基于石油焦?jié){體燃料的發(fā)展現(xiàn)狀

李彎彎

（陜西煤業(yè)化工新型能源有限公司神木分公司，陜西榆林719300）

能源與環(huán)境一直是人類關(guān)注的焦點(diǎn)。上世紀(jì)70年代由于石油危機(jī)的爆發(fā)，促使世界各國(guó)紛紛開始研究新的能源替代品，特別是石油資源匱乏而又以石油為主要燃料的國(guó)家。漿體燃料是為了實(shí)現(xiàn)煤的管道運(yùn)輸或替代燃料油而出現(xiàn)的，又以煤漿最為常見。煤漿中以油煤漿和水煤漿研究的較多，為適應(yīng)不同需要而產(chǎn)生其它漿體燃料也日益受到重視。因此，基于石油焦的漿體燃料技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，也為我國(guó)能源的綜合利用與和諧發(fā)展開拓了新途徑。

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，石油的需求量日益增加，加之原油深加工的發(fā)展和世界原油的重質(zhì)化，導(dǎo)致石油焦的產(chǎn)量不斷增加。因此，如何合理利用石油焦，尤其是高硫焦，便成為日益關(guān)注的課題。

石油焦是由延遲焦化裝置產(chǎn)生的黑色或暗灰色堅(jiān)硬固體石油副產(chǎn)物，其產(chǎn)量約為燃料油的25%～30%。石油焦帶有金屬光澤，呈多孔性，通常具有低灰分、高揮發(fā)分、高熱值等特點(diǎn)，并且資源廣泛，價(jià)格低廉，可通過(guò)燃燒或氣化的方式加以利用。石油焦作為燃料的研究已有很多報(bào)道[1-2]，主要用于水泥窯或鍋爐燃料。國(guó)內(nèi)外對(duì)石油焦的氣化反應(yīng)也有許多研究[3-4]，主要是將石油焦氣化制造合成氣或用于蒸汽發(fā)電。

根據(jù)所用介質(zhì)不同，漿體燃料可分為油焦?jié){、水焦?jié){、油水焦?jié){、水煤焦?jié){，可廣泛應(yīng)用于電站鍋爐、工業(yè)鍋爐和工業(yè)窯爐代油、代煤燃燒，亦可作為氣化原料。

1 油焦?jié){

油焦?jié){是將石油焦固體顆粒、柴油和添加劑經(jīng)過(guò)特殊途徑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）和微量化學(xué)添加劑組成。日本的石川島播磨公司曾嘗試過(guò)在燃油鍋爐中混燒石油焦和重油[5]，即在燃油鍋爐中增設(shè)石油焦粉燃燒器，而在該燃燒器四周則布置幾個(gè)重油燃燒器，采用重油火焰加熱噴進(jìn)爐內(nèi)的石油焦粉和空氣混合物的方法，使石油焦粉著火燃燒。美國(guó)Cherven公司則對(duì)濃度為40%的石油焦柴油漿在油輪低速柴油機(jī)上進(jìn)行了運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)[6]。孫保華[7]提出了環(huán)保節(jié)能燃料油焦?jié){替代重油作為浮法窯爐的燃料，通過(guò)增加供油泵、供油管路、回油管路、換向和燃燒系統(tǒng)使焦?jié){著火燃燒，發(fā)現(xiàn)油焦?jié){的燃燒速度與重油基本相同，并以600噸/天的浮法玻璃生產(chǎn)線使用油焦?jié){進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析。使用油焦?jié){作為燃料，與直接使用重油相比，全年節(jié)約1 920萬(wàn)元；與直接使用煤焦油相比，全年可節(jié)省780萬(wàn)元。因此油焦?jié){不僅可以抵御重油價(jià)格攀升帶來(lái)的壓力，還可降低生產(chǎn)成本。賈海龍等[8]在回轉(zhuǎn)窯上進(jìn)行了油焦?jié){應(yīng)用試驗(yàn)，對(duì)高溫氧化鋁質(zhì)量和窯尾廢氣等進(jìn)行了系統(tǒng)檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明：油焦?jié){對(duì)高溫氧化鋁產(chǎn)品質(zhì)量沒(méi)有不良影響，在高溫爐內(nèi)能正常霧化和完全燃燒，并且高溫窯爐窯頭溫度、壓力等參數(shù)與使用重油相比變化不大。據(jù)報(bào)道，鹽城市大熱能機(jī)械制造有限公司運(yùn)用多年來(lái)的技術(shù)成果在燃油熔鋁爐上成功應(yīng)用，一舉破解了困擾鋁熔鑄行業(yè)的節(jié)能難題。油焦?jié){熱值高，但如油煤漿一樣，尚存在粘度大、成本高、代油率低等問(wèn)題。

