沙特高硫石油焦發(fā)電方案探討

劉洪濤，薛利，胥登峰

(山東電力基本建設總公司，山東濟南250014)

沙特高硫石油焦發(fā)電方案探討

劉洪濤，薛利，胥登峰

(山東電力基本建設總公司，山東濟南250014)

沙特高硫石油焦用于發(fā)電可行的技術(shù)方法主要有整體氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電和循環(huán)流化床發(fā)電兩種。對高硫石油焦IGCC發(fā)電和CFB發(fā)電的工藝流程、技術(shù)特點及存在的問題分別進行討論，并進行了對比分析。實際方案選擇時，需根據(jù)業(yè)主的投資能力、輸出產(chǎn)品要求、環(huán)保及方案特點，并結(jié)合當?shù)氐膶嶋H情況，選定適宜的發(fā)電方案。

石油焦;IGCC;CFB;發(fā)電

0 引言

石油焦是原油蒸餾后的重油(渣油)經(jīng)延遲焦化工藝生成輕油過程的副產(chǎn)品。從外觀上看，石油焦為形狀不規(guī)則、大小不一的黑色塊狀或顆粒，有金屬光澤，具有多孔結(jié)構(gòu)。其主要成分為C，占80%以上，其余的為H、O、N、S和金屬元素，具有高發(fā)熱量、高碳含量、低灰分、低揮發(fā)分等特點。按照硫含量的不同，石油焦可分為低硫焦(含量低于3%)和高硫焦(含量高于3%)［1］。低硫焦可用于制作石墨電極或碳素制品，用于鋼鐵行業(yè)和電解鋁行業(yè)，又稱碳素級石油焦;高硫焦因硫含量過高，不能用于電解鋁、碳素行業(yè)等，主要用做燃料，因而又稱燃料級石油焦，在電廠、水泥廠、玻璃廠、煉廠等行業(yè)應用［2］，但燃燒時排放大量的SOx、NOx等污染物，限制了高硫石油焦的大規(guī)模利用。

沙特阿拉伯是世界頭號產(chǎn)油國，擁有著全球最多的石油儲備。隨著原油加工量的上升，其煉油石油焦產(chǎn)量持續(xù)增長，但由于劣質(zhì)原油和重質(zhì)原油產(chǎn)量不斷上升，其原油質(zhì)量持續(xù)下降，燃料級石油焦產(chǎn)量增長較快。對沙特石油焦用于發(fā)電的方案進行了研究，分析對比石油焦IGCC發(fā)電和CFB發(fā)電兩種方案，旨在為相關(guān)研究提供參考。

1 石油焦分析

該項目石油焦取自附近兩座煉油廠，每座煉油廠日產(chǎn)石油焦約6000t。石油焦元素分析及其他分析結(jié)果見表1和表2。

表1 石油焦元素分析結(jié)果(以收到基計)wt%

表2 石油焦其他分析結(jié)果

由石油焦的揮發(fā)分、水分、灰分及發(fā)熱量判斷，該石油焦性質(zhì)與III類無煙煤接近;由哈式可磨性指數(shù)HGI判斷，該石油焦屬非難磨燃料;由硫含量判斷，該石油焦屬高硫焦。與煤相比，石油焦具有三高、兩低的特點，即碳含量高、硫分含量高、熱值高、灰分低、揮發(fā)分低。

高硫石油焦因硫含量較高，一般只能用作工業(yè)燃料，但利用過程中會產(chǎn)生大量的硫、氮大氣污染物。因此，理想的高硫石油焦利用途徑必須考慮高效、清潔。結(jié)合目前國內(nèi)外開發(fā)的高硫石油焦清潔利用技術(shù)，以及項目業(yè)主提出的發(fā)電+供汽的產(chǎn)品輸出要求，可行的技術(shù)方案主要為整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)技術(shù)和循環(huán)流化床(CFB)技術(shù)兩種。

2 IGCC發(fā)電方案

石油焦IGCC發(fā)電方案的工藝流程大致為:石油焦經(jīng)氣化爐高溫氣化后產(chǎn)生粗合成氣，設置合成氣凈化系統(tǒng)對粗合成氣進行脫硫除塵得到凈化合成氣，采用凈化合成氣作燃氣輪機燃料進行發(fā)電，并設置余熱鍋爐回收燃氣輪機高溫排氣產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動蒸汽輪機發(fā)電，具體流程見圖1。該方案具有發(fā)電效率高、環(huán)保特性突出、耗水量少以及多聯(lián)產(chǎn)的特點，以圖1為例可以同時輸出電力、蒸汽、氣體產(chǎn)品和合成氣，將其與煉油及化工工藝結(jié)合，發(fā)電、產(chǎn)汽的同時還能實現(xiàn)制氫、合成氨、制甲醇等［3－4］。

