全球炼化行业百年发展史，历尽多少沧桑事，人间有味是清欢
据最新消息，2019年12月9日前后，浙石化PE、PP装置试车成功，本月底及2020年1月初有望实现全产业链一次性正式开车。浙石化的开工，代表着中国炼化行业正式进入了规模化格局，掀开了中国炼化行业新的篇章。平头哥认为，未来中国七大炼化基地陆续投产，小规模企业陆续退出市场，大规模及一体化的炼化企业将成为中国炼化格局的主要力量。在此，平头哥想到苏轼的诗句：
正所谓“历尽多少沧桑事，人间有味是清欢”。面对格局的转变，平头哥以史为镜，对全球炼化行业发展史进行高度复盘，以求寻根究底，为中国炼化行业的发展提供方向性指引。
1849年，苏格兰的杰姆斯·伊本（JamesIbung）生产出“石蜡油”（ParaffineOil），用于照明，原料先是煤矿里渗出来的石油，后来改用烛煤（CanndCoal）。这一工艺获英国专利。这一技术转让给了英国、美国许多工厂。
与此同时，据《美国石油工业史》记述，最早从煤炭里炼制出灯用煤油的是加拿大地质家亚伯拉罕·格斯纳（AbrahamGesner）博士，1852年研发出类似的工艺，获得了美国专利，其专利权是用煤炭生产“Kerosene”(是希腊文中蜡“wax”与油“oil”的复合字，中文译为煤油。)1853年，纽约的一家公司用他的技术生产煤油，投放市场。
但是，美国人称萨缪尔·M·基尔（Samu.M.Kier）是炼油业的创始人，因为他不仅成功地应用了蒸馏的原理，加工原油，生产出石油产品，而且制造出商业化生产的第一只蒸馏釜。基尔本是匹兹堡卖药的商人。他拥有煤矿、一座铸铁工厂，还是匹兹堡-费城航运公司的发起人之一。多年来，他经营着宾夕法尼亚塔兰屯附近阿列汉尼河边的盐井。有些盐井渗出原油来。盐场主把它当作讨厌的副产品扔在河里，很让行船的人讨厌。基尔把它们收集起来，装在玻璃瓶里当药卖。品名“石油（Petroleum）”或“岩石油（Rockoil）”。
基尔弄了一些原油样品，送到费城的詹姆斯·布思（JamesCBooth）教授（他是美国化学学会的主席）那里去，请他做分析，为塔兰屯的原油找出路。布思在实验室里做了试验，确认原油通过蒸馏，可以加工出很好的照明用油，并且给基尔画了蒸馏釜的草图。因此，布思也被认为是石油业界第一位化学家。
基尔按照布思的草图，制造出美国第一只蒸馏釜，直径110.5厘米，高142.2厘米，容量0.8立方米。釜内盛塔兰屯原油，釜下烧煤炭。釜里产生的油蒸汽通过小管子进入盛水的桶，冷凝为浅黄色的煤油。1850年，基尔在匹兹堡第七大街上开始出售灯用煤油，称为“碳油（Carbonoil）”。卖价每加仑1.5美元。这种油点燃起来很亮，但是有一股难闻的味道。
纽约的一位咖啡和香料零售商费里斯（A.C.Ferris）看中了这种灯油，买了12加仑回去。他想出了办法，用硫酸和苛性钾加以处理，成品油呈柠檬色，近于无臭。他称这一工艺为“煤炭-石油”工艺。这种灯油大受欢迎。于是，他到处寻找原油，扩大原料来源。首先，他买下了基尔的塔兰屯盐场产的全部原油。接着，派人到加利福尼亚、荷属东印度等地去调查。他承诺按每桶20美元收购。
在加拿大，费里斯找到经营恩宁斯基林油田的杰姆斯·米勒·威廉姆斯，向他收购原油。1858年，费里斯加工了1183桶（161吨）原油，成为美国当时最大的炼油商。据记载，1859年那年，美国已经有50多家炼油厂，分别用软煤、页岩或天然沥青生产煤油。
热裂化技术是在1910年前后被发明，当时汽车开始大规模生产，接着，拖拉机、飞机等得到了大量应用。市场对汽油的需求迅速增长，汽油取代煤油成为最主要的石油产品。
图：对炼油工艺的不断研究
那么问题来了，怎样能从单位原油中提炼出更多的汽油来？