2 水焦?jié){

水焦?jié){是以固體石油焦為主要原料，即由70%左右的石油焦、30%左右的水和1%左右的添加劑混合制成的一種新型液體燃料。其霧化形態(tài)類似于水煤漿，具有灰分低（0.2%～1.4%）、流動(dòng)性好、穩(wěn)定性好、熱值高等特點(diǎn)，且生產(chǎn)和使用過(guò)程不污染環(huán)境。

1985年，意大利熱核研究中心嘗試將石油焦和水混合制成石油焦水漿來(lái)進(jìn)行燃燒，試驗(yàn)中需使用占熱負(fù)荷5%的煤氣作輔助燃料，結(jié)果碳的轉(zhuǎn)化率不高，為83%～85%[9]。我國(guó)研究水焦?jié){的時(shí)間也不長(zhǎng)。2002年，北京華宇工程有限公司承接了廣東某煉化企業(yè)的水焦?jié){系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)，工程內(nèi)容包括年產(chǎn)100 kt水焦?jié){生產(chǎn)系統(tǒng)；改造1臺(tái)130 t/h由原燒油改為燒水焦?jié){鍋爐；配套設(shè)計(jì)水焦?jié){的卸船、輸漿、儲(chǔ)漿及爐前供漿系統(tǒng)和配電、控制、水處理等輔助系統(tǒng)。該工程于2003年12月進(jìn)行制漿、燃燒工程調(diào)試，目前已生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的水焦?jié){4 000余噸并送入鍋爐成功燃燒，達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)[10]?！笆濉逼陂g，迪森公司投入近五千萬(wàn)元，率先成功開發(fā)了新型清潔能源乳化焦?jié){（簡(jiǎn)稱EGC）代油節(jié)能技術(shù)，突破了EGC國(guó)際行業(yè)性技術(shù)難題，2006年通過(guò)了中石油遼河油田投產(chǎn)鑒定和廣東省科技廳科技成果鑒定。2010年科技部高新司組織專家在廣州市召開了“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“乳化焦?jié){/油（EGC）代油節(jié)能技術(shù)研究與應(yīng)用示范”的驗(yàn)收會(huì)，最終該項(xiàng)目通過(guò)驗(yàn)收。乳化焦?jié){技術(shù)在遼河油田用2 t乳化焦?jié){裝置置換1 t原油的試驗(yàn)取得成功。廣州珠江化工集團(tuán)溶劑廠10 T重油鍋爐改造為EGC鍋爐，鍋爐熱效率提高了5%，燃料成本節(jié)約49.4%，綜合節(jié)能率為54.4%，SO2、NOx煙塵排放量也下降。目前，水焦?jié){的工程處于起步階段，一般以小型工程為主。

楊國(guó)軍[11]利用現(xiàn)有的油田水煤漿50萬(wàn)t/a水煤漿生產(chǎn)工藝進(jìn)行了水焦?jié){工業(yè)化制備試驗(yàn)研究，若將原有的注汽鍋爐進(jìn)行改造后，通過(guò)摻燒石油焦來(lái)替代50%的原有消耗，每年直接節(jié)省燃料費(fèi)用達(dá)1 589.8萬(wàn)元。

3 油水焦?jié){

油水焦?jié){是在水焦?jié){的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是由固體石油顆粒、水、燃料油以及添加劑組成。它克服了油焦?jié){粘度高、水焦?jié){熱值低的特點(diǎn)，同時(shí)所含灰分低，可以直接用于燃油鍋爐，對(duì)鍋爐和噴嘴的改造幅度較小[12]。由于油水焦?jié){的內(nèi)相為兩相物質(zhì)（石油焦和另一種液體），其穩(wěn)定性機(jī)理有所變化，穩(wěn)定因素也有所增加。一般來(lái)說(shuō)，石油焦含量越多，粒度越細(xì)，料漿穩(wěn)定性越好，但流動(dòng)性差；油含量越高，料漿則越容易流動(dòng)，霧化粒度直徑越小，但漿體成本高。國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的研究才剛剛起步。

