王基銘院士：石油里蘊(yùn)含的寶藏
發(fā)布日期：2021-01-15 瀏覽量：1195次王基銘，煉油、石油化工及工程管理專家，中國工程院院士。曾任中國石油化工總公司副總經(jīng)理、中國石油化工集團(tuán)公司副總經(jīng)理、中國石化股份公司副董事長、總裁等職，現(xiàn)任中國石油化工集團(tuán)公司科技委資深委員、中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)名譽(yù)會(huì)長等職。他在中國石油石化行業(yè)擁有40多年管理工作的豐富經(jīng)驗(yàn)，在長期的石化工程建設(shè)實(shí)踐中，提出了適合中國煉油化工工程建設(shè)的管理理念和方法以及管理模式，不斷推進(jìn)工藝技術(shù)和設(shè)備的國產(chǎn)化，率先將具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成套技術(shù)應(yīng)用到世界級(jí)石油化工工程。
王基銘院士：石油里蘊(yùn)含的寶藏
【摘要】
在關(guān)于國家工業(yè)實(shí)力的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，石油產(chǎn)量往往是必不可少的一項(xiàng)。自從被引入現(xiàn)代工業(yè)以來，石油結(jié)束了煤炭的獨(dú)霸地位，成為工業(yè)社會(huì)不可或缺的“血液”。通過分餾石油，人類得到了多種燃料和制造工業(yè)品的原料。但隨著時(shí)間的流逝，越來越多的油田在走向枯竭，這與燃燒交通油料帶來的污染一道，成為現(xiàn)代社會(huì)必須正視的危機(jī)。
石油產(chǎn)品，不僅僅是燃料
我們經(jīng)常會(huì)在各種新聞媒體上看到關(guān)于石油的消息：關(guān)于石油的進(jìn)出口協(xié)議、國際油價(jià)的漲跌、油井和油輪事故、為爭奪石油資源發(fā)動(dòng)的戰(zhàn)爭……可以說，關(guān)于石油開采、運(yùn)輸、保管和煉制的種種事項(xiàng)，牽動(dòng)著世界各地?cái)?shù)以億計(jì)的人們的心，因?yàn)槭褪枪I(yè)社會(huì)不可或缺的“血液”。
石油是以碳?xì)浠餅橹饕煞值囊簯B(tài)礦物，或者說，是一種流動(dòng)或者半流動(dòng)狀態(tài)的、可燃燒的、粘稠的液體物質(zhì)。它在地下幾千米的深處，經(jīng)歷了數(shù)百萬年甚至幾億年的演化方才形成。從地下開采出來的石油，在沒有經(jīng)過分餾和煉制之前，統(tǒng)稱為原油。石油中的化學(xué)元素主要有碳、氫、氧、硫、氮，其中碳和氫占了95%～99%，剩下的氧、氮和其他的微量元素占1%～5%。原油的相對密度一般是在0.75～0.79之間，因此，它能漂浮在水面上。原油具有豐富多彩的顏色，一般是不同色調(diào)的褐色，但也可能呈現(xiàn)出墨綠色或者接近于透明無色。
石油是如何形成的?目前在學(xué)術(shù)界有3種不同的觀點(diǎn)。無機(jī)成因說認(rèn)為，石油是由宇宙天體或者地下的碳?xì)浠铮?jīng)過高溫高壓和復(fù)雜的化學(xué)作用，以無機(jī)的方式合成的;有機(jī)成因說則認(rèn)為，石油是由史前時(shí)代大量的死亡生物，與礦物質(zhì)一起隨著地殼的運(yùn)動(dòng)被埋入更深的地下，在一定的溫度、壓力條件下，由微生物的催化作用下轉(zhuǎn)化而成，并逐漸地被熔巖聚集成為油氣礦藏。第三種觀點(diǎn)是油氣成因的二元說，大體相當(dāng)于前面兩種學(xué)說的混合，認(rèn)為兩種成因都是可能的。
