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渣油， 又稱為“桶底油”， 是石油中最難以利用的重質組分， 不但硫含量極高（2~4%以上）， 金屬含量更是高達200ppm以上（主要為鎳和釩）。
為了降低石油煉製過程的污染， 提高煉油利潤， 將渣油加氫轉化為汽柴油等經濟油品是最佳的生產路線。 中國經過數十年的研發， 終於突破國外技術壟斷， 開闢全新的技術路線， 利用專利技術反應器和催化劑實現了渣油自迴圈沸騰床加氫技術， 使低成本渣油清潔轉化成為了可能。
（一）石油被精煉後， 剩下的就是桶底油
目前世界能源的核心“硬通貨”仍然是石油資源， 佔據了世界能源消耗的33%以上。 根據BP公司（British Petroleum， 英國石油公司）在2017年報告中的分析資料， 目前世界探明石油儲量已連續多年上漲， 相比20年前增長了1.5倍之多（達到1.7×1012桶）， 徹底宣告了石油峰值理論的破產。
▲世界石油探明儲量逐年上升， 委內瑞拉更是快速佔據了世界石油儲量第一的位置
石油被稱為黑色黃金， 其價值不言而喻， 從中分離得到的各種組分的產品更是人類整個工業體系的核心。 從天然氣到汽柴油， 從汽車輪胎到LEGO玩具塑膠，
▲石油及其衍生製品
石油被開採出之後， 必須經過精煉才可以被利用， 以滿足不同用途的特殊要求。 通過沸程的差異可以將石油劃分為石腦油、汽柴油、航空煤油、重質蠟油和減壓渣油等組分；通過進一步的重整、加氫精製、催化裂化、加氫裂化、烷基化等單元裝置的處理，
▲煉油廠中的石油煉製關鍵裝置和對應產品
當所有輕組分都被榨幹後， 留下來的就是最難處理利用的“減壓渣油”， 又被稱為瀝青或“桶底油”。 渣油的性質極差， 不但碳含量高， 性質粘稠， 其中也富集了石油中90%以上的硫、氮、鎳、釩等元素， 可以說幾乎沒有利用價值。
▲渣油、瀝青的分子結構示意
▲瀝青滴落實驗，除了鋪路以外，以前的渣油似乎也只能來生產段子了
煉油廠中普遍採用焦化（Coker）對渣油進行處理，通過富集碳原子，讓渣油變成焦炭，同時將部分渣油轉化為輕質的汽柴油和液化石油氣，使又髒又稠的渣油得到了一定程度的利用。
然而，隨著環保問題的日益嚴峻，中國已經頒佈了最新的瀝青、石油焦、船用燃料油標準，其中嚴格限制了這幾種產品中的硫和金屬含量。焦化過程的原理決定了其生產過程不能脫除任何雜質，因而其生產的石油焦都是不滿足市場規範的，完全無法銷售。
在越來越嚴格的環保要求和油價劇烈波動的市場環境下，煉油廠面臨著兩難的境地，如果不處理渣油，那麼將減少一大塊的汽柴油產出；如果處理渣油，不但產出的瀝青、石油焦無法銷售，甚至都不能用於船用燃料油。沙特的煉油廠就出現過用大面積的廠區囤積無法銷售的高硫石油焦的情況，當沙塵暴襲來，焦炭粉末混著沙子飛向沙漠的場景實在是令人恐懼。
（二）桶底油又髒又稠，處理是個難題
對於油中的主要雜質元素，如硫、氮、金屬等，最有效的方法就是通過加氫反應使雜質與氫原子結合而被脫除。
加氫過程的核心在於利用氫氣的反應活性使有機物中的硫、氮等生成硫化氫、氨氣，輔以高溫下的大分子有機物熱裂化，使金屬等從有機物中析出，最後實現雜質的脫除。反應中同時存在著加氫裂化和熱裂化過程，因此部分重質渣油會轉化成輕質的石腦油、柴油等，在一定程度上提高產品價值。
▲渣油加氫的反應路線
加氫工藝需要在高溫高壓下進行（60~150大氣壓，200~450℃），對於汽柴油、航空煤油等油品，只要將催化劑堆積在反應器內，讓原料油與氫氣一同流過反應器並與催化劑接觸，就能實現加氫反應過程。這種催化劑堆積在反應器內不移動的形式，被稱為“固定床”反應器。
