中國(guó)報(bào)告大廳網(wǎng)訊，隨著全球經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，原油需求不斷增長(zhǎng)，優(yōu)質(zhì)原油比例逐漸減少，含硫較高的重質(zhì)及劣質(zhì)原油占比日益提升，這直接導(dǎo)致其副產(chǎn)品石油焦中高硫石油焦的產(chǎn)量逐年增加。2017 年，國(guó)內(nèi)延遲焦化裝置產(chǎn)能達(dá) 12880×10?t/a，石油焦產(chǎn)量為 2721.7×10?t/a，其中高硫石油焦的比例約占 50%。當(dāng)前，高硫石油焦主要用作 CFB 鍋爐燃料，但燃燒過(guò)程中會(huì)排放大量 SO?、NO?等污染性氣體，限制了其大規(guī)模利用。同時(shí)，國(guó)家產(chǎn)能結(jié)構(gòu)調(diào)整和環(huán)保要求不斷提高，電解鋁、玻璃、水泥等石油焦傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的過(guò)剩產(chǎn)能逐步被消化，高硫石油焦市場(chǎng)空間進(jìn)一步收縮，如何經(jīng)濟(jì)、環(huán)保地利用高硫石油焦成為行業(yè)亟待解決的問(wèn)題，而高硫石油焦配煤氣化制取合成氣的技術(shù)，不僅為解決石油焦利用難題提供了方向，也為2025年石油焦行業(yè)投資開(kāi)辟了新路徑。以下是2025年石油焦行業(yè)投資分析。
隨著原油加工結(jié)構(gòu)的變化，石油焦產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)，其中高硫石油焦占比已達(dá) 50% 左右，傳統(tǒng)利用方式的污染問(wèn)題和市場(chǎng)收縮困境，推動(dòng)了石油焦氣化技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。高硫石油焦氣化是指以石油焦或者煤焦摻燒為原料，以氧氣、水蒸氣等為氣化劑，在一定的溫度和壓力下通過(guò)化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)合成氣(有效成分 CO 和 H?)，合成氣可用作工業(yè)燃?xì)饣蚧ず铣稍?。在這一過(guò)程中，石油焦所含的硫元素會(huì)轉(zhuǎn)化成 H?S 和 SO?，可通過(guò)克勞斯反應(yīng)變成單質(zhì)硫回收，重金屬則以渣的形式排出氣化爐，幾乎不產(chǎn)生環(huán)境污染，是能源高效潔凈利用的綠色技術(shù)。
目前，國(guó)內(nèi)外已有多個(gè)氣化技術(shù)摻燒石油焦的工業(yè)應(yīng)用案例，具體應(yīng)用業(yè)績(jī)?nèi)缦拢喝毡?Ube 合成氨廠采用 GE 氣化技術(shù)，以 100% 石油焦為原料，產(chǎn)能 1250t/d，產(chǎn)品為合成氨;美國(guó) Tampa 電廠運(yùn)用 GE 氣化技術(shù)，原料為煤 / 石油焦(50/50)，產(chǎn)能 2400t/d，用于生產(chǎn)電力;中石化金陵分公司采用 GE 氣化技術(shù)，原料配比為煤 / 石油焦(50/50)，產(chǎn)能 2200t/d，產(chǎn)品為氫氣、合成氨;中石化鎮(zhèn)海煉化分公司使用 SE 平推流氣化技術(shù)，原料為煤 / 石油焦(25/75)，產(chǎn)能 1000t/d，產(chǎn)品為氫氣;寧波中金石化有限公司采用多噴嘴氣化技術(shù)，原料配比煤 / 石油焦(25/75)，產(chǎn)能 1000t/d，產(chǎn)品為合成氣;貴州天福化工有限責(zé)任公司運(yùn)用 Shell 氣化技術(shù)，原料為煤 / 石油焦(75/25)，產(chǎn)能 2000t/d，產(chǎn)品為合成氨;云南大為制氨有限公司采用 Shell 氣化技術(shù)，原料配比煤 / 石油焦(75/25)，產(chǎn)能 3000t/d，產(chǎn)品為合成氨。