由于地殼運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性和各地區(qū)地質(zhì)條件的千差萬別，石油在世界上的分布是極不均勻的。2016年，全世界已經(jīng)探明的石油儲(chǔ)量達(dá)到了2407.1億噸，主要分布在中東地區(qū)，占了48%;此后，中南美地區(qū)占了19%，北美地區(qū)占了13%，非洲地區(qū)占了8%，蘇聯(lián)各個(gè)加盟共和國境內(nèi)占了9%。2016年，中國石油的剩余儲(chǔ)量僅為25.36億噸，只占全球的1.1%，所以中國是一個(gè)貧油的國家。目前，中國的石油年產(chǎn)量在2億噸左右，占世界產(chǎn)量的5%。但中國每年的石油消費(fèi)量在6.5億～7億噸，對外依存度已經(jīng)達(dá)到67%左右，也就是一大半石油要從國外進(jìn)口。
盡管如此，中國仍然需要大量進(jìn)口石油，因?yàn)槭椭破芬呀?jīng)滲透到了國計(jì)民生的很多個(gè)方面。我們最熟悉的石油制品是基于石油的各種燃料，它們是現(xiàn)代工業(yè)社會(huì)主要的動(dòng)力來源。按照適用的范圍，這些燃料又可以大致分為以下5種：車用汽油、航空汽油等汽油，飛機(jī)使用的航空煤油，通常是船和大貨車使用的柴油，居民家庭使用的液化石油氣，以及鍋爐使用的低品質(zhì)燃料油。
除了這些被燒掉的石油制品，我們還可以從石油中提煉出潤滑劑、石蠟，以及其他一些化工原料和固體的產(chǎn)品。潤滑劑包括了潤滑油和潤滑脂，它們具有降低摩擦系數(shù)、減少磨損、傳遞動(dòng)力、阻尼減震等功能，所以世界上所有的機(jī)械設(shè)備都需要依靠潤滑脂和潤滑油。這一類石油制品，在現(xiàn)代的工業(yè)中間有著不可替代的地位。石蠟主要用在化工領(lǐng)域，生產(chǎn)蠟燭、蠟制品的玩具和化妝品。石油瀝青主要用作道路的鋪裝，以及房子的防水層。
石油也可以用來生產(chǎn)溶劑和石油化工的原料。以石油化工原料為源頭的石油化工工業(yè)，通過裂解得到一系列的中間體，以生產(chǎn)三大合成材料，也就是合成纖維、合成橡膠和塑料，以及合成樹脂、合成溶劑、涂料、農(nóng)藥、化肥、燃料、醫(yī)藥等一系列與國際民生密切相關(guān)的重要產(chǎn)品。很多化工新材料，都是通過石油化工得到的產(chǎn)品。在提取了所有這些產(chǎn)品之后，石油剩余的部分就是石油焦炭。它可以用作煉鋼、有色金屬冶煉的燃料，也可以制成石墨電極等工業(yè)產(chǎn)品。由此可見，人類的現(xiàn)代生活，就建立在石油之上。沒有石油，就沒有現(xiàn)代交通、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，也沒有現(xiàn)代材料、醫(yī)藥、電子工業(yè)和其他很多高新技術(shù)。
如果世界上沒有石油產(chǎn)品，我們不僅無法驅(qū)動(dòng)大部分現(xiàn)代交通工具，也無法修建現(xiàn)代化的瀝青公路，而且生活的方方面面也都會(huì)因此受到影響。這是因?yàn)?，假如沒有了石油，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)需要的化肥和設(shè)施農(nóng)業(yè)(塑料大棚)需要的塑料薄膜、塑料滴灌管路將無法再生產(chǎn)。化學(xué)纖維的消失，會(huì)讓相當(dāng)一部分現(xiàn)代化的衣料與人類告別。而現(xiàn)代家庭中的裝修材料，比如涂料、墻板、PVC管路等，也都需要石油方能生產(chǎn)。可以說，衣食住行這些人類基本的需要，都離不開石油;而我們無法接受一個(gè)已經(jīng)被石油改變的世界回到原樣。
石油深度加工，二次開采寶藏