▲固定床加氫反應器，催化劑固定，而物料流過催化劑發生反應
可是這種簡潔的反應器形式，在渣油面前顯得脆弱無力。舉例來說，想要讓原料進入反應器，至少要保證原料的流動性。然而瀝青十分粘稠，如果進入到反應器內，很容易把催化劑的縫隙堵住，最終導致完全無法流動。那把溫度提高到200℃以上呢？這樣確實可以讓瀝青軟化，變為易流動的狀態，然而溫度提高會造成瀝青縮合，最終變為焦炭，仍然會把反應器堵住。
▲渣油
所以，固定床反應器想要應對渣油加氫工藝，要麼選擇加入蠟油、柴油稀釋，要麼頻繁停工更換催化劑，利潤非常低。當然，我們也可以準備多個反應器，隨時進行切換保證連續運轉，一個反應器堵塞了馬上換到另一個反應器。但是，這種方法工程限制較多，僅切換管路的切斷閥就需要耐住150大氣壓的壓力差和400℃的高溫，光這樣的一個閥門的價格就可以高達6000萬人民幣。
（三）沸騰床工藝讓桶底油變廢為寶
從上面的介紹中可以看出，催化劑固定不動是固定床反應器的癥結所在。機智的石油工程師想到讓催化劑動起來，也就是所謂的流化床反應器。
20世紀50年代開始，美國就研發了應用於渣油加氫過程的流化床反應器。由於加氫反應過程需要通入大量的氫氣，在反應器內形成大量氣泡，這個過程非常像燒開水的沸騰狀態，因此將這種反應器起名為沸騰床反應器。
經過多年發展和完善，目前渣油沸騰床加氫工藝形成了兩家寡頭壟斷的市場，分別為法國石油研究院Axens公司的H-Oil工藝和美國謝夫隆-魯姆斯國際合資的CLG公司的LC-Fining工藝。這兩家的工藝可謂同源同宗，幾乎沒有差異，都採用0.8~0.9mm的條形催化劑，通過迴圈泵抽出反應器內的液體並打回反應器內，實現內部流動的提速。
通過完全移動的催化劑，完美解決了處理重質渣油、瀝青過程中的各種限制，讓渣油轉化過程做到了高效、連續，即使在油價持續低迷的今天，也可保證渣油加氫處理過程獲得極高的利潤率。
▲國外沸騰床渣油加氫技術反應器原理
這項技術應用60餘年來，Axens公司和CLG公司已累計設計了38套沸騰床裝置，且裝置處理量越來越大，工藝越來越複雜，渣油轉化越來越深。最新在建的煉油廠中，H-Oil渣油加氫技術的處理量甚至達到了530萬噸/年，每年消耗催化劑將達到3000噸以上。
▲H-Oil工藝和LC-Fining工藝沸騰床反應器，除個別細節外，二者幾乎沒有差異
（四）國外長期壟斷工藝，一台設備要花2個億
如此完美的沸騰床技術也存在自身的阿喀琉斯之踵。
剛才提到過，高溫高壓極端工況下閥門的造價都已突破天際，而反應器中的迴圈泵也不是省油的燈。
這個迴圈泵不斷將400度高溫、150~180大氣壓的渣油和氫氣抽出並增壓返回，同時必須保證連續工作3年直到停工檢修，中間不能有故障，而且還要保證生產過程的平穩進行。
要實現這樣的性能，H-Oil和LC-Fining工藝中的迴圈泵滿身都是黑科技，據說可能用到了航太發動機材料技術。要知道，航空發動機每運行幾百小時後都要大修一次，而這台泵要保證全年8000小時全負荷運轉，連續工作3~4年以上，直到煉油廠檢修才能停工。
這樣的泵自然是價格不菲，一台的單價高達2億人民幣。
▲H-Oil工藝中的迴圈泵，簡單結構的背後是滿滿黑科技的材料技術，其應用場景和專利工藝技術緊密結合，小眾的應用市場使任何模仿技術或裝置都面臨巨大的研發成本壓力
此外，這個迴圈泵還需要搭配一整套控制手段，才能保持在各種氣液流速下，催化劑料面始終處於迴圈杯之下，既保證流化狀態、又不會帶出反應器。
迴圈泵的限制，加之國外技術的壟斷和專利設備的漫天要價，讓沸騰床渣油加氫工藝的成本居高不下。
（五）為了擺脫迴圈泵的困擾，中國從催化劑做文章
中國製造目前正處於發展的黃金時期，所有領域都爭當第一，在渣油加氫領域也不例外。
