石油焦在水泥行業(yè)的應用及前景分析

凌 逸 群

(中國石油化工集團有限公司，北京 100728)

石油焦是石油精煉過程的副產品，由延遲焦化工藝生產。延遲焦化工藝在處理渣油方面具有工藝成熟、原料適應性強和投資較低等特點。隨著原油品質的重質化和劣質化，延遲焦化裝置的規(guī)模不斷擴大，因此石油焦產量不斷增多，品質以高硫焦為主[1-2]。石油焦具有碳含量高、熱值高的特點，主要應用于水泥、電解鋁、鋼鐵、玻璃、電廠及化工等行業(yè)。隨著環(huán)境保護的力度加大，國內目前面臨如何既環(huán)保又經濟地使用高硫焦的問題。

全球石油焦用量最大的行業(yè)是水泥和電解鋁。中國石油焦主要供給電解鋁行業(yè)，中國電解鋁產量占全球的一半，目前石油焦是電解鋁不可替代的原料。以現(xiàn)有的石油焦行業(yè)標準，硫質量分數(shù)小于3%石油焦供應量不能滿足國內電解鋁、炭素行業(yè)原料需求，2018年國內炭素級石油焦需求量約為20.96 Mt，硫質量分數(shù)3%以下石油焦供應量約為15.65 Mt，國外資源難以補充，將會影響產業(yè)鏈有序發(fā)展。

國際大型水泥企業(yè)在生產中大量使用石油焦作為燃料。在水泥生產中，石油焦燃燒生成的SO2會與堿性氧化物以及氧化鈣作用生成硫酸鹽，將大部分硫元素固定在水泥熟料中，成為水泥的組成部分，實現(xiàn)硫的超低排放[3-4]。國際大型水泥企業(yè)使用石油焦具有成熟的技術設備，并累積了大量的使用經驗。2018年國內水泥產量2.21 Gt，占全球的55.95%，但國內水泥行業(yè)主要使用煤炭作為燃料，石油焦在水泥行業(yè)中的用量為0.439 Mt，僅占千分之二。

本課題通過對全球石油焦的供應和需求進行分析，對比全球主要國家和地區(qū)水泥行業(yè)的排放標準，研究該行業(yè)使用高硫焦的現(xiàn)狀，為國內既環(huán)保又經濟地使用高硫焦尋找可行的應用途徑。

1 全球主要國家石油焦劃分標準及法律規(guī)范

歐美等國沒有制定專門的石油焦法律法規(guī)和標準，現(xiàn)有的法律法規(guī)已經可以管控石油焦污染排放。以美國為例：其一，美國已建立完備的大氣污染防治法律體系，對于石油焦燃燒可能造成的更高的大氣污染(PM10，SO2，NOx)，以《清潔空氣法》確立的《國家環(huán)境空氣質量標準》和《州實施計劃》(SIPs)為手段進行監(jiān)管；企業(yè)根據自身情況提出揚塵控制計劃，計劃需要得到相關機構的批準并接受監(jiān)督。其二，對于可能造成的水體污染，以《清潔水法》相關條款為依據進行監(jiān)督，企業(yè)自愿提出雨水污染防治計劃，并取得工業(yè)區(qū)雨水排放許可。其三，由于石油焦在一定條件下會形成可燃性粉塵，造成安全生產隱患，相關企業(yè)需按照美國消防協(xié)會制定的《國際消防規(guī)范》要求取得操作許可。

印度于2018年7月26日舉行聽證會裁定在水泥、石灰、電石、石油焦氣化行業(yè)可以使用石油焦，并于2018年10月9日對炭素級石油焦及煅燒焦設定進口配額。2018年印度政策頒布法令至聽證會期間石油焦進口量減少，2018年全年進口量6.170 7 Mt，同比減少48.65%。石油焦限定行業(yè)和實施配額政策后，2019年1—9月印度石油焦進口量8.269 1 Mt，同比增加66.34%。對比2018—2019年印度石油焦進口量可以看出，政策制定期間石油焦進口量大幅下降，由于印度市場石油焦需求量大，政策落地后水泥、石灰、電石、石油焦氣化行業(yè)石油焦用量并未受影響。

