石油焦的生产及石油焦制氢工艺分析

王学森

（中海油惠州石化有限公司，广东 惠州 516086）

引言：随着我国不断发展，近些年超重质原油加工能力不断增长，有效提高了炼油工业的经济效益，通过原油加工可以有效保障国家能源安全，在原油加工的焦化过程中会产生接近原油加工量5%的石油焦，现阶段石油焦的市场已经趋于饱和，但是石油焦的产量在不断增加，因此需要不断拓展石油焦的发展方向，现阶段很多企业通过石油焦制氢工艺来优化能源结构，需要针对性分析石油焦制氢工艺的可行性，明确未来发展的方向进而解决石油焦供过于求的现状。

一、石油焦的类型和特点分析

由于原油加工的焦化过程和原料存在一定的差异，导致石油焦的结构类型各有不同，一般可以分为海绵焦、针状焦、流体焦、灵活焦、弹丸焦等等，石油焦的物理化学性质相对较为复杂，在石油焦的物理化学性质指标中主要包含孔隙率、热膨胀率、挥发分、电阻率以及机械性能等等，不同类型的石油焦特点和用途各不相同，如金属铸造燃料、超高功率石墨电极、电石碳化硅生产等等，具体类型特点需要针对性进行分析。

（一）海绵焦

由于外形似海绵状，且存在较多的孔隙，因此被称为海绵焦，海绵焦主要是用于作为电极和燃料，属于常规延迟焦化产品，质量分数可达到90%。

（二）针状焦

针状焦物理结构为细长晶体结构，通体呈银灰色，主要是由于芳香性原料通过特殊延迟焦化条件产生，相比于其他石油焦针状焦相对价值更高，其中焦炭中的针状焦可以作为优质石墨在很多领域加以利用。

（三）流体焦

流体焦主要是作为燃料使用，属于流化焦化产品，形似硬砂，硬度远高于海绵焦，可以自由流动，以为凝聚态存在，一般直径都不高于6.3mm，整体产量相对较高。

（四）灵活焦

灵活焦属于石油焦二次加工后的产物，是流化焦气化之后的产物，流化焦与灵活焦的转换率极高，最高可达97%，灵活焦的整体颗粒尺寸较小，利用途径也较少，需要逐渐拓展开发。

（五）弹丸焦

弹丸焦主要是作为低质燃料进行利用，弹丸焦的产生条件相对较为特殊，主要是在非正常工况或者不稳定条件下产生，一般弹丸焦的外形较大，具体大小为铅球到篮球大小不等。

二、石油焦的用途分析

随着原油加工能力不断提升，石油焦的产量也随之增长，现阶段我国石油焦产能居世界第二，主要是生产低硫焦用于制造石墨冶炼铝金属等等，其中汇总还有石油焦产量占总量的7%左右，石油焦低挥发分高热值的特点需要充分发掘，通过分析其利用途径提升石油焦的经济效益，现阶段石油焦主要利用于冶金、燃料、发电、合成气等方向，需要针对性进行分析[1]。

（一）冶金行业

现阶段石油焦接近30%的产量用于冶金工业中的电极生产，首先对石油焦进行煅烧，将石油焦中的杂质去除，进而形成高强度高密度的焦炭，相比之下利用于冶金行业的石油焦有着较高的品质要求，因此价格相对较高，例如针状焦、脱硫海绵焦等都是用于冶金行业。

（二）燃料

石油焦主要的组成元素为碳元素有着较高的热值，因此石油焦大部分都是用作燃料来进行使用，相比于其他化石燃料，石油焦燃烧热值在660J/g，不仅仅可以直接作为能源进行燃烧，也可以通过加工转换成其他能源加以利用。

（三）发电

石油焦可以作为燃料进行发电，相比于其他化石燃料，石油焦的热值更高，且燃烧更为充分，但是由于石油焦中的二氧化硫含量较高，因此需要在燃烧锅炉中安装二氧化硫控制排放装置，避免造成大气污染，相比于其他化石燃料，石油焦的成本更低经济优势更为明显。