中國每年加工近6億噸石油，其中渣油含量達到了1.3~1.6億噸。以70~80%的轉化率計，這部分渣油至少能產出5000~8000萬噸輕油，頂得上3~4個2000萬噸大型煉油廠的年加工量！
既然是全新開發的技術，當然可以避免走許多的彎路。首當其衝的，就是如何去掉麻煩的迴圈泵。
從源頭分析可以發現，迴圈泵的存在必要性是維持催化劑流化。那麼如果讓催化劑變得易於流化，是否可以免去迴圈泵的困擾？
沿著這個思路，中國開發出新型的球形催化劑，並降低催化劑直徑，達到500μm，使催化劑的流化性能提高了4~8倍。通過優化催化劑生產過程，控制球形催化劑生產成本與條形相當，中國解決了催化劑對沸騰床反應器的限制。
▲中國沸騰床微球形催化劑
球形催化劑還有一個好處，就是易於離心分選。可以想見，排出的催化劑中肯定有部分仍然具有活性的催化劑，且密度與廢催化劑不同。中國的沸騰床技術球形催化劑正好有利於催化劑的分離，通過密度差進行分選，從而有效利用廢催化劑，進一步降低生產成本。
▲廢催化劑的分選與回收再利用，高活性催化劑可以返回反應器，廢催化劑可以進行金屬回收或材料回收
去除迴圈泵後，反應器內的液體速度不足以維持催化劑流化狀態。通過反應器內的結構設計，研究人員使反應器內流體形成內迴圈，利用渣油自身流動和氫氣氣泡浮力，帶動了反應器內部流體的迴圈，使反應器液體速度大幅提升，催化劑跟隨渣油一起迴圈，最終在無需外部動力加入的情況下使反應器自身達到完全流化的狀態。
▲STRONG沸騰床專利反應器，通過內部結構設計使無迴圈泵的反應器實現了催化劑完全流化
結合催化劑形貌設計和反應器結構設計，催化劑得以充分流化，使反應器堵塞問題迎刃而解；由於球形催化劑接觸更為充分，因而反應過程更為穩定可控，結焦風險也大幅降低。
然而，自由移動的微球催化劑也造成了催化劑夾帶的難題。如何保證催化劑不被帶出反應器是保證渣油加氫過程穩定工作的前提。通過設計特殊結構的三相分離器，中國科研人員將催化劑阻擋返回反應器，從而保證了反應過程正常進行。
▲中國沸騰床技術對油品的轉化（最右為原料渣油，左側為轉化的蠟油、柴油、石腦油等）
通過以上巧妙的設計，中國自主研發的沸騰床技術完全繞開了國外沸騰床技術必須使用迴圈泵的死穴，採用微球催化劑提升了催化劑流化性能，通過反應器結構改進促進了內部流體循環，設計三相分離器防止催化劑夾帶、拓寬操作域，用簡單、可靠的反應器實現了完全沸騰床渣油加氫過程。
▲“STRONG”沸騰床裝置
中國的這項技術取名為“STRONG”沸騰床，2016年，首套STRONG沸騰床示範裝置開工，至今已完成了2000千餘小時的連續運轉。
與國外同類技術對比，中國的沸騰床技術單線反應可以達到80%渣油轉化率；脫硫率、脫金屬率等關鍵指標可以達到95%以上，等同或略好於國外同類技術。
▲瀝青滴落實驗，除了鋪路以外，以前的渣油似乎也只能來生產段子了
煉油廠中普遍採用焦化（Coker）對渣油進行處理，通過富集碳原子，讓渣油變成焦炭，同時將部分渣油轉化為輕質的汽柴油和液化石油氣，使又髒又稠的渣油得到了一定程度的利用。
然而，隨著環保問題的日益嚴峻，中國已經頒佈了最新的瀝青、石油焦、船用燃料油標準，其中嚴格限制了這幾種產品中的硫和金屬含量。焦化過程的原理決定了其生產過程不能脫除任何雜質，因而其生產的石油焦都是不滿足市場規範的，完全無法銷售。
在越來越嚴格的環保要求和油價劇烈波動的市場環境下，煉油廠面臨著兩難的境地，如果不處理渣油，那麼將減少一大塊的汽柴油產出；如果處理渣油，不但產出的瀝青、石油焦無法銷售，甚至都不能用於船用燃料油。沙特的煉油廠就出現過用大面積的廠區囤積無法銷售的高硫石油焦的情況，當沙塵暴襲來，焦炭粉末混著沙子飛向沙漠的場景實在是令人恐懼。