2003年8月5日土耳其發(fā)布的《關于控制進口燃料以保護環(huán)境的外貿標準標準化公報》第48號《環(huán)境和林業(yè)部組織和職責法》第48條，對進口石油焦進行限制，水泥生產企業(yè)進口石油焦硫質量分數(shù)最高5%，低位熱值最低31 394 kJ/kg，滿足要求的企業(yè)即可使用石油焦。2014—2018年土耳其每年進口美國石油焦3.245 4～3.877 1 Mt，進口量呈現(xiàn)小幅上漲的趨勢，進口石油焦限制政策對進口量影響不大。

中國石油焦行業(yè)標準是2015年出臺的能源局行業(yè)標準NB/SH/T 0527—2015，對硫質量分數(shù)小于3%的石油焦進行劃分。硫質量分數(shù)3%以上的石油焦由企業(yè)標準劃分，4A石油焦的硫質量分數(shù)范圍是3%～5%，4B石油焦為5%～7%；5號石油焦為7%～9%；6號石油焦為9%～12%。

2 全球石油焦產量及流向分析

2018年全球石油焦產量130 Mt，全球石油焦產量排名前四的國家分別是：美國47.429 Mt、中國28.201 Mt、印度15.027 Mt及加拿大11.620 Mt，其產量合計占全球總產量的77.98%，其中美國石油焦產量占全球產量的36.16%。全球石油焦產量前十的國家合計產量120.984 Mt，占全球石油焦總產量的92.25%。

全球石油焦產量中，硫質量分數(shù)大于3%的石油焦占全球總產量的67.84%，硫質量分數(shù)小于3%的石油焦占全球總產量的32.16%。全球石油焦產量前十國家的石油焦產量中，加拿大、沙特阿拉伯及西班牙生產的全部是硫質量分數(shù)大于3%的石油焦，美國、中國、印度、俄羅斯及德國生產硫質量分數(shù)大于3%石油焦的比例為92.31%，45.92%，96.73%，44.80%，33.33%，巴西及阿根廷生產的全部是硫質量分數(shù)小于3%的石油焦。

2018年全球主要國家石油焦消費領域分布見表1。

表1 2018年全球主要國家石油焦消費領域 Mt

由表1可見，全球石油焦用量最大的兩個行業(yè)是水泥和電解鋁；水泥行業(yè)石油焦用量39.255 1 Mt，占石油焦總需求量的30.09%，水泥行業(yè)石油焦用量較大的國家分別為印度、墨西哥、土耳其、巴西、韓國、美國、西班牙、日本、加拿大及中國等；電解鋁行業(yè)石油焦用量32.909 8 Mt，占石油焦總需求量的25.03%，電解鋁行業(yè)石油焦用量較大的國家分別為中國、印度、加拿大、阿聯(lián)酋、澳大利亞、挪威、巴林及美國等。中國電解鋁行業(yè)石油焦用量18.391 9 Mt。

3 全球高硫焦在水泥生產中的應用

在普通水泥生產中，石油焦經過粉磨系統(tǒng)處理成為石油焦粉，石油焦粉在窯頭和分解爐進入燃燒器進行燃燒，產生高溫廢氣，供回轉窯和分解爐使用。石油焦在白水泥生產中的使用過程與普通水泥大體相似，但要求燃料熱值高，燃料的灰分及其中的Fe2O3含量低。石油焦作為燃料可以很好地滿足這一需求。

在水泥生產中，石油焦中的硫元素與各種堿性氧化物作用生成硫酸鹽，除少量在物料和高溫煙氣中循環(huán)外，其他被固化在熟料中，成為水泥的組成部分，實現(xiàn)硫的超低排放。

中國和歐美日等國家和地區(qū)水泥行業(yè)排放標準中的主要污染物對比見表2。由表2可見，中國水泥行業(yè)顆粒物排放標準比日本排放限值低，與歐盟基本持平，比美國的標準略寬松。中國水泥行業(yè)SO2排放標準比歐盟更嚴格。

