石油焦的生產及石油焦制氫工藝分析

王學森

（中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086）

引言：隨著我國不斷發展，近些年超重質原油加工能力不斷增長，有效提高了煉油工業的經濟效益，通過原油加工可以有效保障國家能源安全，在原油加工的焦化過程中會產生接近原油加工量5%的石油焦，現階段石油焦的市場已經趨于飽和，但是石油焦的產量在不斷增加，因此需要不斷拓展石油焦的發展方向，現階段很多企業通過石油焦制氫工藝來優化能源結構，需要針對性分析石油焦制氫工藝的可行性，明確未來發展的方向進而解決石油焦供過于求的現狀。

一、石油焦的類型和特點分析

由于原油加工的焦化過程和原料存在一定的差異，導致石油焦的結構類型各有不同，一般可以分為海綿焦、針狀焦、流體焦、靈活焦、彈丸焦等等，石油焦的物理化學性質相對較為復雜，在石油焦的物理化學性質指標中主要包含孔隙率、熱膨脹率、揮發分、電阻率以及機械性能等等，不同類型的石油焦特點和用途各不相同，如金屬鑄造燃料、超高功率石墨電極、電石碳化硅生產等等，具體類型特點需要針對性進行分析。

（一）海綿焦

由于外形似海綿狀，且存在較多的孔隙，因此被稱為海綿焦，海綿焦主要是用于作為電極和燃料，屬于常規延遲焦化產品，質量分數可達到90%。

（二）針狀焦

針狀焦物理結構為細長晶體結構，通體呈銀灰色，主要是由于芳香性原料通過特殊延遲焦化條件產生，相比于其他石油焦針狀焦相對價值更高，其中焦炭中的針狀焦可以作為優質石墨在很多領域加以利用。

（三）流體焦

流體焦主要是作為燃料使用，屬于流化焦化產品，形似硬砂，硬度遠高于海綿焦，可以自由流動，以為凝聚態存在，一般直徑都不高于6.3mm，整體產量相對較高。

（四）靈活焦

靈活焦屬于石油焦二次加工后的產物，是流化焦氣化之后的產物，流化焦與靈活焦的轉換率極高，最高可達97%，靈活焦的整體顆粒尺寸較小，利用途徑也較少，需要逐漸拓展開發。

（五）彈丸焦

彈丸焦主要是作為低質燃料進行利用，彈丸焦的產生條件相對較為特殊，主要是在非正常工況或者不穩定條件下產生，一般彈丸焦的外形較大，具體大小為鉛球到籃球大小不等。

二、石油焦的用途分析

隨著原油加工能力不斷提升，石油焦的產量也隨之增長，現階段我國石油焦產能居世界第二，主要是生產低硫焦用于制造石墨冶煉鋁金屬等等，其中匯總還有石油焦產量占總量的7%左右，石油焦低揮發分高熱值的特點需要充分發掘，通過分析其利用途徑提升石油焦的經濟效益，現階段石油焦主要利用于冶金、燃料、發電、合成氣等方向，需要針對性進行分析[1]。

（一）冶金行業

現階段石油焦接近30%的產量用于冶金工業中的電極生產，首先對石油焦進行煅燒，將石油焦中的雜質去除，進而形成高強度高密度的焦炭，相比之下利用于冶金行業的石油焦有著較高的品質要求，因此價格相對較高，例如針狀焦、脫硫海綿焦等都是用于冶金行業。

（二）燃料

石油焦主要的組成元素為碳元素有著較高的熱值，因此石油焦大部分都是用作燃料來進行使用，相比于其他化石燃料，石油焦燃燒熱值在660J/g，不僅僅可以直接作為能源進行燃燒，也可以通過加工轉換成其他能源加以利用。

（三）發電

石油焦可以作為燃料進行發電，相比于其他化石燃料，石油焦的熱值更高，且燃燒更為充分，但是由于石油焦中的二氧化硫含量較高，因此需要在燃燒鍋爐中安裝二氧化硫控制排放裝置，避免造成大氣污染，相比于其他化石燃料，石油焦的成本更低經濟優勢更為明顯。