这方面第一个突破是热裂化。热裂化的发明者是威廉M伯顿。伯顿生于美国克里夫兰，1886年毕业于WesternReserve大学，1889年在霍普金斯大学获得博士学位。1890年进入标准石油公司当化学师，后来任炼油厂总管助理、总管，1911年起成为印第安纳标准石油公司一名董事，1915年为副总裁，1918年出任总裁，直到1927年退休。第一次世界大战时期，他在惠廷炼油厂、当时的实验室主任罗伯特汉弗莱斯。参加这项研究的还有罗杰斯和布兰斯基。此二人都是霍普金斯大学的博士。
他们设定反应的温度要达到850〬F（454〬C）。当时还没有焊接技术，钢板制造圆筒只能铆接。强度够不够？对此也要反复试验。
经过两年多的工作，到1910年底，伯顿和汉弗莱已经确信，高温、高压下生产出“合成汽油”是可行的，安全的。为此他打报告建议上100套工业化的、容量为8000加仑的热裂化釜。但是，当时印第安纳标准石油公司还是洛克菲勒的标准石油公司的子公司，而母公司正被“反托拉斯法”的官司弄得焦头烂额，董事会里有些人也担心高温、高压会导致像锅炉那样的爆炸，没有批准他的建议。
1911年，标准石油公司被迫解体，印第安纳标准石油公司独立了。伯顿建成了世界第一座半工业化的热裂化装置。其蒸馏釜直径8英尺（2.44米）高10英尺（约3.05米），处理量150桶（约20吨）。汽油采收率提高一倍多。1913年1月7日，公司获得了伯顿热裂化工艺的专利权。当时热裂化的原料油是原油“拔头”出来的瓦斯油，最初得到的馏分油约占原料油的25%～30%;很快提高到65%～70%，汽油的最终采收率约50%。热裂化工艺显示了很大的优越性，新装置在许多地方建立起来。
就在此时，一项新的技术顺应时代的发展而诞生，那就是催化裂化工艺，此技术的诞生也标志着炼油工艺重要的成就。
所谓催化裂化，就是在催化剂作用下进行的裂化反应，同热裂化相比，轻质油的产率更高，汽油的辛烷值更高，柴油的安定性也比较好，并且同时产生大量富含烯烃的液化气，是很好的有机化工原料。直到现在，催化裂化仍然是几乎所有炼油厂主要的二次加工工艺。
催化裂化工艺的发明人是法国工程师兼工业家尤金·胡德利（EugeneHoudry）。1937年3月5日，在它的马库斯·胡克炼油厂诞生了完全商业化的胡德利催化裂化装置，日处理能力是12000桶（约60万吨/年）。在1938年美国石油学会的年会上，阿瑟·皮尤宣布了这一崭新的工艺的成功，各家石油公司纷纷要求转让技术。
印第安纳标准石油公司组织了以副总裁兼炼制部主任保罗斯为首的班子，经过论证，认为技术转让费太贵，引进技术不如自己另外研究。其他几家也有同样意见。1938年10月，组成了合作研究机构——催化研究协会。参加者有：印第安纳标准石油公司、新泽西标准石油公司、德国的法本工业公司、凯洛格公司（注：这是一家专业化的石油工程建设公司）。
不久，英波石油公司、皇家荷兰壳牌集团、得克萨斯公司、环球油品公司（UOP）也参加进来。这个集团合作研究开发的是流化催化裂化技术。
流化床的概念是新泽西标准石油公司的威廉姆·奥代尔提出来的，1936年申报了专利。由于对催化剂再生和积碳燃烧的控制了解甚少，流化床的问题被暂时搁置起来。美国油气杂志刊登的胡德利催化裂化的论文，启发了科技人员研究流化催化裂化的热情。新泽西标准石油公司的研究人员突破了“上流式”催化裂化的关键问题，使催化剂同原料油、产品、烟气分别在反应器、再生器内向上流动，从顶部排除再分离。
1941年2月11日，新泽西标准石油公司宣布，催化研究协会开发成功了流化催化裂化工艺。三座处理量为每天12000桶（约60万吨/年）的流化催化裂化装置相继建成。其中第一套是凯洛格公司设计、建造在巴吞鲁日炼油厂的那一套。投产日期是1942年5月25日。
这种新工艺发展很快。第一代的“上流式”不久就被第二代的“下流式”所取代。上述上流式的第一套装置尚未投产，第二代下流式的10套装置已经开工建设。1947年，这个集团又开发出第三代，1951年开发出第四代流化催化裂化技术。由于这个合作研究协会以新泽西标准石油公司为核心，这些技术统称埃索（ESSO）流化催化裂化工艺。