表2 各國水泥行業(yè)排放標準對比 mg/m3

石油焦作為水泥生產能源的很重要的一個原因是經濟因素，即熱值與價格比，石油焦低廉的價格以及較高的熱值使其成為減少能源消耗的有效途徑。除價格因素外，其他關于石油焦使用的因素需要綜合考慮。與煤炭相比，石油焦的揮發(fā)分、灰分較低，硫、固定碳及熱值較高。

國外的大型水泥企業(yè)如拉法基豪瑞、海德堡水泥、西麥斯和CRH等公司均大量使用石油焦，石油焦的使用比例為41%～65%，如表3所示。國外水泥企業(yè)兼并收購之后，多呈現(xiàn)集團化、全球化的經營特征，規(guī)模效應優(yōu)勢明顯。其采購燃料級石油焦以長協(xié)機制為主，因此國際市場多數(shù)情況下，與煤炭比較，燃料石油焦更有性價比優(yōu)勢，且能常年穩(wěn)定供應，成為水泥企業(yè)的首選。部分地區(qū)因煤炭短缺以進口煤為主的水泥企業(yè)更傾向于使用經濟性更高的石油焦作為燃料。國外水泥企業(yè)擁有相當成熟的使用高硫石油焦經驗、設備及技術。

表3 2017年國際主要水泥企業(yè)產能、產量及石油焦用量統(tǒng)計 Mt

在歐洲、亞洲，石油焦主要用作水泥行業(yè)的煤炭替代能源。過去幾年中，部分水泥企業(yè)將石油焦和其他替代能源的比例從10%～25%提高到50%，甚至100%。對于煤炭資源匱乏的國家，石油焦成為其水泥行業(yè)的燃料首選。各國水泥行業(yè)排放標準要求略有不同，水泥企業(yè)達到當?shù)氐呐欧乓蠹纯墒褂檬徒埂?/p>

2018年全球水泥產量3.950 Gt，水泥行業(yè)石油焦用量39.255 1 Mt，使用石油焦生產的水泥占全球水泥產量的9.03%，具體見表4。水泥行業(yè)石油焦用量較大的國家有印度、墨西哥、土耳其、巴西、韓國、美國，其石油焦使用比例分別達45.56%，98.48%，49.45%，72.73%，25.97%，15.41%。

表4 2018年主要國家水泥產量及水泥行業(yè)石油焦用量 Mt

1)以石油焦為燃料生產的水泥產量占比。

從國外高硫焦與煤炭價格對比來看，石油焦的熱值/價格比在多數(shù)時間內都具有優(yōu)勢，因此國外水泥廠大量使用石油焦作為燃料。中國石油焦也具有一定性價比的優(yōu)勢，但存在無法長期穩(wěn)定供應的問題，因此中國水泥行業(yè)石油焦用量較低。

4 國內高硫焦在水泥行業(yè)的應用前景分析

2018年中國水泥產量達到2.210 Gt，而2016年、2017年和2018年石油焦在水泥行業(yè)的用量僅為485.0，816.0，439.0 kt，仍處于小范圍使用的狀態(tài)。高硫焦在水泥行業(yè)中的應用前景取決于政策要求、石油焦性價比、供應的穩(wěn)定性、其他配料條件等因素。現(xiàn)有水泥企業(yè)燃燒石油焦需要投入大量資金、改造現(xiàn)有生產設備和研發(fā)工藝技術，或者新建使用石油焦的水泥廠，因此需要企業(yè)能夠長期穩(wěn)定供應具有性價比優(yōu)勢的石油焦，以及達到環(huán)保等各方面政策的要求。

白水泥對石油焦的需求可能隨著技術工藝的進步而穩(wěn)步增加。目前個別白水泥企業(yè)已經掌握了高硫焦燃燒的工藝技術，可以100%使用石油焦，且硫化物、氮氧化物都能達到最嚴格的排放要求，將石油焦中的硫固定到白水泥中，增加白水泥的白度指標，提高產品的品質。如果其他白水泥企業(yè)使用高硫焦的工藝技術穩(wěn)步提高，則將擴大對石油焦的需求。

