加拿大油砂沥青部分改质技术综述

崔德春，徐庆虎，熊 亮，于广欣

（中海油研究总院有限责任公司，北京100028）

1 加拿大油砂沥青资源

加拿大的油砂作为一种非常规的能源，被认为是常规原油和未来的替代能源之间的一个非常重要的纽带和桥梁。加拿大油砂资源极为丰富，主要分布在阿萨巴斯卡、冷湖和匹斯河3个区域，总资源量约4 000亿t，其中约240亿t分布在埋深75 m以内，可以采用矿采方式开发；其余的3 760亿t埋深较深，需要采用SAGD和蒸汽吞吐等就地开发的方式。随着技术突破，油砂沥青产能得到了有效释放。据加拿大能源研究院CERI研究，在2019—2039年预测期内，平均年资本支出165亿美元，中间方案预测2020年产量为320万桶/d，2030年产量将达到400万桶/d，到2039年达到470万桶/d的峰值，如图1所示。

图1 加拿大油砂行业总体产量预测［1-2］Fig.1 Total production forecasts for the Canadian oil sands industry［1-2］

2 油砂沥青性质与组成

典型油砂沥青的性质与组成见表1。20℃密度达到了1.010 5 g/cm3，残炭值达到了14.50%，H与C质量比较低；原油中S质量分数达到了5.07%，加工过程中应考虑硫的回收和防腐问题；原油中饱和烃含量偏少，胶质、沥青质含量较高，金属含量相应较高，会对二次加工过程中的催化剂带来较大的影响。总之，原油评价结果表明油砂沥青属于低凝、高硫、高酸、高残炭、高黏度、高镍和钒金属含量的环烷基重质原油。

表1 油砂沥青物性与组成数据Table 1 Composition and properties of bitumen

3 外输能力及要求

3.1 原油管输能力

加拿大油砂沥青生产的稀释原油主要市场是美国中西部地区，占加拿大所有出口原油的近70%，主要的输送目的地是美国墨西哥湾沿岸（USGC）的诸多炼油厂。近年来，墨西哥和委内瑞拉的原油出口一直在下降，这为加拿大重质原油提供了一定的机会，以扩大其在美国海湾的市场份额，加拿大出口2018年较2017年增加了30%，相当于每天近50万桶。

加拿大油砂沥青产业长期以来定位于资源提供国［3］，高度依赖美国市场，且主要依靠单一的管道运输方式，造成运输瓶颈。近年来，油砂沥青产量逐步升高，接近加拿大外输管道容量极值（图2），这加大了WTI（西德克萨斯中质原油）和WCS（西加拿大重质原油）之间的价差，严重影响了加拿大生产商的净利润。

图2 加拿大原油外输管线能力和历史产量曲线图［1-2］Fig.2 Pipeline capacity and historical production curves for Canadian crude oil［1-2］

3.2 管输原油的要求

根据表1的原料性质数据可知，原始沥青的高黏度和寒冷的天气限制了油砂沥青的管道输送能力。加拿大油砂沥青的API重度在6~13。而管道运输标准要求API重度大于19，8℃运动黏度小于350 mm2/s（见表2）。

表2 典型的阿尔伯塔沥青产品性质及管道运输的规定［4］Table 2 Pipeline specifications and representative Alberta bitumen products［4］

为了降低黏度并提高API重度以满足管道标准，通常采用掺入稀释剂的方式，生产满足WCS标准的重质原油；近年来，各油砂生产企业已普遍采用密度小的凝析油作为稀释剂，可以显著降低稀释剂的添加量，平均稀释比例为30%。

3.3 稀释剂的运输费用

由于当地没有可供使用的稀释剂产品，稀释后的油砂沥青被运往改质厂或炼油厂后，需要将分离出的稀释剂返回油砂沥青生产现场，这不仅增加了建造和运营管道的成本，而且也限制了原油管道的容量。从美国高价进口稀释剂，将添加稀释剂的油砂沥青卖给美国，稀释剂运输费用最高达到14美元/桶，详见图3。

图3 油砂沥青运输中稀释剂的费用［1-2］Fig.3 Cost of diluent in transporting bitumen［1-2］

4 油砂沥青的改质技术

4.1 改质技术的工艺目标

为解决油砂沥青价值低和大量添加稀释剂的问题，改质技术得到一定的发展。改质过程是使用物理分离和/或化学处理将沥青转化为高品质产品的过程，通过改质，分离出重质馏分，降低了油砂沥青黏度和密度使其满足管道输送要求，降低酸值以减少管道和下游设备的腐蚀，去除硫、氮和金属（镍和钒）以增加产品价值并保护下游炼油厂催化剂。

