基于石油焦浆体燃料的发展现状

李弯弯

（陕西煤业化工新型能源有限公司神木分公司，陕西榆林719300）

能源与环境一直是人类关注的焦点。上世纪70年代由于石油危机的爆发，促使世界各国纷纷开始研究新的能源替代品，特别是石油资源匮乏而又以石油为主要燃料的国家。浆体燃料是为了实现煤的管道运输或替代燃料油而出现的，又以煤浆最为常见。煤浆中以油煤浆和水煤浆研究的较多，为适应不同需要而产生其它浆体燃料也日益受到重视。因此，基于石油焦的浆体燃料技术应运而生，也为我国能源的综合利用与和谐发展开拓了新途径。

随着世界经济的发展，石油的需求量日益增加，加之原油深加工的发展和世界原油的重质化，导致石油焦的产量不断增加。因此，如何合理利用石油焦，尤其是高硫焦，便成为日益关注的课题。

石油焦是由延迟焦化装置产生的黑色或暗灰色坚硬固体石油副产物，其产量约为燃料油的25%～30%。石油焦带有金属光泽，呈多孔性，通常具有低灰分、高挥发分、高热值等特点，并且资源广泛，价格低廉，可通过燃烧或气化的方式加以利用。石油焦作为燃料的研究已有很多报道[1-2]，主要用于水泥窑或锅炉燃料。国内外对石油焦的气化反应也有许多研究[3-4]，主要是将石油焦气化制造合成气或用于蒸汽发电。

根据所用介质不同，浆体燃料可分为油焦浆、水焦浆、油水焦浆、水煤焦浆，可广泛应用于电站锅炉、工业锅炉和工业窑炉代油、代煤燃烧，亦可作为气化原料。

1 油焦浆

油焦浆是将石油焦固体颗粒、柴油和添加剂经过特殊途径混制而成的石油替代品。它是由30%～60%的石油焦粉、40%～70%的重油（或煤焦油）和微量化学添加剂组成。日本的石川岛播磨公司曾尝试过在燃油锅炉中混烧石油焦和重油[5]，即在燃油锅炉中增设石油焦粉燃烧器，而在该燃烧器四周则布置几个重油燃烧器，采用重油火焰加热喷进炉内的石油焦粉和空气混合物的方法，使石油焦粉着火燃烧。美国Cherven公司则对浓度为40%的石油焦柴油浆在油轮低速柴油机上进行了运转实验[6]。孙保华[7]提出了环保节能燃料油焦浆替代重油作为浮法窑炉的燃料，通过增加供油泵、供油管路、回油管路、换向和燃烧系统使焦浆着火燃烧，发现油焦浆的燃烧速度与重油基本相同，并以600吨/天的浮法玻璃生产线使用油焦浆进行经济分析。使用油焦浆作为燃料，与直接使用重油相比，全年节约1 920万元；与直接使用煤焦油相比，全年可节省780万元。因此油焦浆不仅可以抵御重油价格攀升带来的压力，还可降低生产成本。贾海龙等[8]在回转窑上进行了油焦浆应用试验，对高温氧化铝质量和窑尾废气等进行了系统检测。试验结果表明：油焦浆对高温氧化铝产品质量没有不良影响，在高温炉内能正常雾化和完全燃烧，并且高温窑炉窑头温度、压力等参数与使用重油相比变化不大。据报道，盐城市大热能机械制造有限公司运用多年来的技术成果在燃油熔铝炉上成功应用，一举破解了困扰铝熔铸行业的节能难题。油焦浆热值高，但如油煤浆一样，尚存在粘度大、成本高、代油率低等问题。

2 水焦浆

水焦浆是以固体石油焦为主要原料，即由70%左右的石油焦、30%左右的水和1%左右的添加剂混合制成的一种新型液体燃料。其雾化形态类似于水煤浆，具有灰分低（0.2%～1.4%）、流动性好、稳定性好、热值高等特点，且生产和使用过程不污染环境。

1985年，意大利热核研究中心尝试将石油焦和水混合制成石油焦水浆来进行燃烧，试验中需使用占热负荷5%的煤气作辅助燃料，结果碳的转化率不高，为83%～85%[9]。我国研究水焦浆的时间也不长。2002年，北京华宇工程有限公司承接了广东某炼化企业的水焦浆系统工程设计，工程内容包括年产100 kt水焦浆生产系统；改造1台130 t/h由原烧油改为烧水焦浆锅炉；配套设计水焦浆的卸船、输浆、储浆及炉前供浆系统和配电、控制、水处理等辅助系统。该工程于2003年12月进行制浆、燃烧工程调试，目前已生产出优质的水焦浆4 000余吨并送入锅炉成功燃烧，达到设计预期目标[10]。“十五”期间，迪森公司投入近五千万元，率先成功开发了新型清洁能源乳化焦浆（简称EGC）代油节能技术，突破了EGC国际行业性技术难题，2006年通过了中石油辽河油田投产鉴定和广东省科技厅科技成果鉴定。2010年科技部高新司组织专家在广州市召开了“十一五”国家科技支撑计划项目“乳化焦浆/油（EGC）代油节能技术研究与应用示范”的验收会，最终该项目通过验收。乳化焦浆技术在辽河油田用2 t乳化焦浆装置置换1 t原油的试验取得成功。广州珠江化工集团溶剂厂10 T重油锅炉改造为EGC锅炉，锅炉热效率提高了5%，燃料成本节约49.4%，综合节能率为54.4%，SO2、NOx烟尘排放量也下降。目前，水焦浆的工程处于起步阶段，一般以小型工程为主。