普通水泥產量占水泥總產量的絕大比例，目前水泥行業(yè)也實行錯峰生產，在現(xiàn)有的設備和工藝基礎上使用石油焦將會影響水泥生產的連續(xù)性，降低企業(yè)使用石油焦的積極性，因此需要投入資金技術進行設備和工藝改造。如果政策環(huán)境、石油焦性價比有優(yōu)勢、供應穩(wěn)定，部分普通水泥廠也可以通過改進設備以及工藝以提高高硫焦的用量。

此外，中國電解鋁行業(yè)石油焦消費量占總消費量的50%左右。未來新政策的變化可能會影響整體市場，一旦限制生產、銷售、使用和進口高硫焦，僅硫質量分數(shù)小于3%的石油焦供應量不能滿足基本的炭素行業(yè)需求，電解鋁使用的石油焦將有巨大的缺口。

2016—2018年中國國內使用的炭素級石油焦分別為18.923 0，20.903 6，20.955 2 Mt。中國電解鋁行業(yè)主要使用硫質量分數(shù)1%以上炭素級石油焦，其價格較低，用量占國內炭素用量的88%左右。增碳劑、負極填充料、石墨電極、炭電極及負極材料等行業(yè)使用硫質量分數(shù)小于1%的石油焦，其價格較高。2016—2018年中國硫質量分數(shù)小于3%的石油焦供應量分別為14.944 7，15.548 5，15.653 8 Mt，2018年供應缺口5.301 4 Mt左右。從全球石油焦供需關系來看，雖然2018年全球還有14.221 0 Mt石油焦庫存，但是庫存的石油焦主要是高硫焦，在高硫焦進口受到限制的情況下，同樣無法供應中國。石墨電極等行業(yè)可以使用價格更高的低硫焦，供應的缺口將會出現(xiàn)在電解鋁行業(yè)。

原材料不足加上價格預期暴漲，將會擾亂整個鋁產業(yè)鏈的市場，其他行業(yè)的需求更是難以滿足。另一方面，煉油廠也會遇到如何處置高硫焦的難題。經過前面分析，水泥生產過程中可以將石油焦中的硫元素固定到水泥中，水泥行業(yè)可成為無害使用高硫焦的重要領域。

中國水泥廠眾多，多數(shù)都是依山而建，方便運輸和開采石灰石，基本是集團化的管理和調配。中國水泥窯建設之初主要為使用原煤而建，與歐洲摻配或100%使用石油焦的水泥企業(yè)在耐火材料上有所區(qū)別，如改造設備投入成本高，且不易保證石油焦供應和價格，難以確保使用石油焦就能獲得更多的經濟效益；在不改造現(xiàn)有窯爐的前提下，水泥生產中少量摻配石油焦是可行的。水泥生產能夠將高硫焦中硫元素大部分固定到其產品中，擴大高硫焦在水泥行業(yè)中的應用，可以經濟環(huán)保地利用高硫焦資源。

延遲焦化裝置在加工重質、劣質原油上具有優(yōu)勢，歐美及其他國家都大量使用延遲焦化裝置并且生產高硫焦。在世界原油重質化、劣質化趨勢下，中國限制煉油廠延遲焦化裝置生產高硫焦將削弱煉油行業(yè)的競爭力，不利于我國煉油行業(yè)長期穩(wěn)定發(fā)展。充分利用石油焦高碳含量、高熱值的優(yōu)點，在降低能源消耗、提高原油資源利用率等方面有積極的作用和合理的經濟效益。

(1)為水泥企業(yè)提供穩(wěn)定供應且具有性價比優(yōu)勢的高硫焦。制定石油焦價格以水泥廠所用煤炭價格作為基準，或者以第三方數(shù)據為結算標準，持續(xù)保持石油焦的性價比優(yōu)勢，同時保障水泥企業(yè)可以獲得長期穩(wěn)定的石油焦供應，使水泥企業(yè)有使用石油焦的動力。

