崔德春，徐慶虎，熊 亮，于廣欣

（中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京100028）

1 加拿大油砂瀝青資源

加拿大的油砂作為一種非常規(guī)的能源，被認(rèn)為是常規(guī)原油和未來的替代能源之間的一個非常重要的紐帶和橋梁。加拿大油砂資源極為豐富，主要分布在阿薩巴斯卡、冷湖和匹斯河3個區(qū)域，總資源量約4 000億t，其中約240億t分布在埋深75 m以內(nèi)，可以采用礦采方式開發(fā)；其余的3 760億t埋深較深，需要采用SAGD和蒸汽吞吐等就地開發(fā)的方式。隨著技術(shù)突破，油砂瀝青產(chǎn)能得到了有效釋放。據(jù)加拿大能源研究院CERI研究，在2019—2039年預(yù)測期內(nèi)，平均年資本支出165億美元，中間方案預(yù)測2020年產(chǎn)量為320萬桶/d，2030年產(chǎn)量將達(dá)到400萬桶/d，到2039年達(dá)到470萬桶/d的峰值，如圖1所示。

圖1 加拿大油砂行業(yè)總體產(chǎn)量預(yù)測［1-2］Fig.1 Total production forecasts for the Canadian oil sands industry［1-2］

2 油砂瀝青性質(zhì)與組成

典型油砂瀝青的性質(zhì)與組成見表1。20℃密度達(dá)到了1.010 5 g/cm3，殘?zhí)恐颠_(dá)到了14.50%，H與C質(zhì)量比較低；原油中S質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了5.07%，加工過程中應(yīng)考慮硫的回收和防腐問題；原油中飽和烴含量偏少，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量較高，金屬含量相應(yīng)較高，會對二次加工過程中的催化劑帶來較大的影響?？傊驮u價結(jié)果表明油砂瀝青屬于低凝、高硫、高酸、高殘?zhí)?、高黏度、高鎳和釩金屬含量的環(huán)烷基重質(zhì)原油。

表1 油砂瀝青物性與組成數(shù)據(jù)Table 1 Composition and properties of bitumen

3 外輸能力及要求

3.1 原油管輸能力

加拿大油砂瀝青生產(chǎn)的稀釋原油主要市場是美國中西部地區(qū)，占加拿大所有出口原油的近70%，主要的輸送目的地是美國墨西哥灣沿岸（USGC）的諸多煉油廠。近年來，墨西哥和委內(nèi)瑞拉的原油出口一直在下降，這為加拿大重質(zhì)原油提供了一定的機(jī)會，以擴(kuò)大其在美國海灣的市場份額，加拿大出口2018年較2017年增加了30%，相當(dāng)于每天近50萬桶。

加拿大油砂瀝青產(chǎn)業(yè)長期以來定位于資源提供國［3］，高度依賴美國市場，且主要依靠單一的管道運(yùn)輸方式，造成運(yùn)輸瓶頸。近年來，油砂瀝青產(chǎn)量逐步升高，接近加拿大外輸管道容量極值（圖2），這加大了WTI（西德克薩斯中質(zhì)原油）和WCS（西加拿大重質(zhì)原油）之間的價差，嚴(yán)重影響了加拿大生產(chǎn)商的凈利潤。

圖2 加拿大原油外輸管線能力和歷史產(chǎn)量曲線圖［1-2］Fig.2 Pipeline capacity and historical production curves for Canadian crude oil［1-2］

3.2 管輸原油的要求

根據(jù)表1的原料性質(zhì)數(shù)據(jù)可知，原始瀝青的高黏度和寒冷的天氣限制了油砂瀝青的管道輸送能力。加拿大油砂瀝青的API重度在6~13。而管道運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)要求API重度大于19，8℃運(yùn)動黏度小于350 mm2/s（見表2）。

表2 典型的阿爾伯塔瀝青產(chǎn)品性質(zhì)及管道運(yùn)輸?shù)囊?guī)定［4］Table 2 Pipeline specifications and representative Alberta bitumen products［4］