4.2 部分改质技术现状

油砂沥青改质技术可以分为部分改质技术或完全改质技术，其中完全改质技术成熟，类似精简版的炼油厂，流程相对较长，投资巨大。

为了降低投资和加工成本，近些年有很多公司和研究机构等都开展了部分改质工艺技术的研究。部分改质的目的是仅对油砂进行部分加工，去除污染物和沥青质，以生产出满足表2中管道的密度、黏度和烯烃含量要求的可运输合成油。与完全改质工艺技术相比，部分改质所需的投资和操作费用相对较低，生产的合成油不需要或添加很少量的稀释剂即可满足管道运输要求，但是产品价格相对较低。

分析图3可知，以降低稀释剂添加比例为核心目标的部分改质技术的研发，对提升油砂沥青的价值具有重要意义，但是到目前为止，还没有部分改质技术和采用部分改质技术的商业化工厂投入运营，部分改质技术研发和工业化应用成为加拿大油砂沥青改质和加工行业发展的热点。

5 油砂沥青部分改质技术简介

在加拿大，虽然油砂沥青部分改质技术种类繁多，但是其发展和商业化的机遇和挑战主要受市场、政策、技术本身和加工过程的温室气体排放量等技术成熟度的评估因素的影响；下文将简单介绍具有工业化潜力和有技术创新的部分改质技术。

5.1 Ivanhoe公司开发的Fluid oil HTL（Heavy-to-Light）和VHTL工艺

Ivanhoe公司开发的基于重质油转化为轻质油的工艺。过程采用类似的催化裂化工艺技术和原则流程，反应技术的核心原理是短停留时间的非催化的高温热裂解和焦化工艺，产品含有大量的烯烃，需要进行后处理以消除烯烃。与传统催化裂化工艺不同的是VHTL使用的是FCC过程循环砂作为加热介质代替催化裂化催化剂，产品直接满足管道密度和黏度规格，流程如图4所示。该技术目前完成了中试试验，计划在加利福尼亚州的贝克斯菲尔德的1 000桶/d的商业示范设施上进行操作验证。最大缺点是温室气体排放量非常高。

图4 HTL工艺原则流程图［5］Fig.4 Process flow schematic of HTL［5］

5.2 ETX System IYQ Technology

ETX公司开发了一种采用交叉流的IYQ短停留时间流化床的焦化工艺，其原则流程图如图5所示。IYQ过程的原理是固体和气体的交叉流动，保证了物料在一定温度下的短停留时间进行反应，目标是减少分子过度裂化反应和产率损失。过程使用固体载体床为反应提供热量，该床层在水平运输的同时，流化接触垂直方向流动的气体，液体进料喷洒在热固体颗粒上，油中的挥发性成分是由于与热固体接触而蒸发的；剩下液体在热固体介质中发生了焦化反应。这种技术是一种能提供更高液体产品的产量和收率的流体焦化技术，该工艺的产品可能仅需要少量稀释剂，就可以达到管道规格，温室气体排放量处于中等水平。

图5 ETX System IYQ工艺技术的原则流程图［6］Fig.5 Process flow schematic of ETX IYQ cross flow coking［6］

5.3 Husky Diluent Reduction（HDRTM）Technology

Husky公司开发的HDRTM的技术可以将稀释剂添加量降低50%或更多，工艺原理类似于传统的减黏工艺，Husky Diluent Reduction（HDRTM）技术的原则流程图见图6（资料来源于Husky Private Communication 2017）。由于在热裂解过程中氢气的存在，可以实现比典型的热裂解更深的转化。HDRTM技术在CANMET 0.5桶/d的中试装置中进行了评估和测试，开发的重点是确定最佳的操作范围条件。HDRTM工艺不会产生焦炭，产品必须经过加氢处理后才可以满足管道运输规格要求，温室气体排放也低于当前的基准线。

图6 Husky Diluent Reduction（HDRTM）技术的原则流程图Fig.6 Process flow schematic of Husky Diluent Reduction（HDRTM）technology