(2)建立屬于水泥行業(yè)的銷售渠道，點對點銷售，監(jiān)督石油焦配送環(huán)節(jié)，防止外流其他行業(yè)，干擾市場。與在用或曾經使用石油焦的水泥企業(yè)進行合作。此類水泥企業(yè)有使用石油焦的經驗和技術積累，便于長期使用石油焦或者增加石油焦用量。

(3)臨近港口的煉油廠生產的高硫焦加大出口力度。日本、韓國以及東南亞的水泥廠均使用高硫焦，繼續(xù)擴大出口量和出口市場，利用運距優(yōu)勢，搶占域外傳統(tǒng)供應國的市場份額。

(4)要求使用高硫焦的水泥客戶提供環(huán)保資質證書以及排放達標監(jiān)測數(shù)據，確保水泥企業(yè)滿足法律規(guī)定的排放要求。我國的污染物排放要求已經與發(fā)達國家達到同一水平，甚至比多數(shù)國家更加嚴格，水泥企業(yè)使用高硫焦的同時滿足排放要求，高硫焦就可以得到安全、環(huán)保的利用。

(5)加大石油焦在化肥行業(yè)及控煤地區(qū)企業(yè)的供應力度。化肥企業(yè)也可以使用高硫焦，利用石油焦高碳含量、高熱值的特點，作為原料提高企業(yè)效益。部分化肥企業(yè)已經使用高硫焦，并且可以達到排放要求，擴大高硫焦在該行業(yè)的用量可以拓展高硫焦使用范圍。控煤政策導致部分地區(qū)企業(yè)的煤炭供應受限，高硫焦供應該類型企業(yè)使用可以彌補煤炭用量的缺口。

5 結束語

(1)全球僅有少數(shù)國家制定了石油焦標準或專門的法律法規(guī)。中國是世界上唯一制定了石油焦行業(yè)標準的國家，并將禁止進口、銷售和燃用不符合質量標準的石油焦列入到《大氣污染防治法》中；印度規(guī)定燃料級石油焦僅用于水泥、石灰、電石和石油焦氣化4個行業(yè)，并且對電解鋁使用的石油焦和煅燒焦設定進口配額；土耳其規(guī)定符合硫限制和排放要求的水泥廠可以進口和使用石油焦；歐美等國并未制定針對石油焦的法律法規(guī)或者標準，通過現(xiàn)有法律和環(huán)境質量標準完全可以管控石油焦污染排放，下游行業(yè)滿足本行業(yè)的排放要求即可使用。

(2)全球石油焦用量最大的兩個行業(yè)是水泥和電解鋁。2018年中國硫質量分數(shù)3%以下石油焦供應量缺口5.301 4 Mt，國外資源難以補充。

(3)2018年全球水泥行業(yè)石油焦用量占全球石油焦總供應量的30.09%，歐洲、日韓、印度等地區(qū)的水泥企業(yè)大量使用石油焦。中國石油焦以供應電解鋁為主，且石油焦市場變化較大，石油焦在中國水泥行業(yè)使用的燃料中比例很低。

(4)石油焦在水泥生產中使用，其硫元素大部分以硫酸鹽的形式固定于水泥熟料中，企業(yè)能夠達到規(guī)定的排放要求，可以安全環(huán)保地使用高硫焦。普通水泥的石油焦用量主要取決于石油焦與煤炭的性價比，由于石油焦的高熱值、低灰分特點，對白水泥的生產和產品質量有利，因此白水泥生產中使用石油焦的積極性更高，且用量較穩(wěn)定。

(5)國外使用石油焦的水泥企業(yè)基本都能滿足當?shù)氐呐欧乓?。其石油焦用量大、摻入比較高，與當?shù)厝剂系墓蝿?、石油焦的供給條件等因素有關。多數(shù)國家對煤炭替代燃料有迫切的需求，同時國際水泥巨頭的生產廠遍布全球，可以綜合利用石油焦以及當?shù)刭Y源，采用長協(xié)定價機制便于獲取具有穩(wěn)定性價比優(yōu)勢的石油焦。