沙特高硫石油焦发电方案探讨

刘洪涛，薛利，胥登峰

(山东电力基本建设总公司，山东济南250014)

沙特高硫石油焦发电方案探讨

刘洪涛，薛利，胥登峰

(山东电力基本建设总公司，山东济南250014)

沙特高硫石油焦用于发电可行的技术方法主要有整体气化联合循环发电和循环流化床发电两种。对高硫石油焦IGCC发电和CFB发电的工艺流程、技术特点及存在的问题分别进行讨论，并进行了对比分析。实际方案选择时，需根据业主的投资能力、输出产品要求、环保及方案特点，并结合当地的实际情况，选定适宜的发电方案。

石油焦;IGCC;CFB;发电

0 引言

石油焦是原油蒸馏后的重油(渣油)经延迟焦化工艺生成轻油过程的副产品。从外观上看，石油焦为形状不规则、大小不一的黑色块状或颗粒，有金属光泽，具有多孔结构。其主要成分为C，占80%以上，其余的为H、O、N、S和金属元素，具有高发热量、高碳含量、低灰分、低挥发分等特点。按照硫含量的不同，石油焦可分为低硫焦(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电极或碳素制品，用于钢铁行业和电解铝行业，又称碳素级石油焦;高硫焦因硫含量过高，不能用于电解铝、碳素行业等，主要用做燃料，因而又称燃料级石油焦，在电厂、水泥厂、玻璃厂、炼厂等行业应用［2］，但燃烧时排放大量的SOx、NOx等污染物，限制了高硫石油焦的大规模利用。

沙特阿拉伯是世界头号产油国，拥有着全球最多的石油储备。随着原油加工量的上升，其炼油石油焦产量持续增长，但由于劣质原油和重质原油产量不断上升，其原油质量持续下降，燃料级石油焦产量增长较快。对沙特石油焦用于发电的方案进行了研究，分析对比石油焦IGCC发电和CFB发电两种方案，旨在为相关研究提供参考。

1 石油焦分析

该项目石油焦取自附近两座炼油厂，每座炼油厂日产石油焦约6000t。石油焦元素分析及其他分析结果见表1和表2。

表1 石油焦元素分析结果(以收到基计)wt%

表2 石油焦其他分析结果

由石油焦的挥发分、水分、灰分及发热量判断，该石油焦性质与III类无烟煤接近;由哈式可磨性指数HGI判断，该石油焦属非难磨燃料;由硫含量判断，该石油焦属高硫焦。与煤相比，石油焦具有三高、两低的特点，即碳含量高、硫分含量高、热值高、灰分低、挥发分低。

高硫石油焦因硫含量较高，一般只能用作工业燃料，但利用过程中会产生大量的硫、氮大气污染物。因此，理想的高硫石油焦利用途径必须考虑高效、清洁。结合目前国内外开发的高硫石油焦清洁利用技术，以及项目业主提出的发电+供汽的产品输出要求，可行的技术方案主要为整体气化联合循环(IGCC)技术和循环流化床(CFB)技术两种。

2 IGCC发电方案

石油焦IGCC发电方案的工艺流程大致为:石油焦经气化炉高温气化后产生粗合成气，设置合成气净化系统对粗合成气进行脱硫除尘得到净化合成气，采用净化合成气作燃气轮机燃料进行发电，并设置余热锅炉回收燃气轮机高温排气产生蒸汽，驱动蒸汽轮机发电，具体流程见图1。该方案具有发电效率高、环保特性突出、耗水量少以及多联产的特点，以图1为例可以同时输出电力、蒸汽、气体产品和合成气，将其与炼油及化工工艺结合，发电、产汽的同时还能实现制氢、合成氨、制甲醇等［3－4］。

图1 高硫石油焦IGCC发电流程示意

自20世纪90年代美国和欧洲IGCC示范电站商业运行以来，IGCC发电技术发展迅速，其中与炼厂配套的IGCC电站已有十余所［5］。高硫石油焦IGCC发电方案的难点在于石油焦气化工艺。高硫石油焦气化技术的开发与应用，是建立在成熟的煤气化工艺基础上的。由于石油焦灰分较少，一般不宜采用干法气化技术，较宜采用湿法气化技术，其中GE公司的湿法气化技术应用尤为广泛。由于石油焦三高、两低的性质特点，石油焦湿法气化的两个关键问题，主要集中在焦成浆性能和焦气化性能两个方面［6］。

衡量石油焦成浆性能的主要指标主要有三个:成浆浓度、粘度和稳定性。实践证明，石油焦水浆的成浆浓度较高，但稳定性较差，因而如何提高石油焦浆稳定性、调整焦浆粘度是石油焦气化首先要解决的重要问题。目前，常用加入稳定剂(如萘硫酸钠甲醛缩合物、聚羧酸、木质素磺酸钠等)的方法进行解决。此外，利用褐煤成浆稳定性好的特点，在焦气化原料中添加部分褐煤，也是目前已被广泛工业应用的技术方法。

研究表明，极低的矿物含量、较低的比表面积和孔体积是制约石油焦气化活性的主因，而前者更被认为是首要原因［7］。金属离子(如铁、钙、镁、钾、钠等)对含碳物料的气化反应过程有良好的催化作用，而石油焦中灰分含量极低，其对气化反应的催化作用较弱，石油焦气化反应活性及可燃性较差。添加碱金属、碱土金属、过渡金属催化剂可不同程度提高石油焦的气化性能［8］，但考虑到经济和环境因素，采用以上催化剂的方法较难实施，同时存在催化剂回收困难的问题，而可弃催化剂又存在催化活性不高和催化效果差异大的问题，因而石油焦催化气化尚处研究阶段［9］。目前较成熟的方法是石油焦与煤/生物质共气化。