（四）合成氣

合成氣生產是石油焦未來發展的重要方向，天然氣以及石油焦、化石燃料等含碳原料都可以經過部分氧化反應形成合成氣，也就是一氧化碳或者氫氣，未來石油焦發展需要不斷發掘合成氣領域的價值，一般都是利用天然氣以輕石腦油等烴重整過程實現生產的，石油焦制氫工藝拓展了合成氣生產途徑，現階段已經有氣化聯合循環發電系統投入生產，通過發電廠和煉油廠的互補可以有效提升合成氣的生產效率和質量[2]。

三、石油焦制氫的可行性分析

現階段我國石油焦制氫工藝已經相對成熟，主要是通過氣化熱電聯合的形式進行生產，整體效率較高但是連續運行的周期短投資大，與石油化工長周期煉油系統適配性低，且流程復雜，很多技術相對落后需要通過引進才能滿足需求。

現階段我國煉油氫氣需求量逐年遞增，主要是由于原油變重和加氫精制生產清潔燃料需要大量的氫氣，氫氣不僅僅是化工冶金的原料，也是藕汁的清潔能源，是未來發展中重要的能源結構，在氫氣生產過程中需要消耗大量的石油焦，例如一座煉油廠如果原油加工能力為2000 萬t/a，如果配置6 萬t/a 的制氫設備則需要消耗超過30 萬t/a 的石油焦，因此可以有效解決石油焦供大于求的現象，且整體經濟價值更為優質[3]。

四、石油焦制氫工藝

在劣質原油的加工過程中會有大量的石油焦產生，而原料油以及下游產品的生產和預處理需要大量的氫氣作為原料，現階段很多西方發達國家都已經逐漸利用石油焦制氫工藝來進行氫氣生產，我國也積極在石油焦制氫工藝方面進行技術分析和創新，通過利用石油焦氣化裝置可以有效制造大量的氫氣，不僅可以拓展石油焦的利用方向，也能有效提升煉油廠的經濟效益，可謂一舉多得，具體石油焦制氫工藝現階段油。

石油焦制氫工藝現階段主要有三種形式，分別為GE 氣化工藝、多噴嘴對置氣化工藝、shell 固體氣化技術，這三種工藝各有優缺，需要結合自身實際情況科學選擇。

（一）GE 氣化工藝

相比于其他兩種氣化工藝，GE 氣化工藝相對而言更為高效，且氣體排放量更低，主要是通過利用氣化工藝進行發電，進而實現氫氣以及其他化工產品的生產，在醋酐、甲醇以及氨等生產中都有著廣泛的應用，現階段GE 氣化工藝在全行業內有著最為廣泛地使用，主要是由于GE 氣化工藝對很多外部環境的要求較低，可以針對一些高硫渣油或者石油焦進行生產，進而轉換成附加值更高的石油產品或者合成氣體產品，現階段GE 氣化工藝在煤氣聯合發電系統以及煤制合成氣方面有著較為成熟的技術，是我國國內主要的石油焦制氫工藝形式，相比于其他兩種石油焦制氫工藝，GE 氣化工藝開展較早，因此在技術優化和創新方面有著較為優質的表現，可以實現脫油瀝青、石油焦的低成本制氫工藝，GE 氣化工藝的具體操作為通過內襯耐火材料的汽化爐進行加熱加壓，將溫度提升到1200°C 以上，1500°C 以下，壓力控制在8.6Mpa 以下，2Mpa 以上，進而將石油焦進行氣化處理，在實際開展過程中，需要針對實際產品或者下游設備的實際需求進行壓力確定[3]。

（二）多噴嘴對置氣化工藝

相比與GE 氣化工藝，多噴嘴對置氣化工藝更為系統，是通過將水煤漿氣進行氣化處理，進而產生混合氣，主要的原料為水煤漿以及純氧，整個技術流程相對較為復雜，需要注意進行磨煤作業，并對氣體進行初步的進化處理，整個多噴嘴對置氣化工藝中存在很多技術創新點，例如多噴嘴對置氣體流床汽化爐的設計、復合床型的洗滌冷卻室以及洗滌冷卻水分布器的創新、預制膜式的水煤漿氣化噴嘴、初步凈化工藝以及接觸式含渣水處理系統等等，相對而言，多噴嘴對置氣化工藝的氣化效率更優質，但是由于成本更高且操作難度更大，上需要不斷研發優化進而實現推廣利用。