圖1 高硫石油焦IGCC發(fā)電流程示意

自20世紀90年代美國和歐洲IGCC示范電站商業(yè)運行以來，IGCC發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，其中與煉廠配套的IGCC電站已有十余所［5］。高硫石油焦IGCC發(fā)電方案的難點在于石油焦氣化工藝。高硫石油焦氣化技術(shù)的開發(fā)與應用，是建立在成熟的煤氣化工藝基礎上的。由于石油焦灰分較少，一般不宜采用干法氣化技術(shù)，較宜采用濕法氣化技術(shù)，其中GE公司的濕法氣化技術(shù)應用尤為廣泛。由于石油焦三高、兩低的性質(zhì)特點，石油焦?jié)穹饣膬蓚€關(guān)鍵問題，主要集中在焦成漿性能和焦氣化性能兩個方面［6］。

衡量石油焦成漿性能的主要指標主要有三個:成漿濃度、粘度和穩(wěn)定性。實踐證明，石油焦水漿的成漿濃度較高，但穩(wěn)定性較差，因而如何提高石油焦?jié){穩(wěn)定性、調(diào)整焦?jié){粘度是石油焦氣化首先要解決的重要問題。目前，常用加入穩(wěn)定劑(如萘硫酸鈉甲醛縮合物、聚羧酸、木質(zhì)素磺酸鈉等)的方法進行解決。此外，利用褐煤成漿穩(wěn)定性好的特點，在焦氣化原料中添加部分褐煤，也是目前已被廣泛工業(yè)應用的技術(shù)方法。

研究表明，極低的礦物含量、較低的比表面積和孔體積是制約石油焦氣化活性的主因，而前者更被認為是首要原因［7］。金屬離子(如鐵、鈣、鎂、鉀、鈉等)對含碳物料的氣化反應過程有良好的催化作用，而石油焦中灰分含量極低，其對氣化反應的催化作用較弱，石油焦氣化反應活性及可燃性較差。添加堿金屬、堿土金屬、過渡金屬催化劑可不同程度提高石油焦的氣化性能［8］，但考慮到經(jīng)濟和環(huán)境因素，采用以上催化劑的方法較難實施，同時存在催化劑回收困難的問題，而可棄催化劑又存在催化活性不高和催化效果差異大的問題，因而石油焦催化氣化尚處研究階段［9］。目前較成熟的方法是石油焦與煤/生物質(zhì)共氣化。

3 CFB發(fā)電方案

石油焦發(fā)熱量是普通煤的1.5～1.8倍，且灰分較少，可作為普通煤粉鍋爐燃料和循環(huán)流化床鍋爐燃料。相關(guān)研究表明，將石油焦制成焦粉在煤粉爐中燃燒時，因石油焦低揮發(fā)分和高硫分的特點，燃燒效果不理想，煤粉鍋爐摻燒石油焦基本可行，但難度較大，不宜推廣。相比煤粉爐，循化流化床鍋爐在燃用石油焦方面具有極大優(yōu)勢。循環(huán)流化床鍋爐具有燃料適應性強，能夠燃用一切種類的燃料，其燃燒溫度低，燃料停留時間長，具有較高的燃燒效率，尤其是對于低揮發(fā)分和難以燃盡的燃料。

高硫石油焦CFB發(fā)電方案的工藝流程大致為:石油焦與石灰石破碎后經(jīng)給料裝置送入CFB爐膛，被循環(huán)的高溫物料加熱并燃燒，石灰石作為脫硫劑的同時又充當了床料;一次風經(jīng)空氣預熱器預熱后從爐膛底部布風板送入爐內(nèi)，用以助燃并向上流動托起燃料和石灰石顆粒形成密相流化床，氣固混合強烈，床內(nèi)有良好的內(nèi)部循環(huán)，傳熱傳質(zhì)較好，整個床內(nèi)能夠達到均勻的溫度分布和快速燃燒反應;二次風經(jīng)空氣預熱器預熱后從爐膛側(cè)壁燃料/石灰石進料口之上送入爐膛，助燃同時攜帶燃燒顆粒細分進入旋風分離器，分離后的物料返回爐膛重新燃燒，形成外部循環(huán);分離后的煙氣經(jīng)換熱面換熱、除塵器除塵后，經(jīng)煙囪排放大氣;燃燒過程溫度一般在900～1000℃，可以有效控制NOx排放;燃燒產(chǎn)生的SOx和物料顆粒中的CaO反應生成CaSO4，脫硫效率可達90%以上，根據(jù)情況可以在尾部煙道后增加二級脫硫措施［10－12］;CFB鍋爐給水經(jīng)加熱產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動蒸汽輪機發(fā)電，具體流程見圖2。