（二）桶底油又髒又稠，處理是個難題
對於油中的主要雜質元素，如硫、氮、金屬等，最有效的方法就是通過加氫反應使雜質與氫原子結合而被脫除。
加氫過程的核心在於利用氫氣的反應活性使有機物中的硫、氮等生成硫化氫、氨氣，輔以高溫下的大分子有機物熱裂化，使金屬等從有機物中析出，最後實現雜質的脫除。反應中同時存在著加氫裂化和熱裂化過程，因此部分重質渣油會轉化成輕質的石腦油、柴油等，在一定程度上提高產品價值。
▲渣油加氫的反應路線
加氫工藝需要在高溫高壓下進行（60~150大氣壓，200~450℃），對於汽柴油、航空煤油等油品，只要將催化劑堆積在反應器內，讓原料油與氫氣一同流過反應器並與催化劑接觸，就能實現加氫反應過程。這種催化劑堆積在反應器內不移動的形式，被稱為“固定床”反應器。
▲固定床加氫反應器，催化劑固定，而物料流過催化劑發生反應
可是這種簡潔的反應器形式，在渣油面前顯得脆弱無力。舉例來說，想要讓原料進入反應器，至少要保證原料的流動性。然而瀝青十分粘稠，如果進入到反應器內，很容易把催化劑的縫隙堵住，最終導致完全無法流動。那把溫度提高到200℃以上呢？這樣確實可以讓瀝青軟化，變為易流動的狀態，然而溫度提高會造成瀝青縮合，最終變為焦炭，仍然會把反應器堵住。
▲渣油
所以，固定床反應器想要應對渣油加氫工藝，要麼選擇加入蠟油、柴油稀釋，要麼頻繁停工更換催化劑，利潤非常低。當然，我們也可以準備多個反應器，隨時進行切換保證連續運轉，一個反應器堵塞了馬上換到另一個反應器。但是，這種方法工程限制較多，僅切換管路的切斷閥就需要耐住150大氣壓的壓力差和400℃的高溫，光這樣的一個閥門的價格就可以高達6000萬人民幣。
（三）沸騰床工藝讓桶底油變廢為寶
從上面的介紹中可以看出，催化劑固定不動是固定床反應器的癥結所在。機智的石油工程師想到讓催化劑動起來，也就是所謂的流化床反應器。
20世紀50年代開始，美國就研發了應用於渣油加氫過程的流化床反應器。由於加氫反應過程需要通入大量的氫氣，在反應器內形成大量氣泡，這個過程非常像燒開水的沸騰狀態，因此將這種反應器起名為沸騰床反應器。
經過多年發展和完善，目前渣油沸騰床加氫工藝形成了兩家寡頭壟斷的市場，分別為法國石油研究院Axens公司的H-Oil工藝和美國謝夫隆-魯姆斯國際合資的CLG公司的LC-Fining工藝。這兩家的工藝可謂同源同宗，幾乎沒有差異，都採用0.8~0.9mm的條形催化劑，通過迴圈泵抽出反應器內的液體並打回反應器內，實現內部流動的提速。
通過完全移動的催化劑，完美解決了處理重質渣油、瀝青過程中的各種限制，讓渣油轉化過程做到了高效、連續，即使在油價持續低迷的今天，也可保證渣油加氫處理過程獲得極高的利潤率。
▲國外沸騰床渣油加氫技術反應器原理
這項技術應用60餘年來，Axens公司和CLG公司已累計設計了38套沸騰床裝置，且裝置處理量越來越大，工藝越來越複雜，渣油轉化越來越深。最新在建的煉油廠中，H-Oil渣油加氫技術的處理量甚至達到了530萬噸/年，每年消耗催化劑將達到3000噸以上。
▲H-Oil工藝和LC-Fining工藝沸騰床反應器，除個別細節外，二者幾乎沒有差異
（四）國外長期壟斷工藝，一台設備要花2個億
如此完美的沸騰床技術也存在自身的阿喀琉斯之踵。
剛才提到過，高溫高壓極端工況下閥門的造價都已突破天際，而反應器中的迴圈泵也不是省油的燈。
這個迴圈泵不斷將400度高溫、150~180大氣壓的渣油和氫氣抽出並增壓返回，同時必須保證連續工作3年直到停工檢修，中間不能有故障，而且還要保證生產過程的平穩進行。