從地下開采出來的天然的原油，經(jīng)過煉制加工成各種不同的石油產(chǎn)品的工藝過程，叫做石油煉制。石油煉制的第一道工序，是原油的蒸餾。原油經(jīng)過預(yù)處理，脫鹽脫水之后，進(jìn)入到常壓的蒸餾裝置。原油被加熱，利用各個(gè)餾分沸點(diǎn)不同的特點(diǎn)，把沸點(diǎn)不同的餾分分離出來，得到汽油、煤油、柴油、蠟油、渣油等餾分。通過蒸餾分離出來的餾分還不是最終的產(chǎn)品，這些餾分再進(jìn)入到下游裝置，進(jìn)行深加工，經(jīng)過調(diào)和達(dá)到一定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，才能流通到市場上成為合格的石油產(chǎn)品。
經(jīng)過粗加工得到各種不同的餾分的油之后，我們需要對這些半成品進(jìn)行再次加工。在煉油廠里，深加工的裝置主要有催化重整、催化裂化、加氫裂化、加氫精制、渣油加氫、延遲焦化等。這些工序不僅可以改善成品的品質(zhì)，其中一部分還可以喚醒“沉睡的資源”，提高石油的利用率。
催化重整的目的，是增加汽油的辛烷值。粗加工得到的汽油餾分，標(biāo)號(hào)或者說辛烷值(抗爆性能)是很低的，達(dá)不到質(zhì)量要求，必須通過催化重整，使得汽油分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，以提高辛烷值，并且得到苯和二甲苯這些化工原料，以及廉價(jià)的氫氣。一般來說，汽油的辛烷值越高，發(fā)動(dòng)機(jī)就能以更高的壓縮比來提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，所以，高級(jí)轎車和使用汽油的飛機(jī)，通常需要用辛烷值更高的油品，比如一般民用加油站里最昂貴的98號(hào)汽油。
催化裂化是在催化劑的作用下，將蠟油轉(zhuǎn)化成液化石油氣、汽油、柴油的過程。催化裂化裝置可以生產(chǎn)出比較高辛烷值的汽油，同時(shí) 又能制造液化石油氣和柴油這兩種重要的產(chǎn)品，因而是石油深加工裝置當(dāng)中很重要的裝置。
加氫裂化裝置是將蠟油、渣油的重質(zhì)油品，在高溫高壓和氫氣的條件下，采用合適的催化劑，轉(zhuǎn)化為汽油、煤油、柴油等輕質(zhì)油品的加工過程。近幾年里，為了適應(yīng)加工進(jìn)口的含硫原油，加氫裂化裝置得到了很大的發(fā)展。
原油中的硫、氮、氧元素，對我們來說并不是有益的元素，因此需要去除，完成這項(xiàng)任務(wù)的，是加氫精制工藝。它是指加入氫氣并且保持一定溫度、壓力的條件下，使油品中的硫、氧、氮等有害雜質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的硫化氫、水、氨而除去的做法。油品中的烯烴和二烯烴也在這個(gè)過程中達(dá)到飽和，使油品的質(zhì)量得到改善。一般來說，需要經(jīng)過加氫精制的油品主要有催化柴油、焦化汽油、焦化柴油，還有用含硫原油生產(chǎn)的汽油、煤油、柴油等。
渣油加氫裝置是將蒸餾以后，留在最底下、比較重的那部分渣油，通過加氫并且保持一定的溫度和壓力，生產(chǎn)出少量的石腦油和柴油。渣油加氫以后得到的尾油，又是很好的催化裂化的原料。
延遲焦化裝置是用來加工渣油的工藝，它可以通過深度的裂化反應(yīng)，把渣油的10%轉(zhuǎn)化為液化石油氣，60%轉(zhuǎn)化為汽油、柴油、蠟油這些餾分，而留下來30%左右就是焦炭了。
烷基化工藝是增加高辛烷組份的工藝生產(chǎn)裝置，它可以將催化裂化裝置生產(chǎn)出的異丁烷、丁烯作為原料，通過烷基化生產(chǎn)出烷基化油。這是一種辛烷值很高、抗爆性能很好，而且硫含量又極低的液體，是清潔汽油優(yōu)質(zhì)的調(diào)和組份，可以用來調(diào)制出辛烷值更高的汽油。
異構(gòu)化工藝也是生產(chǎn)高辛烷值組份的另外一種重要手段，它在一定的溫度壓力下，通過催化劑的作用，使汽油里烷烴的分子重新排列，以提升汽油的辛烷值。這樣異構(gòu)化的油一般是不含硫、不含芳烴、不含烯烴，辛烷值高，也是清潔汽油重要的組份。近年來，隨著國家對汽油質(zhì)量的要求不斷提高，汽油中硫、烯烴、芳烴含量的指標(biāo)日益嚴(yán)格，因此烷基化、異構(gòu)化的裝置發(fā)展得很快。