煤氣化技術(shù)主要分為固定床、流化床和氣流床三種類型。固定床氣化采用 5~50mm 的塊煤進(jìn)料，對(duì)原料的熱穩(wěn)定性、黏結(jié)性要求較高，有效氣(CO+H?)產(chǎn)率低，環(huán)保問(wèn)題較多;流化床氣化采用碎煤進(jìn)料，氣化溫度較低，熱煤氣夾帶粉塵，處理過(guò)程較復(fù)雜，要求原料有較好的反應(yīng)活性;氣流床氣化是目前最主流、最先進(jìn)的氣化技術(shù)，主要有 Shell 粉煤氣化、SE 粉煤氣化、GE 水煤漿氣化、多噴嘴水煤漿氣化等，其原料適應(yīng)范圍寬、能耗低、有利環(huán)保，適用于高硫石油焦氣化。
石油焦是煉廠生產(chǎn)燃料油、潤(rùn)滑油脂等產(chǎn)品后得到的副產(chǎn)品，由微小石墨結(jié)晶形成的粒狀、柱狀或針狀碳體物構(gòu)成，通常呈現(xiàn)黑色或暗灰色。石油焦由碳?xì)浠衔锝M成，其中含碳 85%~97%，含氫 1.5%~8%，還含有氮、氯、硫及重金屬成分，其低熱值約為煤的 1.5~2 倍，具有 “一穩(wěn)、二低、三高”(性質(zhì)和組成比煤相對(duì)穩(wěn)定;低灰分、低揮發(fā)分;碳高、硫高、發(fā)熱量高)的特點(diǎn)。不過(guò)，石油焦氣化存在兩方面技術(shù)難點(diǎn)，一是石油焦的氣化反應(yīng)活性較差，導(dǎo)致氣化碳轉(zhuǎn)化率偏低，出氣化爐合成氣含塵量過(guò)大且灰渣比高，不利于裝置穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行;二是石油焦顆粒表面疏水性強(qiáng)，但石油焦?jié){穩(wěn)定性差、黏度較高。
為實(shí)現(xiàn)較高的氣化效率和良好的合成氣組分，水煤漿氣化對(duì)原料有特定要求，包括較好的成漿性、反應(yīng)活性、發(fā)熱量、可磨性，較低的灰熔點(diǎn)，較好的黏溫特性以及較低的灰分，具體煤質(zhì)要求如下：全水分(M?)≤16%，內(nèi)水≤10%，灰分(A?d)≥12%，揮發(fā)分(V?d)≥26%，成漿性濃度 60.0~65.0%，低位發(fā)熱量(Q???，??)≥21MJ?kg?1，硫(S?，?d)0.5~5.0%，流動(dòng)溫度(FT)1100~1300℃，可磨指數(shù)(HGI)≥50，氯 + 氟含量≤500×10??。
在成漿性方面，石油焦成漿性良好，成漿濃度普遍在 70% 左右，其表面強(qiáng)疏水性和較大真密度有利于提高成漿濃度，但高濃度石油焦?jié){體空間結(jié)構(gòu)緊密，無(wú)法像水煤漿一樣高效泵送霧化，制約了石油焦?jié){應(yīng)用。褐煤的摻配可增強(qiáng)漿體假塑性、提升穩(wěn)定性，但褐煤大量?jī)?nèi)水會(huì)降低成漿濃度，綜合考慮漿體流體特性、穩(wěn)定性和成漿濃度，當(dāng)煤焦比為 2:3 時(shí)，可制得濃度大于 60%、穩(wěn)定性較好、具有假塑性流體的褐煤焦?jié){。
反應(yīng)活性上，石油焦的氣化反應(yīng)活性遠(yuǎn)低于一般煤，甚至低于石墨，單獨(dú)氣化受到限制。熱壁式水煤漿氣化溫度受耐火材料承受溫度限制，無(wú)法在超過(guò) 1450℃時(shí)長(zhǎng)期運(yùn)行，反應(yīng)溫度提升幅度有限，摻燒添加劑是改善石油焦反應(yīng)活性的途徑之一，堿金屬 K、Na，堿土金屬 Ca 和過(guò)渡金屬 Fe 等元素對(duì)氣化反應(yīng)具有較高催化活性，選用富含這些金屬元素的工業(yè)廢料與石油焦混燒是操作性較強(qiáng)的解決方案。
灰熔點(diǎn)方面，石油焦的真實(shí)灰熔點(diǎn)通常高于 1400℃，對(duì)于熱壁式氣化爐，使用灰熔點(diǎn)高于 1400℃的原料時(shí)需添加助熔劑降低灰熔點(diǎn)，常用助熔劑有石灰石、氧化鐵等，且助熔劑種類和用量需根據(jù)石油焦特性調(diào)整。此外，石油焦灰分中微量的 Ni、V 等金屬元素在高溫下會(huì)沖蝕氣化爐耐火磚，縮短其使用壽命，將石油焦與低灰熔點(diǎn)的煤混燒，摻燒煤可作為 Ni、V 等化合物的載體，使其隨灰渣一起排出氣化爐。