另外，为了进一步提升油品产量和质量，以及拓展油品向化工品转型的发展方向，环球油品公司的技术人员加入了研究催化重整的技术。1949年3月29日，这家公司公布了利用催化剂进行环烷脱氢异构生产优质汽油的方法，为提高其有辛烷值开创了新的途径。
新工艺的关键是找到一种高效率的催化剂。经过多年努力，他们开发出了铂催化剂。1949年10月28日，在美国密执安州马斯基根的“老荷兰“炼油厂建成了世界第一套铂重整装置。它的初期处理量为每天238.5立方米。这套装置10年后还在运行，处理量已经扩大为每天477立方米。
环球油品公司在1951年公布了另一种铂催化剂，1953年年末另一套装置投入了运行。
1955年，出现了两种新的催化重整工艺。一种是胡德利配套催化重整，在中等强度条件下操作，可以从产品中回收芳香烃。另一种是环球油品公司的雷克斯重整法，把铂重整同芳香烃萃取结合了起来。20世纪60年代发展了多种催化剂。
环球油品公司在20世纪60年代末把铂重整工艺发展为连续再生式催化重整工艺，并且在1971年顺利投产了第一套重整装置，包括：直立式换热器，箱式加热炉，直立烟筒式反应器。这种工艺使反应系统和再生系统有较高的开工率，产品的辛烷值更高。
炼油加工是成熟的工艺，从历史的发展演变来看主要是伴随着规模化、复杂系数的提升；近年来由于加工重质油的需求，炼厂普遍的加氢能力提升。自2014年以来，由于成品油的需求放缓，化工品盈利的好转，炼厂加工更是致力于化工品比例的提升。因此，大型规模化、复杂系数提升、炼化一体化成为了炼油发展的新趋势。
由于近年来化工品盈利较好，以及原油的轻质油和重质油的加工结构变化，炼油的加工工艺整体方向变为：以多产作为化工品原料的轻烃为导向，以及加大对轻重质油的进料调节和加工渣油能力的提升。对于炼油产业链中的不同装置的作用，可以总结为以下：
催化裂化（FCC）：催化裂化是炼厂重油二次转化的主要手段，目前全球催化裂化加工能力约占原油一次加工能力的 16%。催化裂化是在热和催化剂的作用下，使重质油发生裂化反应，转变为裂化气、汽油馏分和柴油馏分等；其原料是原油通过蒸馏所得的重质馏分油，或在重质馏分油中掺入少量渣油，或全部用常压渣油或减压渣油。催化裂化除生产油品外，也副产化工品丙烯，催化裂化丙烯产量占全球丙烯产量的近 30%，是仅次于蒸汽裂解的第二大丙烯来源。催化裂化所产汽油辛烷值高，裂化气(一种炼厂气)含丙烯、丁烯、异构烃多。而典型炼油厂的汽油主要由轻直馏汽油、焦化轻汽油、烷基化油、重整生成油、FCC 汽油和 MTBE组成。
催化重整：主要是将石脑油转变成富含芳烃的重整生成油，并副产氢气，是PX生产的主要路线。重整生成油可直接用作汽油的调和组分，也可以经过芳烃抽提以提取苯、甲苯、二甲苯，而副产氢气是炼厂加氢装置的主要来源之一。
渣油加氢裂化：加氢裂化技术是重油深度加工的主要工艺手段之，也是能在原料轻质化的同时直接生产清洁燃料和优质化工原料的重要技术手段。渣油的处理无非分为两种，脱碳和加氢。目前代表渣油加氢最先进的加工工艺主要是沸腾床加氢裂化和悬浮床加氢裂解（或浆态床）。恒力石化采用法国 Axens 的技术，单线320 万吨/年（合计 2*320 万吨/年）沸腾床渣油加氢裂化于今年顺利开车，成功将原油中重质油全部转化生成了石脑油、柴油、蜡油、未转化油等中间产品，为下游石脑油加氢、柴油加氢裂化、蜡油加氢裂化和溶剂脱沥青等装置提供了充足原料保障。而悬浮床加氢裂化，意大利 ENI 公司在意大利 Sannazzaro 炼厂的 135万吨/年产能已经实现工业化。