5.4 Well Resources SELEX-Asp工艺

SELEX-Asp是由Well Resources开发的一种溶剂萃取技术，采用链烷烃类的溶剂用于分离沥青质或原油中类似树脂结构的重组分。

如果采用传统的溶剂脱沥青工艺分离C5不溶性的沥青质，会有约20%的沥青质难以回收，采用SELEX-Asp工艺，收率损失相对比较少。SELEXAsp工艺可以将API重度为7.8的油砂沥青，通过剔除16%（质量分数）的沥青质后将API重度提高到13，需要凝析油的稀释比例从30%（体积分数）下降到18%。如果需要进一步减少稀释剂的使用，SELEX-Asp工艺必须结合传统的热裂解、焦化或渣油加氢裂解等过程。用SELEX-Asp处理沥青的示意图见图7。不同于其他商业化溶剂萃取工艺（如KBR Rose工艺和UOP-Foster Wheeler SDA工艺），SELEX-Asp工艺可以生产固体颗粒的沥青质，提高了脱油沥青的使用范围和价值。

图7 Well Resources SELEX-Asp工艺技术的原则流程图［7］Fig.7 Process flow schematic of Well Resources SELEX-Asp［7］

5.5 MEG HI-Q®部分改质技术

MEG Energy公司开发了一种低强度、低复杂度的改质工艺，它结合了缓和的热裂解和溶剂脱沥青等技术的HI-Q沥青部分改质工艺，生产的产品无需添加稀释剂即可满足管道运输规范要求。

在HI-Q过程中，Dilbit（稀释原油）经DRU分离出减压渣油被送入缓和的热裂解反应器。热裂化的轻组分需要进行烯烃饱和处理，以满足管道规范。热裂解的重质组分直接进行溶剂脱沥青，分离出沥青质，再采用双螺杆挤压技术生产固体沥青，流程图如图8所示（资料来源于MEG-1 Private Communication 2017）。

图8 MEG HI-Q®部分改质技术原则流程图Fig.8 Process flow schematic of MEG HI-Q®bitumen partial upgrading

脱沥青油（DAO）与热裂化过程中产生的轻质烃类混合，生产出一种符合运输规范的高酸性合成原油，与稀释的原油相比，具有更高的市场价值，主要因为生成油中较低的残碳值、酸值和金属含量，同时温室气体排放也将低于基准线。

5.6 Nexen BituMaxTM部分改质技术

BituMax工艺通过对油砂沥青SAGD产出沥青乳化液依次进行溶剂脱沥青质、热裂化、烯烃处理的组合工艺，产出物为部分改质油（BMX）及沥青质，流程图如图9所示（资料来源于Nexen Public Statements and Private Communication 2017）。

图9 Nexen BituMaxTM部分改质技术原则流程图Fig.9 Process flow schematic of Nexen BituMaxTM

与其他的部分改质工艺不同，此工艺首先通过SDA除去了沥青质，然后对脱沥青质油进行热裂化、常压分馏及后续的烯烃处理（烷基化），混合油不需要添加稀释剂就可以满足WCS标准。

BituMax部分改质技术可以利用现有SAGD油-水处理设施。因此，装置投资低并减少了温室气体排放，排放强度要低于基准线。有效利用进料（SAGD产出沥青乳化液）温度和能量来进行溶剂脱沥青，工艺过程提高了整体热量效率。工艺过程合并了水分离和溶剂脱沥青质的步骤，从而减少装置数量、降低操作费用。溶剂脱沥青SDA工艺过程中，凝析油将被用作溶剂，比常规的纯链烷溶剂廉价。分离出品质最差的沥青质，油品质量得到提升，热裂化的苛刻度也相对降低了，降低能耗。

BituMax部分改质技术的核心问题是“水-溶剂和沥青质”体系中沥青质的精准溶解和分离，目前已经完成实验室研究。还需要进一步开展系统性、更大规模的中试试验。

5.7 Water-Based Supercritical Solvent Extraction（JGC）

JGC公司在超临界条件下，即压力为22~25 MPa和温度为395~430℃，油砂沥青在反应器中以大约1∶1的质量比与超临界水接触，进行水裂解过程，对SAGD工艺的未稀释的油砂沥青进行加热以改善流动性。

超临界水作为一种部分可混溶的溶剂，在反应器中形成两个液相。含有较轻的烃类化合物的富水相在反应器顶部冷却，水和烃类化合物相在两级高压/低压分离系统中分离，流程图如图10所示。较重的富含渣油相留在反应器底部，经冷却和闪蒸回收较轻的馏分。这一工艺过程已经在0.15桶/d和5桶/d的中试示范工厂中得到了验证。

图10 JGC水基超临界溶剂抽提技术原则流程图［8］Fig.10 Process flow schematic of JGC supercritical water cracking technology［8］