3 CFB发电方案

石油焦发热量是普通煤的1.5～1.8倍，且灰分较少，可作为普通煤粉锅炉燃料和循环流化床锅炉燃料。相关研究表明，将石油焦制成焦粉在煤粉炉中燃烧时，因石油焦低挥发分和高硫分的特点，燃烧效果不理想，煤粉锅炉掺烧石油焦基本可行，但难度较大，不宜推广。相比煤粉炉，循化流化床锅炉在燃用石油焦方面具有极大优势。循环流化床锅炉具有燃料适应性强，能够燃用一切种类的燃料，其燃烧温度低，燃料停留时间长，具有较高的燃烧效率，尤其是对于低挥发分和难以燃尽的燃料。

高硫石油焦CFB发电方案的工艺流程大致为:石油焦与石灰石破碎后经给料装置送入CFB炉膛，被循环的高温物料加热并燃烧，石灰石作为脱硫剂的同时又充当了床料;一次风经空气预热器预热后从炉膛底部布风板送入炉内，用以助燃并向上流动托起燃料和石灰石颗粒形成密相流化床，气固混合强烈，床内有良好的内部循环，传热传质较好，整个床内能够达到均匀的温度分布和快速燃烧反应;二次风经空气预热器预热后从炉膛侧壁燃料/石灰石进料口之上送入炉膛，助燃同时携带燃烧颗粒细分进入旋风分离器，分离后的物料返回炉膛重新燃烧，形成外部循环;分离后的烟气经换热面换热、除尘器除尘后，经烟囱排放大气;燃烧过程温度一般在900～1000℃，可以有效控制NOx排放;燃烧产生的SOx和物料颗粒中的CaO反应生成CaSO4，脱硫效率可达90%以上，根据情况可以在尾部烟道后增加二级脱硫措施［10－12］;CFB锅炉给水经加热产生蒸汽，驱动蒸汽轮机发电，具体流程见图2。

该方案具有负荷调节范围大、可用率高、经济性好、环保以及技术成熟等特点，可以同时输出电力和蒸汽，灰渣利用价值不高，可用于水泥缓凝剂和建筑材料。

图2 高硫石油焦CFB发电流程示意

自20世纪80年代以来，以高硫石油焦为燃料的CFB锅炉发展较快，目前已投入商业运行的有几十台，主要有纯烧石油焦和石油焦与煤混烧两种方式［13］。纯烧方式目前运行中出现的主要问题有:飞灰含碳量高、循环物料量稀少、床温不稳、密相区超温、锅炉达不到额度负荷、返料器与旋风分离器等处床料成团结渣、分离器中心管高温腐蚀及尾部受热面积灰等［14－15］。

通过严格控制物料粒径、选择合适的物料循环倍率、合理调整二次风量等措施，可以有效控制飞灰含碳量;通过提高旋风分离器分离效率、床底加沙、调整一二次风配比等措施，可以一定程度上缓解循环物料量少、床温不稳、密相区超温、锅炉达不到额度负荷等问题;其他问题目前尚无有效克服措施，有待深入研究［14－20］。

4 方案对比

高硫石油焦IGCC发电和CFB发电方案工艺技术目前均较成熟，且有多套成功商业运行案例。二者的差异主要在发电效率、产品输出、环保以及投资成本等方面，具体见表3［4－5，10］。IGCC发电技术优点发电效率高，耗水量少，产品多联产;缺点:系统复杂，控制难度大，可用率低，初投资费用高，不宜在小规模下使用。CFB发电方案优点:燃烧效率高，可用率高，负荷调节范围大，设备腐蚀小，技术成熟;缺点:石灰石用量大，灰渣排放量大，机械磨损大。

表3 高硫石油焦IGCC发电和CFB发电方案对比

IGCC方案相比CFB方案单位投资成本较高，提高电站规模，可缩小二者之间的投资差距，从实际运行上看，二者的发电成本差距不大。实际方案选择时，需根据业主的投资能力、输出产品要求、环保要求、方案特点，并结合当地的物料供应情况，如IGCC石油焦气化对催化剂的需求，或石油焦与煤/生物质共气化对煤/生物质的需求，CFB脱硫对石灰石的需求等，选定适宜的发电方案。

5 结语

高硫石油焦一般用作工业燃料，用于发电的技术方法主要有IGCC发电和CFB发电。IGCC发电方案具有发电效率高、环保特性突出、耗水量少以及多联产的特点，但其工艺复杂，可用率低，初投资较高，不宜在小规模下应用;CFB发电方案具有燃料适应性强、燃烧效率高、负荷调节范围大、可用率高等特点，但脱硫需耗用大量石灰石，固体排放量及机械磨损都较大。从单位发电量投资成本上看，IGCC发电方案明显高于CFB发电方案，提高电站规模，可缩小二者之间的投资差距。相同发电规模情况下，两种方案的发电成本差距不大。发电方案选择需根据业主的投资能力、输出产品要求、环保要求、方案特点，结合当地的实际情况，确定适宜的发电方案。

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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

刘洪涛(1985-)，男，山东文登人，博士，工程师，主要从事电建项目设计管理工作。E－mail:lhtsepco@163.com