該方案具有負荷調(diào)節(jié)范圍大、可用率高、經(jīng)濟性好、環(huán)保以及技術(shù)成熟等特點，可以同時輸出電力和蒸汽，灰渣利用價值不高，可用于水泥緩凝劑和建筑材料。

圖2 高硫石油焦CFB發(fā)電流程示意

自20世紀80年代以來，以高硫石油焦為燃料的CFB鍋爐發(fā)展較快，目前已投入商業(yè)運行的有幾十臺，主要有純燒石油焦和石油焦與煤混燒兩種方式［13］。純燒方式目前運行中出現(xiàn)的主要問題有:飛灰含碳量高、循環(huán)物料量稀少、床溫不穩(wěn)、密相區(qū)超溫、鍋爐達不到額度負荷、返料器與旋風分離器等處床料成團結(jié)渣、分離器中心管高溫腐蝕及尾部受熱面積灰等［14－15］。

通過嚴格控制物料粒徑、選擇合適的物料循環(huán)倍率、合理調(diào)整二次風量等措施，可以有效控制飛灰含碳量;通過提高旋風分離器分離效率、床底加沙、調(diào)整一二次風配比等措施，可以一定程度上緩解循環(huán)物料量少、床溫不穩(wěn)、密相區(qū)超溫、鍋爐達不到額度負荷等問題;其他問題目前尚無有效克服措施，有待深入研究［14－20］。

4 方案對比

高硫石油焦IGCC發(fā)電和CFB發(fā)電方案工藝技術(shù)目前均較成熟，且有多套成功商業(yè)運行案例。二者的差異主要在發(fā)電效率、產(chǎn)品輸出、環(huán)保以及投資成本等方面，具體見表3［4－5，10］。IGCC發(fā)電技術(shù)優(yōu)點發(fā)電效率高，耗水量少，產(chǎn)品多聯(lián)產(chǎn);缺點:系統(tǒng)復雜，控制難度大，可用率低，初投資費用高，不宜在小規(guī)模下使用。CFB發(fā)電方案優(yōu)點:燃燒效率高，可用率高，負荷調(diào)節(jié)范圍大，設備腐蝕小，技術(shù)成熟;缺點:石灰石用量大，灰渣排放量大，機械磨損大。

表3 高硫石油焦IGCC發(fā)電和CFB發(fā)電方案對比

IGCC方案相比CFB方案單位投資成本較高，提高電站規(guī)模，可縮小二者之間的投資差距，從實際運行上看，二者的發(fā)電成本差距不大。實際方案選擇時，需根據(jù)業(yè)主的投資能力、輸出產(chǎn)品要求、環(huán)保要求、方案特點，并結(jié)合當?shù)氐奈锪瞎闆r，如IGCC石油焦氣化對催化劑的需求，或石油焦與煤/生物質(zhì)共氣化對煤/生物質(zhì)的需求，CFB脫硫?qū)κ沂男枨蟮龋x定適宜的發(fā)電方案。

5 結(jié)語

高硫石油焦一般用作工業(yè)燃料，用于發(fā)電的技術(shù)方法主要有IGCC發(fā)電和CFB發(fā)電。IGCC發(fā)電方案具有發(fā)電效率高、環(huán)保特性突出、耗水量少以及多聯(lián)產(chǎn)的特點，但其工藝復雜，可用率低，初投資較高，不宜在小規(guī)模下應用;CFB發(fā)電方案具有燃料適應性強、燃燒效率高、負荷調(diào)節(jié)范圍大、可用率高等特點，但脫硫需耗用大量石灰石，固體排放量及機械磨損都較大。從單位發(fā)電量投資成本上看，IGCC發(fā)電方案明顯高于CFB發(fā)電方案，提高電站規(guī)模，可縮小二者之間的投資差距。相同發(fā)電規(guī)模情況下，兩種方案的發(fā)電成本差距不大。發(fā)電方案選擇需根據(jù)業(yè)主的投資能力、輸出產(chǎn)品要求、環(huán)保要求、方案特點，結(jié)合當?shù)氐膶嶋H情況，確定適宜的發(fā)電方案。

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Discussion of power generation scheme using high sulfur pet coke in Saudi Arabia

Two feasible power generation methods using high sulfur pet coke produced in Saudi Arabia were discussed in this paper.These two methods are Integrated Gasification Combined Cycle and Circulating Fluid Bed.Process flow，technical character，problem and compare of both methods are discussed，respectively.Selection of power generation scheme shall base on owner＇s investment ability，products requirement，environmental protection，method character and local situation.

pet coke;IGCC;CFB;power generation

TM611.1

B

1674－8069(2016)05－051－04

2016-02-26;

2016-03-19

劉洪濤(1985-)，男，山東文登人，博士，工程師，主要從事電建項目設計管理工作。E－mail:lhtsepco@163.com