杨国军[11]利用现有的油田水煤浆50万t/a水煤浆生产工艺进行了水焦浆工业化制备试验研究，若将原有的注汽锅炉进行改造后，通过掺烧石油焦来替代50%的原有消耗，每年直接节省燃料费用达1 589.8万元。

3 油水焦浆

油水焦浆是在水焦浆的基础上发展起来的，是由固体石油颗粒、水、燃料油以及添加剂组成。它克服了油焦浆粘度高、水焦浆热值低的特点，同时所含灰分低，可以直接用于燃油锅炉，对锅炉和喷嘴的改造幅度较小[12]。由于油水焦浆的内相为两相物质（石油焦和另一种液体），其稳定性机理有所变化，稳定因素也有所增加。一般来说，石油焦含量越多，粒度越细，料浆稳定性越好，但流动性差；油含量越高，料浆则越容易流动，雾化粒度直径越小，但浆体成本高。国内对这方面的研究才刚刚起步。

刘和家[13]等通过一系列的实验确定了高温隧道窑的油水焦中重油、水焦浆和乳化液所占的含量为50%、38%和12%。通过研究得知，增加重油加入量，油水焦浆的燃烧热值、燃烧产物量、理论燃烧温度和实际燃烧温度都不断增加。预热600℃的油水焦浆的燃烧温度可达到1 800℃以上，预热400℃、重油加入量大于50%的油水焦浆的燃烧温度可达到1 750℃以上。

王涛[14]根据油泥和石油焦的性质，研究了油水焦浆的成浆性能。结果表明：降粘后油泥添加量为20%～25%，制备的油焦水浆表观粘度均在1 000 mPa·s以下，且具有良好的流动性，成浆性较好；在不添加稳定剂的情况下，30 d内未发生硬沉淀或分层现象，具有较高的稳定性。

贺龙[15]通过对锅炉的飞灰曲线模拟得出，油焦水浆的灰分主要集中在卧式锅炉的辐射段以及对流段。通过在辐射段增加交叉式U型吹灰管，在对流段增加人工O型吹灰系统，进行不同周期性的除灰，不仅吹除了油焦水浆少量的灰分，保证锅炉安全运行，而且提高了燃料的燃烧效率，具有较好的现场试验结果。

4 水煤焦浆

由于我国煤炭资源充足，水煤浆技术也已实现工业化。水煤焦浆是在水煤浆的基础上发展起来的，它是利用低灰分煤和石油焦按一定比例混合,然后添加定量的分散剂、稳定剂制备的一种新型石油替代产品。水煤焦浆具有热值较高、灰分较低、挥发分高、流动性好、稳定性强、生产成本低、易燃烧等特点。水煤焦浆的研究仍处于初始阶段。

韩广东等[16]研究了煤焦配比、稳定剂、温度等对水煤焦浆的成浆性能影响。结果表明：当煤焦比为1∶2或2∶3，分散剂的加入量为0.7%，稳定剂的加入量为0.5‰，温度为60℃，水煤焦浆的成浆性能最佳，此时稳定时间为21天，黏度为900 mPa·s。

王正东等[17]研究发现，水煤焦浆的灰分不能直接用于现有的燃油锅炉，需增加除灰装置。通过对燃料灰分的模拟，得出卧式燃油锅炉的积灰主要集中在对流段和辐射段。针对2个区域进行了不同的改造设计，并对吹灰管等设备进行了设计布置，通过现场试验证明效果良好。

5 结束语

石油焦浆直接作为燃料使用具有热值高、灰分少、简化了出渣和除灰系统、免除了结渣带来的烦恼等特点。虽然石油焦的硫含量和氮含量较高，但是只要配备好脱硫脱硝装置，就可以确保环保指标达标。从长远来看，石油焦浆体燃料是一种值得大力推广的洁净煤技术。但是目前关于焦浆燃料的技术还不够成熟，仍存在一些问题，有待化学和化工工作者继续深入研究，例如：①石油焦制得的浆体易成胀流体，稳定性较差；②所用的添加剂大都为水煤浆添加剂，缺乏石油焦浆专用添加剂；③尚未清楚成浆过程中的许多机理,如:石油焦颗粒内部的孔隙结构形式、孔隙尺寸、比表面积和孔容积等微观物理特性以及石油焦的表面特性、化学成分和粒度分布对成浆浓度的影响规律等；④石油焦浆的流变特性、物化特性、燃烧特性及产品竞争力还有待于进一步优化。