（四）合成气

合成气生产是石油焦未来发展的重要方向，天然气以及石油焦、化石燃料等含碳原料都可以经过部分氧化反应形成合成气，也就是一氧化碳或者氢气，未来石油焦发展需要不断发掘合成气领域的价值，一般都是利用天然气以轻石脑油等烃重整过程实现生产的，石油焦制氢工艺拓展了合成气生产途径，现阶段已经有气化联合循环发电系统投入生产，通过发电厂和炼油厂的互补可以有效提升合成气的生产效率和质量[2]。

三、石油焦制氢的可行性分析

现阶段我国石油焦制氢工艺已经相对成熟，主要是通过气化热电联合的形式进行生产，整体效率较高但是连续运行的周期短投资大，与石油化工长周期炼油系统适配性低，且流程复杂，很多技术相对落后需要通过引进才能满足需求。

现阶段我国炼油氢气需求量逐年递增，主要是由于原油变重和加氢精制生产清洁燃料需要大量的氢气，氢气不仅仅是化工冶金的原料，也是藕汁的清洁能源，是未来发展中重要的能源结构，在氢气生产过程中需要消耗大量的石油焦，例如一座炼油厂如果原油加工能力为2000 万t/a，如果配置6 万t/a 的制氢设备则需要消耗超过30 万t/a 的石油焦，因此可以有效解决石油焦供大于求的现象，且整体经济价值更为优质[3]。

四、石油焦制氢工艺

在劣质原油的加工过程中会有大量的石油焦产生，而原料油以及下游产品的生产和预处理需要大量的氢气作为原料，现阶段很多西方发达国家都已经逐渐利用石油焦制氢工艺来进行氢气生产，我国也积极在石油焦制氢工艺方面进行技术分析和创新，通过利用石油焦气化装置可以有效制造大量的氢气，不仅可以拓展石油焦的利用方向，也能有效提升炼油厂的经济效益，可谓一举多得，具体石油焦制氢工艺现阶段油。

石油焦制氢工艺现阶段主要有三种形式，分别为GE 气化工艺、多喷嘴对置气化工艺、shell 固体气化技术，这三种工艺各有优缺，需要结合自身实际情况科学选择。

（一）GE 气化工艺

相比于其他两种气化工艺，GE 气化工艺相对而言更为高效，且气体排放量更低，主要是通过利用气化工艺进行发电，进而实现氢气以及其他化工产品的生产，在醋酐、甲醇以及氨等生产中都有着广泛的应用，现阶段GE 气化工艺在全行业内有着最为广泛地使用，主要是由于GE 气化工艺对很多外部环境的要求较低，可以针对一些高硫渣油或者石油焦进行生产，进而转换成附加值更高的石油产品或者合成气体产品，现阶段GE 气化工艺在煤气联合发电系统以及煤制合成气方面有着较为成熟的技术，是我国国内主要的石油焦制氢工艺形式，相比于其他两种石油焦制氢工艺，GE 气化工艺开展较早，因此在技术优化和创新方面有着较为优质的表现，可以实现脱油沥青、石油焦的低成本制氢工艺，GE 气化工艺的具体操作为通过内衬耐火材料的汽化炉进行加热加压，将温度提升到1200°C 以上，1500°C 以下，压力控制在8.6Mpa 以下，2Mpa 以上，进而将石油焦进行气化处理，在实际开展过程中，需要针对实际产品或者下游设备的实际需求进行压力确定[3]。

（二）多喷嘴对置气化工艺

相比与GE 气化工艺，多喷嘴对置气化工艺更为系统，是通过将水煤浆气进行气化处理，进而产生混合气，主要的原料为水煤浆以及纯氧，整个技术流程相对较为复杂，需要注意进行磨煤作业，并对气体进行初步的进化处理，整个多喷嘴对置气化工艺中存在很多技术创新点，例如多喷嘴对置气体流床汽化炉的设计、复合床型的洗涤冷却室以及洗涤冷却水分布器的创新、预制膜式的水煤浆气化喷嘴、初步净化工艺以及接触式含渣水处理系统等等，相对而言，多喷嘴对置气化工艺的气化效率更优质，但是由于成本更高且操作难度更大，上需要不断研发优化进而实现推广利用。