要實現這樣的性能，H-Oil和LC-Fining工藝中的迴圈泵滿身都是黑科技，據說可能用到了航太發動機材料技術。要知道，航空發動機每運行幾百小時後都要大修一次，而這台泵要保證全年8000小時全負荷運轉，連續工作3~4年以上，直到煉油廠檢修才能停工。
這樣的泵自然是價格不菲，一台的單價高達2億人民幣。
▲H-Oil工藝中的迴圈泵，簡單結構的背後是滿滿黑科技的材料技術，其應用場景和專利工藝技術緊密結合，小眾的應用市場使任何模仿技術或裝置都面臨巨大的研發成本壓力
此外，這個迴圈泵還需要搭配一整套控制手段，才能保持在各種氣液流速下，催化劑料面始終處於迴圈杯之下，既保證流化狀態、又不會帶出反應器。
迴圈泵的限制，加之國外技術的壟斷和專利設備的漫天要價，讓沸騰床渣油加氫工藝的成本居高不下。
（五）為了擺脫迴圈泵的困擾，中國從催化劑做文章
中國製造目前正處於發展的黃金時期，所有領域都爭當第一，在渣油加氫領域也不例外。
中國每年加工近6億噸石油，其中渣油含量達到了1.3~1.6億噸。以70~80%的轉化率計，這部分渣油至少能產出5000~8000萬噸輕油，頂得上3~4個2000萬噸大型煉油廠的年加工量！
既然是全新開發的技術，當然可以避免走許多的彎路。首當其衝的，就是如何去掉麻煩的迴圈泵。
從源頭分析可以發現，迴圈泵的存在必要性是維持催化劑流化。那麼如果讓催化劑變得易於流化，是否可以免去迴圈泵的困擾？
沿著這個思路，中國開發出新型的球形催化劑，並降低催化劑直徑，達到500μm，使催化劑的流化性能提高了4~8倍。通過優化催化劑生產過程，控制球形催化劑生產成本與條形相當，中國解決了催化劑對沸騰床反應器的限制。
▲中國沸騰床微球形催化劑
球形催化劑還有一個好處，就是易於離心分選。可以想見，排出的催化劑中肯定有部分仍然具有活性的催化劑，且密度與廢催化劑不同。中國的沸騰床技術球形催化劑正好有利於催化劑的分離，通過密度差進行分選，從而有效利用廢催化劑，進一步降低生產成本。
▲廢催化劑的分選與回收再利用，高活性催化劑可以返回反應器，廢催化劑可以進行金屬回收或材料回收
去除迴圈泵後，反應器內的液體速度不足以維持催化劑流化狀態。通過反應器內的結構設計，研究人員使反應器內流體形成內迴圈，利用渣油自身流動和氫氣氣泡浮力，帶動了反應器內部流體的迴圈，使反應器液體速度大幅提升，催化劑跟隨渣油一起迴圈，最終在無需外部動力加入的情況下使反應器自身達到完全流化的狀態。
▲STRONG沸騰床專利反應器，通過內部結構設計使無迴圈泵的反應器實現了催化劑完全流化
結合催化劑形貌設計和反應器結構設計，催化劑得以充分流化，使反應器堵塞問題迎刃而解；由於球形催化劑接觸更為充分，因而反應過程更為穩定可控，結焦風險也大幅降低。
然而，自由移動的微球催化劑也造成了催化劑夾帶的難題。如何保證催化劑不被帶出反應器是保證渣油加氫過程穩定工作的前提。通過設計特殊結構的三相分離器，中國科研人員將催化劑阻擋返回反應器，從而保證了反應過程正常進行。
▲中國沸騰床技術對油品的轉化（最右為原料渣油，左側為轉化的蠟油、柴油、石腦油等）
通過以上巧妙的設計，中國自主研發的沸騰床技術完全繞開了國外沸騰床技術必須使用迴圈泵的死穴，採用微球催化劑提升了催化劑流化性能，通過反應器結構改進促進了內部流體循環，設計三相分離器防止催化劑夾帶、拓寬操作域，用簡單、可靠的反應器實現了完全沸騰床渣油加氫過程。
▲“STRONG”沸騰床裝置
中國的這項技術取名為“STRONG”沸騰床，2016年，首套STRONG沸騰床示範裝置開工，至今已完成了2000千餘小時的連續運轉。
與國外同類技術對比，中國的沸騰床技術單線反應可以達到80%渣油轉化率；脫硫率、脫金屬率等關鍵指標可以達到95%以上，等同或略好於國外同類技術。