延迟焦化：重劣质油加工比例上升仍然是未来长期的趋势，延迟焦化是脱碳的工艺路线选择。延迟焦化是一种热裂化工艺，其主要目的是将高残碳的渣油转化为轻质油。美国是焦化能力最大的国家，但由于美国轻质原油过剩，焦化装置的利用效率下降。延迟焦化是炼厂加工劣质重油不可或缺的手段之一，可以深度加工来自厂内其他装置的尾料包括减压渣油、减黏裂化渣油、催化裂化油浆、加氢裂化尾油等，也可以用于改善炼厂柴汽比、为乙烯工业及重整装置提供原料等重要作用。延迟焦化的优势主要有：原油适应性强、可以提高柴汽比、可以加工硫含量高的催化油浆等。
炼化厂制氢：炼化一体化工厂需要大量的氢气，主要用于渣油加氢、加氢精制等。同时炼化一体化工厂在生产环节也会副产氢气，因此氢气的综合利用至关重要。大型炼化项目的氢气来源主要有：1）石油焦或煤制氢，美国炼厂多外购来自于天然气 SMR 制氢；2）催化重整氢气，一般情况下，重整副产氢气约占原油总量的0.5-1%，对于全加氢炼油流程，氢气用量一般占原油加工量的 0.8-2.7%；3）石脑油裂解副产氢气；4）丙烷/丁烷脱氢副产；5）低浓度氢气的回收，如加氢、催化裂化、延迟焦化副产的氢气，采用变压吸附（PSA）、膜分离、深冷等三种工艺提取。
炼油产能自2018年起进入快速扩张阶段，意味着未来则面临着行业需求下行的风险。根据BP能源统计数据，2018年全球炼油产能10005万桶/天（50.024亿吨/年），同比增长1.4%或增加产能8568.3万吨/年。2019年起，全球炼油新增产能增速将会扩大，且伴随着单一炼厂的规模扩大，下游同时配套乙烯等化工品等趋势。
乙烯是重要的化工品原料，同时乙烯对于国民经济的带动效应明显，一个乙烯项目的投资往往会伴随着下游众多精细化工产品的投资。乙烯项目的投资往往会带动更大的辐射效应，并有望达到供给创造需求的效果。
除了煤化工的煤制烯烃CTO/甲醇制烯烃MTO外，全球绝大多数的乙烯生产是通过裂解而成。生产规模化的核心在于裂解炉的规模与压缩机的功率。目前乙烯生产的趋势是大型化与炼化一体化。传统的乙烯的生产多是外购石脑油通过裂解而成，一般情形下生产100万吨乙烯需要330万吨的石脑油原料，而同时副产近50吨丙烯、18万吨丁二烯、20万吨纯苯、以及其他芳烃混合物、异丁烯、丁烯、碳五、乙烯焦油等。目前全球乙烯装置接近270套，共计产能1.7亿吨/年。美国在2010年以后由于页岩气革命，在开发过程中也带来了大量的乙烷副产，这些是裂解乙烯的优质原料。
除常减压外，当前石油的主要加工工艺还有加氢裂化、催化重整、延迟焦化、加氢精制、减黏裂化、烷基化等。经过多年的发展，石油炼化加工的工艺形成了完整的体系，但石油的加工原理和工艺并没有大的改变，技术进步主要体现在：装置的规模化、炼化一体化能力、催化剂的进步、重油及渣油加氢的处理能力、生产的智能化等。
规模化主要体现在装置的大型化，以及一体化、石化园区的集约化。综合对比中国台湾麦寮的台塑基地、印度Jamnagar的信诚公司生产基地、韩国蔚山的SK生产基地、新加坡裕廊岛、沙特朱拜勒（Jubail）、沙特延布（Yanbu）、阿联酋的Ruwais等大型炼化基地。经过分析，可以得到，装置的规模化有利于降低设备投资成本、提高原料收率、增加生产的稳定性等。而园区化集中的管理可以降低公用工程的成本，加大各种产品之间的优化，做到物料平衡、物尽其用。
不同原油品种可以选择不同的加工工艺，同样对于不同的下游应用需求，也可以选择合适工艺路线。整体而言，原油加工分为一次加工、二次加工、三次加工等。一次加工主要为原油的初加工，即把原油蒸馏分为几个不同的沸点范围（即馏分），其加工装置为常压蒸馏或常减压蒸馏。二次加工为原油的深加工，即将第一次加工得到的馏分再加工成商品，其加工装置为催化裂化、加氢裂化、延迟焦化、催化重整、减黏裂化等。
炼油的产品切割中主要根据馏分、碳氢比等；其中对应含碳量为：C1-C4LPG；C5-C9石脑油；C5-C10汽油；C10-C16煤油；C14-C20柴油；C20-C50润滑油；C20-C70燃料油；<C70渣油。