（三）shell 固體氣化技術

在所有制氫工藝中，shell 固體氣化技術最為特別，是通過干法制氫實現的，相對而言shell 固體氣化技術對溫度和壓力的要求更高，需要溫度在1500°C 以上，壓力在25Mpa 以上，同時需要注意排渣系統的設計，相比于其他制氫工藝而言，shell 固體氣化技術的氧氣消耗量最低，石油焦的利用率最高，整體污染氣體排放量滿足國家要求，但是由于能耗較高，且對氣化爐的要求較高導致無法被廣泛使用，現階段在石油焦制氫工藝中，需要注意混合料的摻焦比例，并需要分析氣化運行參數、脫酸能力等不斷進行優化。

五、石油焦制氫工藝中的技術重點分析

（一）水汽變換單元

在石油焦制氫工藝中水汽變換工藝的選擇極為重要，主要與原料、石油焦制氫工藝、催化劑選擇以及后續凈化工藝選擇有關，因此在選擇水汽變換工藝時，需要綜合考量多種因素，不能僅依靠技術經驗盲目進行選擇，目前有耐硫變換工藝、低水氣比變換工藝，耐硫變換工藝是利用水激冷的形式來對氣的溫度進行變換，進而滿足三段變換爐對氣體溫度的要求磨碎后進行預熱器換熱后經氣液分離、冷凝器、洗滌分離器等設備，將蒸汽泵送到氣化單元，而低水氣比變換工藝則主要是將合成氣通過水分離、除塵除雜后借助變換氣換熱，通過給水降溫增濕以滿足三段變化爐所需要的水氣比，這兩種方式各有優缺，需要結合實際情況進行選擇[4]。

（二）石油焦制氫工藝中的溫度和壓強控制

不同的石油焦制氫工藝需要的溫度和壓強相差較大，而溫度和壓強直接關系到石油焦制氫工藝的效率質量以及安全問題，因此在采用不同技術的時候需要嚴格控制溫度和壓強，同時在選擇GE 水煤漿氣化工藝時需要注意騰涌現象和液位控制，且GE 水煤漿氣化工藝會出現結構現象，進而導致換熱效果不盡人意，不能有效對溫度進行控制。

（三）穩定劑的使用

隨著水焦漿的固體濃度不斷增長流變指數會隨之降低，當加入穩定劑之后水焦漿的流變指數會全部下降，進而形成假塑性流體因此在使用穩定劑的時候一定要定量使用，科學分析水焦漿的粘度科學使用。

六、石油焦制氫工藝發展過程中存在的問題及解決措施

（一）石油焦制氫工藝的規模化發展

由于石油焦制氫工藝的相關設備很多都需要引進，所以投資成本較高，整體需要達到一定的規模才能保證經濟收益，因此現階段石油焦制氫工藝整體規模相對較小，需要不斷加強自主研發進而降低石油焦制氫工藝相關設備的成本，科學制定石油焦制氫工藝方案，提升經濟收益，逐步實現石油焦制氫工藝規模化發展。

（二）石油焦制氫工藝的技術創新

現階段由于石油焦的組成成分與其他化石燃料存在較多差異，因此在制氫工藝方面技術能力有限，需要不斷提升石油焦水漿的穩定性和濃度，并通過技術創新逐漸提升氫氣分離效率以及濃度，可以通過膜分離技術結合汽化爐技術實現，據不完全統計，通過這種聯合技術可以有效提升40%左右的氫氣生成效率，同時需要注意優化石油焦氣化的活性，如果能通過技術創新解決這三個問題，可以有效提升石油焦制氫的效率和質量，現階段技術優化尚有很大的發展空間。

（三）技術人員問題

石油焦制氫工藝對技術人員的專業性有著較高的要求，但是現階段在人員隊伍建設方面尚有不足，很多領域存在人員缺口，部分領域人才裕度較大，需要不斷優化人才架構，進而有效提升石油焦制氫質量和效率。

總結：現階段石油焦制氫工藝主要有GE 氣化工藝、多噴嘴對置氣化工藝、shell 固體氣化技術三種，三種技術各有優缺，在技術開展過程中需要注意水汽轉換單元的控制以及溫度和壓力的控制，不斷進行技術優化和技術創新，深度發掘石油焦的經濟價值。