5.8 Superior Upgrading Tech./Hammer Technology

Hammer Technology采用流体锤击效应和流体动力学空穴作用原理结合，基于极端剪切作用可创造足够的高速流体动能，在接近环境温度和压力下，利用冷裂作用打破沥青的分子烃键，并满足管道规格，改质后的原油只需很少添加或不加稀释剂。由于此技术不剔除沥青质等污染物，改质工艺的产品收率较高，见图11，该技术还处在基础理论和概念研究过程中。

图11 Superior Technology Hammer Technology原则流程图［9］Fig.11 Process flow schematic of Superior Technology Hammer Technology［9］

5.9 Fractal Systems Jet ShearTM/Enhanced Jet ShearTM（喷射流剪切沥青技术）

与5.8节介绍技术原理类似，Jet ShearTM技术是利用低强度、流体动力学的空穴作用和缓和热分解附在沥青质核上的树脂基，从而破坏沥青分子结构。Fractal Systems研究认为，在低于初始裂化温度的条件下，喷射流剪切作用会引起压力的快速变化，从而使微气泡在成核位置周围形成；空穴产生的动能转化为化学能，改变了重油的微观结构和沥青质的聚集状态；沥青质结构的破碎降低了黏度和密度，而化学成分和体积收率基本没有变化。将沥青质进料的流体力学破碎作用与热裂解反应结合在一起，强化了改质作用和效果。

图12显示了增强型的Jet ShearTM的流程设计，由于改质产品的稳定性的问题需要配置一套加氢处理工艺单元到Jet ShearTM流程，以满足管道烯烃规范要求。使用Jet ShearTM技术时，稀释剂的用量从最初的32%（体积分数）减少到20%，而使用Enhanced Jet ShearTM技术时，则可以进一步减少到18%；温室气体排放强度也低于加拿大的基准指标。

图12 Fractal Systems Enhanced Jet ShearTM的原则流程图［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的示范装置上进行了测试试验，运行了大约1 a。在成功验证试验和现有喷射剪切技术平台的支持下，Fractal公司开始对现有设施进行改造和扩建，以验证增强型的喷射剪切和酸还原工艺（ARP）平台。改造工程于2016年第一季度开始施工，并于2016年8月下旬至2017年8月投入使用［11］。

6 部分改质技术对比

6.1 部分改质工艺比选原则

上述介绍和讨论的部分改质技术处于不同的开发阶段，从应用的层面上讲，部分改质技术选择时应考虑以下几个方面因素：1）部分改质产品必须满足管道输送的规格；2）不能存在超过部分改质产品规格的过度转换工艺；3）改质工艺的温室气体排放强度低；4）是否生产大量低价值或不需要的副产品；5）是否符合当前的技术发展水平，或超出现有技术的范围。

6.2 部分改质技术可行的工艺路线

依据上述比选原则，在满足合成原油的管道规格的基础上，为了降低稀释剂添加比例或不使用稀释剂，潜在的部分改质工艺路线主要有两个：

1）对沥青进行缓和的热裂解以分解一些大分子，无论是否添加诸如流体力学处理工艺或添加其他原油馏分的强化技术，这种方法都保持了原油产量。然而，无论如何仍需要稀释剂的加入，所以，热裂解沥青质的稳定性是一个需要解决的问题。

2）缓和的热裂解工艺结合部分沥青质的脱出技术可以生产性质稳定的原油，并消除或减少添加稀释剂的需要。然而，低价值的沥青质等副产物在一定程度上降低了油砂沥青的整体价值。

这两种工艺路线都采用温和的热裂解法，是基于低成本和降低沥青黏度的有效性。新的部分改质技术还必须考虑沥青自身性质特点和沥青运输问题，由于在艾伯塔省开发新技术成本高昂，低技术成本和高产量是部分改质技术成功的关键特征。

7 结论

1）在长期定位为原油资源输出国的加拿大，针对油砂沥青这类特殊的高硫、高酸值的超重原油资源，在充分考虑阿尔伯特的原油加工能力和目标市场、石化产品市场构成和容量、管道和铁路运输能力及规范条件、储运设施等条件下，部分改质技术从减少或不添加稀释剂的思路出发，在当前和未来都具有现实意义。2）结合加拿大阿尔伯特创新中心的技术成熟度评估指标，梳理了有工业应用潜力的部分改质技术。通过现有的技术资料调研和比选，对油砂沥青进行缓和的热裂解降黏和脱出沥青质是部分改质工艺两个核心。3）在技术成熟度评估的基础上，油砂沥青部分改质技术的研发还需要考虑改质产品的管道规范的要求、副产品的市场化和价值提升、工艺路线的温室气体排放强度和减排措施等因素，较低的技术成本和较高产品收率是部分改质技术成功的关键。