原油长期重质化趋势，以及炼化一体化后裂解乙烯配套的原料需求，渣油加氢裂化更适合我国国情。近年来，随着美国页岩油的产量不断增加，轻质油的供应增多；另一方面，美国对于委内瑞拉的制裁，重质原油的产量减少。从近期山东地炼的进口原油比例也可以看出，加工原油出现了硫含量和酸值下降，略轻质化的现象。由于美国的炼油装置年代久远，轻质油加工带来的汽油收率较高，反而柴油市场更好；因此会减少催化裂化进料，增加柴油产出，这样会带来炼厂的使用效率下降。同时，美国的炼厂仍然以加工燃料为导向，延迟焦化的占比较多；而且美国的乙烷供应充裕，乙烯裂解原料多以页岩气副产的乙烷为主，对于炼厂的渣油加氢裂化中的轻烃需求较少，因此渣油加氢裂化的应用空间反而较小。
国内新的大炼化项目均以提高化工品比例为主，整体的设计路线以多产 PX，轻烃为主，尽量减少成品油的产量。在成品油加氢精制，以及渣油裂化过程中所需的氢气消耗量大，因此往往需要采用煤制氢或者石油焦制氢的路线来保障氢气供应。
对于全球炼化行业发展趋势来说，平头哥认为，在油品全球化供应过剩的大背景下，“控炼增化”是全球炼化一体化的发展常态，而炼化一体化的企业发展模式，已成为与化工物料互换、能量共享和公共设施共用的紧密一体化发展模式，此举很大程度上降低了产品的生产成本，提高了产品的附加值。
对于未来50年内全球炼化一体化的发展大趋势，平头哥总结为以下几个方向：
（1）、全球炼化一体化向更加多元化模式快速发发展
本文开头提及的浙石化，是4000万吨/年炼油装置，下游配套280万吨/年乙烯装置和1040万吨/年芳烃装置，下游化工装置体量位居国内一体化企业的前列。并且，埃克森美孚开发和应用了IGCC气电联产一体化技术，在我国福建炼化中工业化应用，并且成为了我国首套供氢、供汽和发电的多联产IGCC装置，采用其溶剂脱沥青装置的脱油沥青为原料，生产氢气、超高压蒸汽和发电，并副产氧气和氮气，满足了其1200万吨/年炼化一体化项目的所有电力、蒸汽与40%的氢气需求，产生了良好的经济效益和社会效益。
所以，平头哥认为，自上世纪90年代至今，随着对芳烃市场的需求，炼厂自身应对氢气需求及汽电或热电联产的需求，炼化一体化跨越了炼厂自身的经营范围，覆盖了多种化工产品的生产，进一步提高了芳烃、烯烃等产品的产出，提升了炼厂的多元化发展模式。并且，随着油品供应规模的过剩，未来全球炼化一体化企业必将走向更加多元的产品结构，下游将涉及至专用化学品等领域。
（2）、全球炼化一体化向纵深方向发展
中国石油、沙特基础工业公司和中科院大连化物所正在合作开发天然气直接制烯烃/芳烃技术，与现有的天然气转化的传统路线相比，该技术不需要高耗能的合成气制备过程，缩短了工艺路线，反应过程本身实现了二氧化碳的零排放，碳原子利用效率可达到100%，一旦开发成功，将推进炼化一体化向天然气、煤化工等领域进一步拓展。
埃克森美孚、沙特阿美和沙特基础工业公司都开发了原油直接裂解制烯烃技术，通过省略常减压蒸馏、催化裂化等主要炼油环节，简化流程、降低投资，以最大化生产化学品为目的，多产烯烃、芳烃等化工原料，化学品转化率可达50%~70%。并且，埃克森美孚在广东计划上马全球首套原油直接裂解制烯烃技术。
另外，全球的技术研究方向（后期平头哥将择机重点介绍全球新技术研究成果，希望大家密切关注）中，还包括天然气直接制烯烃/芳烃技术、催化裂化多产低碳烯烃技术、催化重整多产芳烃技术及加氢裂化多产乙烯裂解原料技术等。加氢裂化正成为炼化一体化的核心主体技术，采用新型催化剂、优化调整工艺流程或工艺条件，广泛用于多产石脑油或加氢尾油的生产技术。
炼化一体化虽然是炼油和乙烯生产的重要载体，但是平头哥认为，随着技术的发展，全球炼化一体化呈现了新的模式和发展动向，已成为全球炼化一体化企业优化资源配置、降低生产成本、提高附加值产品的主要战略选择。全球炼化一体化的纵深化发展，也将成为未来全球炼化行业的长远大趋势。