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随着常规原油资源的减少，原油组分的重质化与劣质化越来越严重，炼厂加工的重质原油所占比重越来越大。加工重质原油会在炼油加工过程中产生更多的残渣油，包括常压渣油、减压渣油、油浆与沥青等。炼厂石油残渣的加工技术一般可以分为加氢和脱碳两种工艺路线。加氢工艺需要在高压与氢气存在条件下进行操作，重质油直接采用加氢工艺处理，投资与操作费用较高。脱碳工艺中的延迟焦化技术由于原料适应性广、投资低以及操作简单，在炼厂重油加工中得到了广泛应用。然而，延迟焦化工艺用于劣质重油加工时，液体收率较低，并且产生大量高硫石油焦。针对当前重油加工工艺存在的不足，本课题提出了重油裂解-气化耦合工艺，实现重油的分级高值利用。重油首先在流化床反应器内与处于流化状态的低活性载体进行裂解反应，最大化地提高轻质油收率。焦炭在裂解过程中附着在催化剂的表面，随催化剂被输送到流化床反应器中进行气化再生，同时得到合成气，用于炼厂液体的加氢。再生后的高温催化剂在系统内循环提供重油裂解反应所需要的热量并催化重油裂解反应，实现重油裂解与焦炭气化工艺的耦合。本课题针对重油裂解-气化耦合工艺的开发开展了催化基础与流程模拟方面的研究，获得如下主要结果:
1.重油裂解与焦炭气化初步试验。在实验室规模的流化床反应装置上，考察了五种不同的重油原料裂解行为，优化了重油裂解操作参数，系统研究了重油裂解过程所需要的催化剂表面酸性，使其同时满足高液体收率与重油转化率的要求。现有热载体或催化剂直接应用过程中发现，无酸性的石英砂并不能满足重油转化率的要求，而FCC催化剂酸性过高使大部分重油转化为气体与焦炭，液体收率仅40％左右。为此开发了活性适中的改性白土催化剂用于重油裂解，并利用NH3-TPD进行了三种催化剂的酸性对比。结果表明:白土催化剂在500℃裂解重油能够实现液体收率80wt.％以及转化率90％的转化效果。利用活性适中的白土催化剂完成了不同重油原料的考察，优化得到了本研究条件下减压渣油裂解的操作参数，即裂解温度500℃，剂油比与蒸汽油质量比分别为6.3与0.6。
2.催化剂研制与重油裂解-气化特性。为保证重油裂解的催化活性在循环利用过程中基本保持不变，采用与积碳催化剂气化再生相近的条件，即800℃水蒸汽老化处理FCC催化剂，得到的FCC-800催化剂用于重油裂解，实现的液体收率大于80wt.％并且重油转化率大于97％。在优化的操作条件下，重油裂解的焦炭收率均小于原料的康氏残炭值，优于延迟焦化工艺中焦炭收率指标（为1.4-1.7倍的残炭值）。针对积碳FCC催化剂再生速率慢的问题，在催化剂制备过程中调控表面性质以及加入碱性金属氧化物组分促进焦炭气化反应，开发了用于重油裂解-气化的双功能催化剂(Bi-functionalcatalyst，BFC)。利用水蒸汽老化处理得到的BFC-800与BFC-850催化剂用于重油裂解能够获得与老化FCC催化剂相近的裂解性能。利用吡啶红外表征催化剂的B酸与L酸含量，定量评价了重油裂解所需要的表面酸性。
3.重油裂解催化剂再生特性与循环寿命考察。催化剂表面焦炭的反应活性与载体的表面性质以及组成密切相关。石英砂表面形成的致密焦炭需要在900℃以上的水蒸汽气氛中进行转化。利用流化床反应器进行积碳催化剂的原位（未降温）气化再生，表面焦炭能在800℃左右的水蒸汽气氛下进行气化去除。气化气中H2与CO含量之和大于85vol.％。重油裂解和积碳催化剂再生的循环实验表明，白土催化剂的重油催化活性在循环过程中出现较明显下降，循环一次的白土催化剂重油转化率由新鲜催化剂的90％下降为70％。积碳FCC与BFC催化剂气化再生的气体组成基本相同，但积碳BFC催化剂再生所需要的时间为70min，小于FCC催化剂再生所需的110min。FCC-800与BFC-800催化剂在三次循环过程中重油转化率均能够保持稳定，初步证明了该催化剂用于重油裂解-气化耦合工艺的可能性。
4.积碳FCC与BFC催化剂气化再生动力学。利用微型流化床反应分析仪，模拟工业过程中积碳催化剂在含水蒸汽复杂气氛下的流化床气化再生过程，对比积碳FCC与BFC催化剂气化再生的活化能E与指前因子A。结果表明，利用均相模型求取积碳BFC催化剂气化再生活化能约为116kJ·mol-1，小于FCC催化剂的151kJ·mol-1，说明BFC催化剂表面焦炭气化再生转化的难度相对较低。气化剂中加入部分氧气能够大幅降低积碳BFC催化剂气化再生活化能到45kJ·mol-1,大大促进催化剂表面焦炭的气化转化。微型流化床能够准确模拟积碳催化剂的再生过程，作为研究不同配方催化剂再生特性以及指导再生器设计的有效工具。
5.重油裂解-气化耦合工艺流程模拟。对于重油裂解-气化耦合工艺而言，裂解反应提供气化所需要的焦炭原料，气化过程得到的高温催化剂提供裂解反应所需要的热量。利用AspenPlus对耦合过程的模拟结果表明，当重油裂解的焦炭产率为14.68wt.％，气化操作的O2/C比与Steam/C比分别为1.19与0.75时，重油裂解-气化耦合工艺能够实现自热运行，同时生产的合成气中H2与CO含量之和大于85vol.％。