為了降低黏度并提高API重度以滿足管道標(biāo)準(zhǔn)，通常采用摻入稀釋劑的方式，生產(chǎn)滿足WCS標(biāo)準(zhǔn)的重質(zhì)原油；近年來，各油砂生產(chǎn)企業(yè)已普遍采用密度小的凝析油作為稀釋劑，可以顯著降低稀釋劑的添加量，平均稀釋比例為30%。

3.3 稀釋劑的運(yùn)輸費(fèi)用

由于當(dāng)?shù)貨]有可供使用的稀釋劑產(chǎn)品，稀釋后的油砂瀝青被運(yùn)往改質(zhì)廠或煉油廠后，需要將分離出的稀釋劑返回油砂瀝青生產(chǎn)現(xiàn)場，這不僅增加了建造和運(yùn)營管道的成本，而且也限制了原油管道的容量。從美國高價進(jìn)口稀釋劑，將添加稀釋劑的油砂瀝青賣給美國，稀釋劑運(yùn)輸費(fèi)用最高達(dá)到14美元/桶，詳見圖3。

圖3 油砂瀝青運(yùn)輸中稀釋劑的費(fèi)用［1-2］Fig.3 Cost of diluent in transporting bitumen［1-2］

4 油砂瀝青的改質(zhì)技術(shù)

4.1 改質(zhì)技術(shù)的工藝目標(biāo)

為解決油砂瀝青價值低和大量添加稀釋劑的問題，改質(zhì)技術(shù)得到一定的發(fā)展。改質(zhì)過程是使用物理分離和/或化學(xué)處理將瀝青轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)產(chǎn)品的過程，通過改質(zhì)，分離出重質(zhì)餾分，降低了油砂瀝青黏度和密度使其滿足管道輸送要求，降低酸值以減少管道和下游設(shè)備的腐蝕，去除硫、氮和金屬（鎳和釩）以增加產(chǎn)品價值并保護(hù)下游煉油廠催化劑。

4.2 部分改質(zhì)技術(shù)現(xiàn)狀

油砂瀝青改質(zhì)技術(shù)可以分為部分改質(zhì)技術(shù)或完全改質(zhì)技術(shù)，其中完全改質(zhì)技術(shù)成熟，類似精簡版的煉油廠，流程相對較長，投資巨大。

為了降低投資和加工成本，近些年有很多公司和研究機(jī)構(gòu)等都開展了部分改質(zhì)工藝技術(shù)的研究。部分改質(zhì)的目的是僅對油砂進(jìn)行部分加工，去除污染物和瀝青質(zhì)，以生產(chǎn)出滿足表2中管道的密度、黏度和烯烴含量要求的可運(yùn)輸合成油。與完全改質(zhì)工藝技術(shù)相比，部分改質(zhì)所需的投資和操作費(fèi)用相對較低，生產(chǎn)的合成油不需要或添加很少量的稀釋劑即可滿足管道運(yùn)輸要求，但是產(chǎn)品價格相對較低。

分析圖3可知，以降低稀釋劑添加比例為核心目標(biāo)的部分改質(zhì)技術(shù)的研發(fā)，對提升油砂瀝青的價值具有重要意義，但是到目前為止，還沒有部分改質(zhì)技術(shù)和采用部分改質(zhì)技術(shù)的商業(yè)化工廠投入運(yùn)營，部分改質(zhì)技術(shù)研發(fā)和工業(yè)化應(yīng)用成為加拿大油砂瀝青改質(zhì)和加工行業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)。

5 油砂瀝青部分改質(zhì)技術(shù)簡介

在加拿大，雖然油砂瀝青部分改質(zhì)技術(shù)種類繁多，但是其發(fā)展和商業(yè)化的機(jī)遇和挑戰(zhàn)主要受市場、政策、技術(shù)本身和加工過程的溫室氣體排放量等技術(shù)成熟度的評估因素的影響；下文將簡單介紹具有工業(yè)化潛力和有技術(shù)創(chuàng)新的部分改質(zhì)技術(shù)。