黏溫特性上，水煤漿氣化在合適黏度范圍內(nèi)操作，既利于耐火磚表面形成灰渣保護(hù)層，又不致堵塞渣口，黏溫特性與灰熔點(diǎn)密切相關(guān)，最佳黏度控制在 15~40Pa?s。若石油焦黏溫曲線過(guò)陡，可通過(guò)添加助熔劑或 SiO?等組分調(diào)節(jié)，擴(kuò)寬黏溫區(qū)間;也可采用混煤方案，選用適當(dāng)煤種、調(diào)節(jié)摻煤比例，得到合適的黏溫曲線。
粉煤氣化能在比水煤漿氣化更高的反應(yīng)溫度下操作，對(duì)原料反應(yīng)活性相對(duì)不敏感，在灰渣中堿金屬作用下，可取得較高的單程碳轉(zhuǎn)化率，有利于提高石油焦反應(yīng)制氣效率。粉煤氣化工藝對(duì)煤質(zhì)要求如下：灰中 SiO?/Al?O?1.7~2.7，灰中 Fe?O?含量≤18%，灰熔點(diǎn)(FT)1300~1400℃，全水分(M?)≤2%，灰分(A?d)11.0~25.0%，硫(S?，?d)0.5~3.0%，可磨指數(shù)(HGI)40~170，氯 + 氟含量≤0.05×10??，揮發(fā)分(V??f)≤25%。
灰含量方面，粉煤氣化裝置反應(yīng)室采用 “以渣抗渣” 的水冷壁結(jié)構(gòu)，若灰分含量太低，氣化爐熱損大，不利于爐壁抗渣保護(hù)，影響使用壽命，水冷壁氣化爐原料灰分含量一般要求為 11%~25%，在此灰分下運(yùn)行，既能保證水冷壁正常掛渣，又能控制系統(tǒng)灰含量，減少設(shè)備管道和閥門(mén)磨損。但石油焦灰分含量很低，一般在 0.5% 左右，制約了其作為單一原料用于粉煤氣化，采用水冷壁結(jié)構(gòu)的水煤漿氣化裝置也存在同樣問(wèn)題。氣化石油焦時(shí)可摻燒來(lái)自燃煤電站的煤灰或高灰煤，優(yōu)先選用摻入高灰煤的方式避免灰渣循環(huán)，同時(shí)確保產(chǎn)生無(wú)浸析的渣。
灰熔點(diǎn)上，粉煤氣化技術(shù)原料使用性強(qiáng)，氣化爐內(nèi)溫度可達(dá) 1400~1700℃，適用于低氣化活性的石油焦做氣化原料，通過(guò)與高灰分、高氣化活性的原料煤混配，可提高入爐煤原料的適用性，提升氣化裝置運(yùn)行穩(wěn)定性。若石油焦灰熔點(diǎn)較高，制粉前應(yīng)添加一定比例的助熔劑(例如 CaCO?)降低灰熔點(diǎn)，同時(shí)改善熔渣流動(dòng)狀況，使水冷壁掛渣和氣化爐排渣順利進(jìn)行。
微量金屬元素方面，高硫石油焦中一般含有鉀、鉛、硅、鐵、釩、砷等微量金屬，其中硅、鐵、釩的含量能滿足粉煤氣化設(shè)計(jì)要求，但砷容易引起氣化過(guò)程中高壓高溫飛灰過(guò)濾器中的彈簧斷裂，還可能導(dǎo)致變換催化劑永久性中毒。
綜合來(lái)看，受限于石油焦低灰、高熔點(diǎn)的性質(zhì)，以石油焦為單一原料進(jìn)行粉煤氣化存在一定難度。通過(guò)合適的煤焦配比可制得滿足氣化要求的高濃度水焦?jié){;通過(guò)與煤、煤灰以及其他添加劑的摻燒，能有效改善石油焦的氣化活性，降低灰熔點(diǎn)，滿足氣化爐使用要求，水煤漿及粉煤氣化技術(shù)采用石油焦作為原料在技術(shù)層面完全可行。
為統(tǒng)一技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)范圍和比較基準(zhǔn)，粉煤氣化裝置和水煤漿氣化裝置合成氣產(chǎn)量均設(shè)定為 15.3×10?m3/h，分別對(duì)全煤工況、煤焦摻燒(7:3)工況和全焦工況進(jìn)行比較。設(shè)計(jì)范圍自原料煤進(jìn)入氣化裝置至合成氣經(jīng)洗滌除灰后送出氣化界區(qū)，主要包括原料制備、氣化、除渣、洗滌、灰水處理及公用工程等相關(guān)系統(tǒng)，不包括空分、石油焦的儲(chǔ)運(yùn)與預(yù)處理以及氣化下游的凈化裝置。