潤滑油的生產(chǎn)工藝，也是一個(gè)有趣的領(lǐng)域。根據(jù)采用原油的不同，潤滑油產(chǎn)品的要求區(qū)別比較大。人們可能用溶劑法、加氫法或者混合法生產(chǎn)潤滑油，溶劑法是用溶劑脫掉餾分里的蠟，再加上添加劑進(jìn)一步精制，得到潤滑油的基礎(chǔ)油，這是一個(gè)物理過程。加氫法則是基于化學(xué)的加工過程，通過加氫裂化，異構(gòu)化以后，再加氫精制得到潤滑油的基礎(chǔ)油。至于混合法，就是把兩個(gè)過程融合起來一起用，生產(chǎn)不同標(biāo)號(hào)的潤滑油的基礎(chǔ)油。
這些生產(chǎn)出來的油品仍然不能直接投向市場，還需要經(jīng)過調(diào)和的過程，也就是調(diào)和一定的組份，使油品的組成性質(zhì)能達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。如今，高度自動(dòng)化的煉油廠已經(jīng)能自動(dòng)進(jìn)行油品調(diào)和，人們將計(jì)算機(jī)與分析儀器連接起來，根據(jù)組份質(zhì)量指標(biāo)自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，控制調(diào)和組份的比例、數(shù)量，最終得到合格的油品。
煉油產(chǎn)業(yè)，中國名列前茅
雖然中國是一個(gè)貧油國家，但在石油煉油方面擁有很高的水平。從全球來看，世界已經(jīng)形成了亞太、北美、歐洲“三足鼎立”的煉油工業(yè)格局，而中國所在的亞太地區(qū)便是其中一極。
2016年，煉油能力排名前10位的國家，分別是美國、中國、俄羅斯、印度、日本、韓國、沙特、巴西、德國、加拿大。這10個(gè)國家的總產(chǎn)能是31億噸，占全世界的63.3%。而世界煉油能力排在前十名的公司，第一名是美國的?？松梨?，第二是中國的中石化，第三是荷蘭皇家殼牌，第四是中石油。其實(shí)，中石化的產(chǎn)能已經(jīng)超過了?？松梨?，這個(gè)排序是綜合下游產(chǎn)業(yè)的結(jié)果。
中國煉油能力達(dá)到世界第二位的背后，是中國煉油工業(yè)從新中國成立以來，從無到有，從小到大的奮進(jìn)征程。特別是在改革開放以后的30多年里，得到了迅猛的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)形成了完整的工業(yè)體系。中國用60多年的時(shí)間，趕上了發(fā)達(dá)國家煉油工業(yè)150多年發(fā)展的步伐。
中國煉油產(chǎn)業(yè)的布局日趨合理，基本形成了以東部為主，中西部為輔的梯次分布的格局，逐步形成了長江三角洲、珠三角、環(huán)渤海灣三個(gè)煉油化工企業(yè)的集群，產(chǎn)業(yè)的集中度和資源利用的效率都有了顯著的提高。這3個(gè)煉化企業(yè)集群的原油加工能力，已經(jīng)占到了全國的67%;全國25座千萬噸級(jí)煉油廠當(dāng)中，有17座分布在這3個(gè)集群里。一些大型現(xiàn)代化煉油廠的自動(dòng)化水平已經(jīng)很高，有的正在向智能化工廠邁進(jìn)，使煉油的效率進(jìn)一步提升。
另一方面，一些顛覆性的創(chuàng)新也正在醞釀之中，比如分子煉油即是其中之一。目前，石油工業(yè)是按照區(qū)分餾分沸點(diǎn)的方式來煉油的;但如果未來根據(jù)石油中不同成分的分子結(jié)構(gòu)來煉油，就有可能簡化現(xiàn)有的煉油工藝，根據(jù)分子不同的反應(yīng)，創(chuàng)造出新的分子，讓原油中的各種物質(zhì)都能得到利用。
我們可以肯定的是，資源緊缺的現(xiàn)狀和對石油產(chǎn)品的巨量需求，將會(huì)鞭策中國的煉油工業(yè)越來越強(qiáng)。來源：《知識(shí)就是力量》雜志社
