后才改变。可以说，正是有了连续蒸馏工艺，才有了现代炼油工业。最简单的炼厂叫做拔头炼厂，20世纪初期的炼厂基本上就是这种类型，只有采用连续蒸馏工艺的常压蒸馏装置（CDU），这其实就是我们在教科书中所说那类分馏工艺。

在原油中分馏出的最轻组分是一些气体，现在被加工为液化石油气（LPG）。但在20世纪初期，西方才刚刚普及管道煤气，并没有庞大的LPG分销体系，因此很多的炼厂气都被火炬放空了。这在今天是一定要尽可能避免的，因为不仅浪费了宝贵的石油资源，还造成了碳排放。

石脑油又叫做粗汽油，故名思有就是构成汽油的主要组分。其实用作汽油最好的是分子中碳原子在8个上下的馏分（C8），因为辛烷就是8个碳原子的。判定汽油抗爆性的指标，辛烷值就是这么来的，那是以正辛烷作为100。可惜，由于汽油中存在大量的短碳链分子，加上不饱和烯烃成分比较多，因此辛烷值是很成问题的。在二战中，辛烷值90以上的都是非常高品质的航空汽油了，而现在美国市面上加的最低品质汽油也要87号（各国辛烷值有不同分析方法，主要有马达法和实验室法两种）。

在中间馏分中，主要是煤油和柴油。在20世纪初期，航空工业才刚刚发展起来，使用的是航空汽油，还没有需要使用航空煤油的涡轮喷气发动机，因此煤油主要是当作燃料烧掉的。在航空煤油出现后不久，掺调石脑油的冬季航煤就有了，最典型的就是军标的JP-4和民标的Jet B。至于更重的直馏燃料油则在喷吹供油技术成熟后，成为了燃油锅炉的主要燃料。在一战前就出现了燃油的蒸汽轮机，成为了战舰了重要燃料，尽管重要性暂时仍然不如煤炭重要，但由于性能优良其重要性迅速提升。



但是拔头炼油的效率非常低，一个是汽油和柴油的产量不足，难以满足机动车保有量的迅速提升，另一个是汽柴油的品质不佳，矛盾主要在汽油上，就是辛烷值低。低辛烷值汽油用在汽车上尚且能够凑活，但要是用在活塞战斗机上则会严重限制性能，特别是对于发动机增压技术的应用和高空飞行都会带来不利影响。20世纪初期开始，人们就开始往汽油中添加提高辛烷值的添加剂，后来终于找到了四乙基铅这种化合物。当时是不会管铅中毒这回事的，尽管开始用不久就发现了这个问题。

真正迎来转机的是加氢工艺的引入。20世纪30年代末期，美国首先突破了重整工艺。重整装置以重石脑油为原料，将其化学结构重排，形成高芳烃含量的成分。由于芳烃的碳氢比比烷烃要低，因此辛烷值得到了提升。重整装置还因此能提供很多的副产氢，这些氢可以用于对汽柴油的处理，提高其饱和化程度。重整和加氢工艺的引入大大提高了汽柴油的产量和品质，对于50年代美国真正成为汽车轮子上的国家，起到了关键作用。



另一方面，新的问题出现了，前面说到全世界各地的原油品质是不同的，有轻有重。重质原油的轻质油品收率低，重质油品收率高，与消费结构形成了矛盾。如果没有汽柴油和航煤，现代化战争是绝对没法打的，由此便形成了一系列重质原油加工工艺。其实重质原油加工工艺出现得并不晚，早在20世纪上半叶就已经有了热裂化工艺，简单的说就是通过热处理，将大分子打成小分子，这样轻质和中质馏分就有了。但后来随着技术的进步，出现了更先进和更复杂的工艺，例如固定床或者流化催化裂化（FCC）工艺。

简单地说，催化裂化工艺要求在常压蒸馏装置下道安装减压装置，由此原油一次加工工艺彻底成熟。现在在炼油工业中，将常压蒸馏单元和减压蒸馏单元合称为常减压装置。减压装置出来的减压柴油（或者叫减压瓦斯油VGO）作为FCC装置的进料。一方面可以提供石脑油，作为汽油调和原料，另一方面可以增产柴油。具体来说，到底是更偏向增产汽油还是更偏向柴油要看国庆，美国是偏向增产汽油，中国是偏向增产柴油。

这里还有必要说说地炼，中国的很多地炼都是加工劣质原油甚至燃料油的，它们经常都要配备减黏裂化装置，首先对于很重的燃料油进行处理，将其加工成可以处理的原料。两桶油经常说地炼品质不行，其实从工艺上来说是有道理的，当然地炼会反驳说两桶油垄断原油进口权，云云。不管怎么说，从工艺上来说，地炼的确是不如两桶油的，能和两桶油相比的也只有中海油这种，毕竟人家有自己的千万吨级主力炼厂，还有自己的油源。

保障了量还有有质。在这方面需要增加很多设备，重整装置对于芳烃工业是非常重要的，但光靠重整也不行，一个重要的原因是它以重石脑油为原料，虽然可以动用FCC装置生产的VGO，但适合重整装置进料的原料仍然有限。一个比较好的思路就是拿碳链更短的分子转化成更长的分子，或者支链更多的分子（因为支链多能增加辛烷值），这样就出现了异构化和烷基化工艺。在实践中，由于四乙基铅毒性带来的环境和健康问题越来越严重，所以开始转用其他提辛烷值的代用品，其中之一就是甲基叔丁基醚（MTBE）。

MTBE也是从炼油工业中获得原料，然后通过石化工艺合称。现在一般是用甲醇和富含烯烃的混合C4反应，由于这一合成反应的选择性很强，基本上只和异辛烯反应，剩余的抽余液中可以获得很多正丁烯，正好拿来做烷基化原料。从80年代开始，为了解决合成橡胶原料的不足，还出现了所谓醚后C4的综合利用，对正丁烯氧化脱氢，然后生产丁二烯，再聚合成合成橡胶。不过，这一技术大规模推广还是这几年的事情。



在主要的二次加工工艺中，我们已经讨论了重整、裂化、加氢，还有一项没有谈，这就是焦化（Coking）。国内主力炼厂基本上都是FCC和焦化共同构成二次加工的主力，而焦化中用得最多的是延迟焦化，并且以增产柴油为主要目的。延迟焦化只是焦化装置中的一种，应用得最多而已，还有加氢焦化、缓和焦化等许多其他类型。焦化装置主要以减压蒸馏装置的减压渣油（VRES）为原料，属于劣质原料加工的一条主要线路。作为热加工工艺在反应过程中既有断链，又有缩合。近年来，美国在炼厂改造中增加了许多焦化装置，这其实是为了加工加拿大重质原油。在后面我还会讨论，加拿大油砂油的处理工艺。