劉和家[13]等通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)確定了高溫隧道窯的油水焦中重油、水焦?jié){和乳化液所占的含量為50%、38%和12%。通過(guò)研究得知，增加重油加入量，油水焦?jié){的燃燒熱值、燃燒產(chǎn)物量、理論燃燒溫度和實(shí)際燃燒溫度都不斷增加。預(yù)熱600℃的油水焦?jié){的燃燒溫度可達(dá)到1 800℃以上，預(yù)熱400℃、重油加入量大于50%的油水焦?jié){的燃燒溫度可達(dá)到1 750℃以上。

王濤[14]根據(jù)油泥和石油焦的性質(zhì)，研究了油水焦?jié){的成漿性能。結(jié)果表明：降粘后油泥添加量為20%～25%，制備的油焦水漿表觀粘度均在1 000 mPa·s以下，且具有良好的流動(dòng)性，成漿性較好；在不添加穩(wěn)定劑的情況下，30 d內(nèi)未發(fā)生硬沉淀或分層現(xiàn)象，具有較高的穩(wěn)定性。

賀龍[15]通過(guò)對(duì)鍋爐的飛灰曲線模擬得出，油焦水漿的灰分主要集中在臥式鍋爐的輻射段以及對(duì)流段。通過(guò)在輻射段增加交叉式U型吹灰管，在對(duì)流段增加人工O型吹灰系統(tǒng)，進(jìn)行不同周期性的除灰，不僅吹除了油焦水漿少量的灰分，保證鍋爐安全運(yùn)行，而且提高了燃料的燃燒效率，具有較好的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果。

4 水煤焦?jié){

由于我國(guó)煤炭資源充足，水煤漿技術(shù)也已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。水煤焦?jié){是在水煤漿的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)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劑、穩(wěn)定劑制備的一種新型石油替代產(chǎn)品。水煤焦?jié){具有熱值較高、灰分較低、揮發(fā)分高、流動(dòng)性好、穩(wěn)定性強(qiáng)、生產(chǎn)成本低、易燃燒等特點(diǎn)。水煤焦?jié){的研究仍處于初始階段。

韓廣東等[16]研究了煤焦配比、穩(wěn)定劑、溫度等對(duì)水煤焦?jié){的成漿性能影響。結(jié)果表明：當(dāng)煤焦比為1∶2或2∶3，分散劑的加入量為0.7%，穩(wěn)定劑的加入量為0.5‰，溫度為60℃，水煤焦?jié){的成漿性能最佳，此時(shí)穩(wěn)定時(shí)間為21天，黏度為900 mPa·s。

王正東等[17]研究發(fā)現(xiàn)，水煤焦?jié){的灰分不能直接用于現(xiàn)有的燃油鍋爐，需增加除灰裝置。通過(guò)對(duì)燃料灰分的模擬，得出臥式燃油鍋爐的積灰主要集中在對(duì)流段和輻射段。針對(duì)2個(gè)區(qū)域進(jìn)行了不同的改造設(shè)計(jì)，并對(duì)吹灰管等設(shè)備進(jìn)行了設(shè)計(jì)布置，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明效果良好。

5 結(jié)束語(yǔ)

石油焦?jié){直接作為燃料使用具有熱值高、灰分少、簡(jiǎn)化了出渣和除灰系統(tǒng)、免除了結(jié)渣帶來(lái)的煩惱等特點(diǎn)。雖然石油焦的硫含量和氮含量較高，但是只要配備好脫硫脫硝裝置，就可以確保環(huán)保指標(biāo)達(dá)標(biāo)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，石油焦?jié){體燃料是一種值得大力推廣的潔凈煤技術(shù)。但是目前關(guān)于焦?jié){燃料的技術(shù)還不夠成熟，仍存在一些問(wèn)題，有待化學(xué)和化工工作者繼續(xù)深入研究，例如：①石油焦制得的漿體易成脹流體，穩(wěn)定性較差；②所用的添加劑大都為水煤漿添加劑，缺乏石油焦?jié){專用添加劑；③尚未清楚成漿過(guò)程中的許多機(jī)理,如:石油焦顆粒內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)形式、孔隙尺寸、比表面積和孔容積等微觀物理特性以及石油焦的表面特性、化學(xué)成分和粒度分布對(duì)成漿濃度的影響規(guī)律等；④石油焦?jié){的流變特性、物化特性、燃燒特性及產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力還有待于進(jìn)一步優(yōu)化。