（三）shell 固体气化技术

在所有制氢工艺中，shell 固体气化技术最为特别，是通过干法制氢实现的，相对而言shell 固体气化技术对温度和压力的要求更高，需要温度在1500°C 以上，压力在25Mpa 以上，同时需要注意排渣系统的设计，相比于其他制氢工艺而言，shell 固体气化技术的氧气消耗量最低，石油焦的利用率最高，整体污染气体排放量满足国家要求，但是由于能耗较高，且对气化炉的要求较高导致无法被广泛使用，现阶段在石油焦制氢工艺中，需要注意混合料的掺焦比例，并需要分析气化运行参数、脱酸能力等不断进行优化。

五、石油焦制氢工艺中的技术重点分析

（一）水汽变换单元

在石油焦制氢工艺中水汽变换工艺的选择极为重要，主要与原料、石油焦制氢工艺、催化剂选择以及后续净化工艺选择有关，因此在选择水汽变换工艺时，需要综合考量多种因素，不能仅依靠技术经验盲目进行选择，目前有耐硫变换工艺、低水气比变换工艺，耐硫变换工艺是利用水激冷的形式来对气的温度进行变换，进而满足三段变换炉对气体温度的要求磨碎后进行预热器换热后经气液分离、冷凝器、洗涤分离器等设备，将蒸汽泵送到气化单元，而低水气比变换工艺则主要是将合成气通过水分离、除尘除杂后借助变换气换热，通过给水降温增湿以满足三段变化炉所需要的水气比，这两种方式各有优缺，需要结合实际情况进行选择[4]。

（二）石油焦制氢工艺中的温度和压强控制

不同的石油焦制氢工艺需要的温度和压强相差较大，而温度和压强直接关系到石油焦制氢工艺的效率质量以及安全问题，因此在采用不同技术的时候需要严格控制温度和压强，同时在选择GE 水煤浆气化工艺时需要注意腾涌现象和液位控制，且GE 水煤浆气化工艺会出现结构现象，进而导致换热效果不尽人意，不能有效对温度进行控制。

（三）稳定剂的使用

随着水焦浆的固体浓度不断增长流变指数会随之降低，当加入稳定剂之后水焦浆的流变指数会全部下降，进而形成假塑性流体因此在使用稳定剂的时候一定要定量使用，科学分析水焦浆的粘度科学使用。

六、石油焦制氢工艺发展过程中存在的问题及解决措施

（一）石油焦制氢工艺的规模化发展

由于石油焦制氢工艺的相关设备很多都需要引进，所以投资成本较高，整体需要达到一定的规模才能保证经济收益，因此现阶段石油焦制氢工艺整体规模相对较小，需要不断加强自主研发进而降低石油焦制氢工艺相关设备的成本，科学制定石油焦制氢工艺方案，提升经济收益，逐步实现石油焦制氢工艺规模化发展。

（二）石油焦制氢工艺的技术创新

现阶段由于石油焦的组成成分与其他化石燃料存在较多差异，因此在制氢工艺方面技术能力有限，需要不断提升石油焦水浆的稳定性和浓度，并通过技术创新逐渐提升氢气分离效率以及浓度，可以通过膜分离技术结合汽化炉技术实现，据不完全统计，通过这种联合技术可以有效提升40%左右的氢气生成效率，同时需要注意优化石油焦气化的活性，如果能通过技术创新解决这三个问题，可以有效提升石油焦制氢的效率和质量，现阶段技术优化尚有很大的发展空间。

（三）技术人员问题

石油焦制氢工艺对技术人员的专业性有着较高的要求，但是现阶段在人员队伍建设方面尚有不足，很多领域存在人员缺口，部分领域人才裕度较大，需要不断优化人才架构，进而有效提升石油焦制氢质量和效率。

总结：现阶段石油焦制氢工艺主要有GE 气化工艺、多喷嘴对置气化工艺、shell 固体气化技术三种，三种技术各有优缺，在技术开展过程中需要注意水汽转换单元的控制以及温度和压力的控制，不断进行技术优化和技术创新，深度发掘石油焦的经济价值。