5.1 Ivanhoe公司開發(fā)的Fluid oil HTL（Heavy-to-Light）和VHTL工藝

Ivanhoe公司開發(fā)的基于重質(zhì)油轉(zhuǎn)化為輕質(zhì)油的工藝。過程采用類似的催化裂化工藝技術(shù)和原則流程，反應(yīng)技術(shù)的核心原理是短停留時間的非催化的高溫?zé)崃呀夂徒够に?，產(chǎn)品含有大量的烯烴，需要進(jìn)行后處理以消除烯烴。與傳統(tǒng)催化裂化工藝不同的是VHTL使用的是FCC過程循環(huán)砂作為加熱介質(zhì)代替催化裂化催化劑，產(chǎn)品直接滿足管道密度和黏度規(guī)格，流程如圖4所示。該技術(shù)目前完成了中試試驗(yàn)，計(jì)劃在加利福尼亞州的貝克斯菲爾德的1 000桶/d的商業(yè)示范設(shè)施上進(jìn)行操作驗(yàn)證。最大缺點(diǎn)是溫室氣體排放量非常高。

圖4 HTL工藝原則流程圖［5］Fig.4 Process flow schematic of HTL［5］

5.2 ETX System IYQ Technology

ETX公司開發(fā)了一種采用交叉流的IYQ短停留時間流化床的焦化工藝，其原則流程圖如圖5所示。IYQ過程的原理是固體和氣體的交叉流動，保證了物料在一定溫度下的短停留時間進(jìn)行反應(yīng)，目標(biāo)是減少分子過度裂化反應(yīng)和產(chǎn)率損失。過程使用固體載體床為反應(yīng)提供熱量，該床層在水平運(yùn)輸?shù)耐瑫r，流化接觸垂直方向流動的氣體，液體進(jìn)料噴灑在熱固體顆粒上，油中的揮發(fā)性成分是由于與熱固體接觸而蒸發(fā)的；剩下液體在熱固體介質(zhì)中發(fā)生了焦化反應(yīng)。這種技術(shù)是一種能提供更高液體產(chǎn)品的產(chǎn)量和收率的流體焦化技術(shù)，該工藝的產(chǎn)品可能僅需要少量稀釋劑，就可以達(dá)到管道規(guī)格，溫室氣體排放量處于中等水平。

圖5 ETX System IYQ工藝技術(shù)的原則流程圖［6］Fig.5 Process flow schematic of ETX IYQ cross flow coking［6］

5.3 Husky Diluent Reduction（HDRTM）Technology

Husky公司開發(fā)的HDRTM的技術(shù)可以將稀釋劑添加量降低50%或更多，工藝原理類似于傳統(tǒng)的減黏工藝，Husky Diluent Reduction（HDRTM）技術(shù)的原則流程圖見圖6（資料來源于Husky Private Communication 2017）。由于在熱裂解過程中氫氣的存在，可以實(shí)現(xiàn)比典型的熱裂解更深的轉(zhuǎn)化。HDRTM技術(shù)在CANMET 0.5桶/d的中試裝置中進(jìn)行了評估和測試，開發(fā)的重點(diǎn)是確定最佳的操作范圍條件。HDRTM工藝不會產(chǎn)生焦炭，產(chǎn)品必須經(jīng)過加氫處理后才可以滿足管道運(yùn)輸規(guī)格要求，溫室氣體排放也低于當(dāng)前的基準(zhǔn)線。

圖6 Husky Diluent Reduction（HDRTM）技術(shù)的原則流程圖Fig.6 Process flow schematic of Husky Diluent Reduction（HDRTM）technology

5.4 Well Resources SELEX-Asp工藝

SELEX-Asp是由Well Resources開發(fā)的一種溶劑萃取技術(shù)，采用鏈烷烴類的溶劑用于分離瀝青質(zhì)或原油中類似樹脂結(jié)構(gòu)的重組分。

如果采用傳統(tǒng)的溶劑脫瀝青工藝分離C5不溶性的瀝青質(zhì)，會有約20%的瀝青質(zhì)難以回收，采用SELEX-Asp工藝，收率損失相對比較少。SELEXAsp工藝可以將API重度為7.8的油砂瀝青，通過剔除16%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的瀝青質(zhì)后將API重度提高到13，需要凝析油的稀釋比例從30%（體積分?jǐn)?shù)）下降到18%。如果需要進(jìn)一步減少稀釋劑的使用，SELEX-Asp工藝必須結(jié)合傳統(tǒng)的熱裂解、焦化或渣油加氫裂解等過程。用SELEX-Asp處理瀝青的示意圖見圖7。不同于其他商業(yè)化溶劑萃取工藝（如KBR Rose工藝和UOP-Foster Wheeler SDA工藝），SELEX-Asp工藝可以生產(chǎn)固體顆粒的瀝青質(zhì)，提高了脫油瀝青的使用范圍和價值。