《2025-2030年中國(guó)石油焦市場(chǎng)專題研究及市場(chǎng)前景預(yù)測(cè)評(píng)估報(bào)告》顯示，碳轉(zhuǎn)化率是衡量氣化反應(yīng)深度的重要指標(biāo)，指合成氣中的碳元素含量與入爐碳元素含量的比值，碳轉(zhuǎn)化率高，則氣化反應(yīng)深度高、氣量多，氣化爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì);反之則運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)。通過(guò)對(duì)比不同工況的碳轉(zhuǎn)化率發(fā)現(xiàn)，隨著石油焦摻燒比例的提高，碳轉(zhuǎn)化率呈下降趨勢(shì)，因此在摻燒石油焦的比例上需加強(qiáng)管理，嚴(yán)格控制摻燒比例。此外，石油焦氣化過(guò)程的單程碳轉(zhuǎn)化率為 86%~90%，在工業(yè)實(shí)踐中可設(shè)計(jì)專門(mén)的灰渣循環(huán)系統(tǒng)，將大部分細(xì)灰返回到氣化爐中，從而將總碳轉(zhuǎn)化率提高到 95% 以上。
以石油焦為原料時(shí)，煤氣化裝置需應(yīng)對(duì)細(xì)渣、細(xì)灰產(chǎn)量增加的情況，適當(dāng)增大設(shè)備、管道的尺寸，提升細(xì)渣處理與輸送系統(tǒng)的處理能力。高硫石油焦氣化得到的合成氣中 H?S 含量高，CO 變換產(chǎn)生的 CO?也有一定程度增加，這使得酸性氣體脫除單元的吸收與解吸設(shè)備尺寸、溶劑循環(huán)量、溶劑再生能耗、溶劑輸送功耗等均有一定程度上升。同時(shí)，通過(guò)酸性氣體脫除單元富集的硫化氫總量將增加 3~5 倍，配套硫回收裝置能力需有較大程度提升。
從氣化技術(shù)方案對(duì)比來(lái)看，粉煤氣化裝置投資略高于水煤漿氣化方案，采用高硫石油焦與煤的混合原料相較于采用全煤為原料，裝置投資會(huì)因灰渣處理和設(shè)備、管道材質(zhì)升級(jí)而略有上升。
按照原料價(jià)格計(jì)算，粉煤氣化方案中，全煤工況的原料成本為 145.4 萬(wàn)元 /d，煤焦摻燒(7:3)工況的原料成本為 131 萬(wàn)元 /d;水煤漿氣化方案中，全煤工況的原料成本為 157.7 萬(wàn)元 /d，煤焦摻燒(7:3)工況的原料成本為 143.2 萬(wàn)元 /d，全焦工況的原料成本為 112.7 萬(wàn)元 /d。在相同產(chǎn)氣量工況下，石油焦摻燒比例越高，經(jīng)濟(jì)性越好。
高硫石油焦產(chǎn)量逐年增加，傳統(tǒng)利用方式存在污染問(wèn)題，不利于環(huán)保，且當(dāng)前石油焦生產(chǎn)過(guò)剩，轉(zhuǎn)化利用方式亟需創(chuàng)新。氣化技術(shù)作為能源清潔高效利用的綠色技術(shù)，雖受石油焦灰分低、灰熔點(diǎn)高、反應(yīng)活性較差等因素制約其在氣化裝置上的應(yīng)用，但利用石油焦摻燒氣化的方式，能有效改善石油焦氣化性能，是高效利用石油焦的可行途徑，在工業(yè)應(yīng)用中已得到實(shí)踐驗(yàn)證。
通過(guò)與煤、煤灰以及其他添加劑的摻燒，可有效改善石油焦的氣化性質(zhì)，滿足氣化爐的使用要求。從經(jīng)濟(jì)層面來(lái)看，石油焦摻燒會(huì)增加氣化裝置及凈化裝置投資，但在相同產(chǎn)氣量的工況下，石油焦摻燒能降低原料成本，且摻燒比例越高，原料成本優(yōu)勢(shì)越明顯，為石油焦行業(yè)投資提供了經(jīng)濟(jì)可行性支撐。
對(duì)于未來(lái)石油焦行業(yè)投資與發(fā)展，建議深入開(kāi)展石油焦氣化摻配方案研究，重點(diǎn)探究不同摻配比例的高硫石油焦在可磨性、粉體輸送特性、氣化反應(yīng)性等方面的性質(zhì)變化規(guī)律，從而找出不同類型氣化裝置合適的高硫石油焦摻配方案;同時(shí)，加強(qiáng)石油焦摻燒對(duì)氣化爐配套裝置影響的研究，以及高硫石油焦氣化產(chǎn)生的硫化氫和細(xì)灰對(duì)裝置影響的研究，為石油焦氣化技術(shù)的優(yōu)化升級(jí)和行業(yè)投資決策提供更全面的技術(shù)支撐，推動(dòng)石油焦行業(yè)朝著清潔、高效、經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展，助力 2025 年及未來(lái)石油焦行業(yè)投資實(shí)現(xiàn)良好效益。
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