圖7 Well Resources SELEX-Asp工藝技術(shù)的原則流程圖［7］Fig.7 Process flow schematic of Well Resources SELEX-Asp［7］

5.5 MEG HI-Q?部分改質(zhì)技術(shù)

MEG Energy公司開發(fā)了一種低強(qiáng)度、低復(fù)雜度的改質(zhì)工藝，它結(jié)合了緩和的熱裂解和溶劑脫瀝青等技術(shù)的HI-Q瀝青部分改質(zhì)工藝，生產(chǎn)的產(chǎn)品無需添加稀釋劑即可滿足管道運(yùn)輸規(guī)范要求。

在HI-Q過程中，Dilbit（稀釋原油）經(jīng)DRU分離出減壓渣油被送入緩和的熱裂解反應(yīng)器。熱裂化的輕組分需要進(jìn)行烯烴飽和處理，以滿足管道規(guī)范。熱裂解的重質(zhì)組分直接進(jìn)行溶劑脫瀝青，分離出瀝青質(zhì)，再采用雙螺桿擠壓技術(shù)生產(chǎn)固體瀝青，流程圖如圖8所示（資料來源于MEG-1 Private Communication 2017）。

圖8 MEG HI-Q?部分改質(zhì)技術(shù)原則流程圖Fig.8 Process flow schematic of MEG HI-Q?bitumen partial upgrading

脫瀝青油（DAO）與熱裂化過程中產(chǎn)生的輕質(zhì)烴類混合，生產(chǎn)出一種符合運(yùn)輸規(guī)范的高酸性合成原油，與稀釋的原油相比，具有更高的市場價值，主要因?yàn)樯捎椭休^低的殘?zhí)贾怠⑺嶂岛徒饘俸?，同時溫室氣體排放也將低于基準(zhǔn)線。

5.6 Nexen BituMaxTM部分改質(zhì)技術(shù)

BituMax工藝通過對油砂瀝青SAGD產(chǎn)出瀝青乳化液依次進(jìn)行溶劑脫瀝青質(zhì)、熱裂化、烯烴處理的組合工藝，產(chǎn)出物為部分改質(zhì)油（BMX）及瀝青質(zhì)，流程圖如圖9所示（資料來源于Nexen Public Statements and Private Communication 2017）。

圖9 Nexen BituMaxTM部分改質(zhì)技術(shù)原則流程圖Fig.9 Process flow schematic of Nexen BituMaxTM

與其他的部分改質(zhì)工藝不同，此工藝首先通過SDA除去了瀝青質(zhì)，然后對脫瀝青質(zhì)油進(jìn)行熱裂化、常壓分餾及后續(xù)的烯烴處理（烷基化），混合油不需要添加稀釋劑就可以滿足WCS標(biāo)準(zhǔn)。

BituMax部分改質(zhì)技術(shù)可以利用現(xiàn)有SAGD油-水處理設(shè)施。因此，裝置投資低并減少了溫室氣體排放，排放強(qiáng)度要低于基準(zhǔn)線。有效利用進(jìn)料（SAGD產(chǎn)出瀝青乳化液）溫度和能量來進(jìn)行溶劑脫瀝青，工藝過程提高了整體熱量效率。工藝過程合并了水分離和溶劑脫瀝青質(zhì)的步驟，從而減少裝置數(shù)量、降低操作費(fèi)用。溶劑脫瀝青SDA工藝過程中，凝析油將被用作溶劑，比常規(guī)的純鏈烷溶劑廉價。分離出品質(zhì)最差的瀝青質(zhì)，油品質(zhì)量得到提升，熱裂化的苛刻度也相對降低了，降低能耗。

BituMax部分改質(zhì)技術(shù)的核心問題是“水-溶劑和瀝青質(zhì)”體系中瀝青質(zhì)的精準(zhǔn)溶解和分離，目前已經(jīng)完成實(shí)驗(yàn)室研究。還需要進(jìn)一步開展系統(tǒng)性、更大規(guī)模的中試試驗(yàn)。

5.7 Water-Based Supercritical Solvent Extraction（JGC）

JGC公司在超臨界條件下，即壓力為22~25 MPa和溫度為395~430℃，油砂瀝青在反應(yīng)器中以大約1∶1的質(zhì)量比與超臨界水接觸，進(jìn)行水裂解過程，對SAGD工藝的未稀釋的油砂瀝青進(jìn)行加熱以改善流動性。

超臨界水作為一種部分可混溶的溶劑，在反應(yīng)器中形成兩個液相。含有較輕的烴類化合物的富水相在反應(yīng)器頂部冷卻，水和烴類化合物相在兩級高壓/低壓分離系統(tǒng)中分離，流程圖如圖10所示。較重的富含渣油相留在反應(yīng)器底部，經(jīng)冷卻和閃蒸回收較輕的餾分。這一工藝過程已經(jīng)在0.15桶/d和5桶/d的中試示范工廠中得到了驗(yàn)證。

圖10 JGC水基超臨界溶劑抽提技術(shù)原則流程圖［8］Fig.10 Process flow schematic of JGC supercritical water cracking technology［8］

5.8 Superior Upgrading Tech./Hammer Technology

Hammer Technology采用流體錘擊效應(yīng)和流體動力學(xué)空穴作用原理結(jié)合，基于極端剪切作用可創(chuàng)造足夠的高速流體動能，在接近環(huán)境溫度和壓力下，利用冷裂作用打破瀝青的分子烴鍵，并滿足管道規(guī)格，改質(zhì)后的原油只需很少添加或不加稀釋劑。由于此技術(shù)不剔除瀝青質(zhì)等污染物，改質(zhì)工藝的產(chǎn)品收率較高，見圖11，該技術(shù)還處在基礎(chǔ)理論和概念研究過程中。

圖11 Superior Technology Hammer Technology原則流程圖［9］Fig.11 Process flow schematic of Superior Technology Hammer Technology［9］

5.9 Fractal Systems Jet ShearTM/Enhanced Jet ShearTM（噴射流剪切瀝青技術(shù)）

與5.8節(jié)介紹技術(shù)原理類似，Jet ShearTM技術(shù)是利用低強(qiáng)度、流體動力學(xué)的空穴作用和緩和熱分解附在瀝青質(zhì)核上的樹脂基，從而破壞瀝青分子結(jié)構(gòu)。Fractal Systems研究認(rèn)為，在低于初始裂化溫度的條件下，噴射流剪切作用會引起壓力的快速變化，從而使微氣泡在成核位置周圍形成；空穴產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，改變了重油的微觀結(jié)構(gòu)和瀝青質(zhì)的聚集狀態(tài)；瀝青質(zhì)結(jié)構(gòu)的破碎降低了黏度和密度，而化學(xué)成分和體積收率基本沒有變化。將瀝青質(zhì)進(jìn)料的流體力學(xué)破碎作用與熱裂解反應(yīng)結(jié)合在一起，強(qiáng)化了改質(zhì)作用和效果。

圖12顯示了增強(qiáng)型的Jet ShearTM的流程設(shè)計(jì)，由于改質(zhì)產(chǎn)品的穩(wěn)定性的問題需要配置一套加氫處理工藝單元到Jet ShearTM流程，以滿足管道烯烴規(guī)范要求。使用Jet ShearTM技術(shù)時，稀釋劑的用量從最初的32%（體積分?jǐn)?shù)）減少到20%，而使用Enhanced Jet ShearTM技術(shù)時，則可以進(jìn)一步減少到18%；溫室氣體排放強(qiáng)度也低于加拿大的基準(zhǔn)指標(biāo)。

圖12 Fractal Systems Enhanced Jet ShearTM的原則流程圖［10］Fig.12 Process flow schematic of Fractal Enhanced Jet ShearTM［10］

2014年4月，在位于艾伯塔省Provost附近的1 000桶/d的示范裝置上進(jìn)行了測試試驗(yàn)，運(yùn)行了大約1 a。在成功驗(yàn)證試驗(yàn)和現(xiàn)有噴射剪切技術(shù)平臺的支持下，F(xiàn)ractal公司開始對現(xiàn)有設(shè)施進(jìn)行改造和擴(kuò)建，以驗(yàn)證增強(qiáng)型的噴射剪切和酸還原工藝（ARP）平臺。改造工程于2016年第一季度開始施工，并于2016年8月下旬至2017年8月投入使用［11］。

6 部分改質(zhì)技術(shù)對比

6.1 部分改質(zhì)工藝比選原則

上述介紹和討論的部分改質(zhì)技術(shù)處于不同的開發(fā)階段，從應(yīng)用的層面上講，部分改質(zhì)技術(shù)選擇時應(yīng)考慮以下幾個方面因素：1）部分改質(zhì)產(chǎn)品必須滿足管道輸送的規(guī)格；2）不能存在超過部分改質(zhì)產(chǎn)品規(guī)格的過度轉(zhuǎn)換工藝；3）改質(zhì)工藝的溫室氣體排放強(qiáng)度低；4）是否生產(chǎn)大量低價值或不需要的副產(chǎn)品；5）是否符合當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展水平，或超出現(xiàn)有技術(shù)的范圍。

6.2 部分改質(zhì)技術(shù)可行的工藝路線

依據(jù)上述比選原則，在滿足合成原油的管道規(guī)格的基礎(chǔ)上，為了降低稀釋劑添加比例或不使用稀釋劑，潛在的部分改質(zhì)工藝路線主要有兩個：

1）對瀝青進(jìn)行緩和的熱裂解以分解一些大分子，無論是否添加諸如流體力學(xué)處理工藝或添加其他原油餾分的強(qiáng)化技術(shù)，這種方法都保持了原油產(chǎn)量。然而，無論如何仍需要稀釋劑的加入，所以，熱裂解瀝青質(zhì)的穩(wěn)定性是一個需要解決的問題。

2）緩和的熱裂解工藝結(jié)合部分瀝青質(zhì)的脫出技術(shù)可以生產(chǎn)性質(zhì)穩(wěn)定的原油，并消除或減少添加稀釋劑的需要。然而，低價值的瀝青質(zhì)等副產(chǎn)物在一定程度上降低了油砂瀝青的整體價值。

這兩種工藝路線都采用溫和的熱裂解法，是基于低成本和降低瀝青黏度的有效性。新的部分改質(zhì)技術(shù)還必須考慮瀝青自身性質(zhì)特點(diǎn)和瀝青運(yùn)輸問題，由于在艾伯塔省開發(fā)新技術(shù)成本高昂，低技術(shù)成本和高產(chǎn)量是部分改質(zhì)技術(shù)成功的關(guān)鍵特征。

7 結(jié)論

1）在長期定位為原油資源輸出國的加拿大，針對油砂瀝青這類特殊的高硫、高酸值的超重原油資源，在充分考慮阿爾伯特的原油加工能力和目標(biāo)市場、石化產(chǎn)品市場構(gòu)成和容量、管道和鐵路運(yùn)輸能力及規(guī)范條件、儲運(yùn)設(shè)施等條件下，部分改質(zhì)技術(shù)從減少或不添加稀釋劑的思路出發(fā)，在當(dāng)前和未來都具有現(xiàn)實(shí)意義。2）結(jié)合加拿大阿爾伯特創(chuàng)新中心的技術(shù)成熟度評估指標(biāo)，梳理了有工業(yè)應(yīng)用潛力的部分改質(zhì)技術(shù)。通過現(xiàn)有的技術(shù)資料調(diào)研和比選，對油砂瀝青進(jìn)行緩和的熱裂解降黏和脫出瀝青質(zhì)是部分改質(zhì)工藝兩個核心。3）在技術(shù)成熟度評估的基礎(chǔ)上，油砂瀝青部分改質(zhì)技術(shù)的研發(fā)還需要考慮改質(zhì)產(chǎn)品的管道規(guī)范的要求、副產(chǎn)品的市場化和價值提升、工藝路線的溫室氣體排放強(qiáng)度和減排措施等因素，較低的技術(shù)成本和較高產(chǎn)品收率是部分改質(zhì)技術(shù)成功的關(guān)鍵。