热裂解工艺对石油焦资源化利用的影响研究

马琦 贾亚东 秦海军 王学成

克拉玛依博达生态环保科技有限责任公司 新疆 克拉玛依 834000

石油焦作为石油炼制中形成的固体副产品，由碳、氢、氧、氮等元素构成。石油焦中含碳量很高，通过资源化利用，有利于提升经济效益与环保效益。石油焦资源化利用中主要包括燃料、活性炭原料以及石墨材料等，但是传统利用方式容易浪费大量资源，并带来环境污染的问题，对石油焦进行高效、环保处理尤为重要。热裂解工艺主要在高温条件下对石油焦进行分解，从而转化为附加值较高的产品，热裂解中石油焦内的有机物质在高温环境下出现断裂现象，生成无机物质在高温条件下发生断裂，生成甲烷、乙烷、丙烷等小分子烃类化合物，不仅能量密度较高，也能成为燃料使用。热裂解工艺在进一步化学反应中形成石油醚、汽油等化学品，并对其余气体、固体废弃物等实现净化处理目标，从而避免为环境带来污染与破坏。

1 石油焦的性质和组成

1.1 石油焦的物理性质

石油焦属于黑色、暗灰色的固态燃料，具有多孔性和高比表面积。石油焦密度约为1.2～1.9g/cm3，且具有很高的热值，达到了30～35MJ/kg。石油焦的硬度很大，莫氏硬度在4～7之间，加工的时候要用到特殊设备与技术。同时石油焦导电性与导热性也比较好，在电极、耐火材料制备中也应用比较多。

1.2 石油焦的化学性质

石油焦构成部分包括碳、氢、氧、氮、硫等元素，含量最大的分别是碳和氢，且碳大多为石墨形式，化学稳定性非常强。石油焦在空气中很难被氧化，只有遇到高温环境下极易与氧气、水蒸气等气体进行反应，形成二氧化碳、一氧化碳等化合物。石油焦内硫含量并不高，通常不超过0.5%，但在一些特殊情况下，硫会通过硫化物形式析出，从而危害到人体与环境。

1.3 石油焦矿物的组成

石油焦由无定形碳、石墨、矿物质以及有机物等构成，其中无定形碳为石油焦内最重要的构成部分，在石油焦总质量上超过80%。石墨为石油焦内常见的结构单元，其导电性较好，结晶度也非常高[1]。矿物质通常为铝酸盐、铁酸盐以及硅酸盐等有机物质，在石油焦内含量一般并不高，但对石油焦性能与用途影响非常大。有机物质是沥青质、树脂质等有机化合物，在石油焦内含量也不高，但也同样会对石油焦燃烧性能、环境等有较大影响。

1.4 石油焦的元素分析

石油焦元素分析重点是测定碳、氢、氧、氮、硫等元素，在元素分析过程中，能够充分掌握石油焦化学成分与矿物组成，让石油焦加工与应用获得相关依据。通常而言，石油焦内含量较高的是碳与氢，在总质量中的比例超过了80%。而氧、氮、硫等元素含量相对很低，在总质量中的比例分别是1%～2%、0.1%～1%和不足0.5%。石油焦内也包含了镍、钒、铬等微量金属元素，其对石油焦性能、环境等都有一定影响。

2 热裂解工艺的原理和方法

2.1 热裂解工艺的基本原理

对热裂解工艺来说，将大分子化合物置于高温条件下进行分解，让其形成小分子化合物。这个过程不仅有化学反应，也包括物理变化，确保高温条件下促使大分子化合物断裂，生成多种化学性质的小分子化合物。这样大分子化合物在低氧甚至无氧条件下，能够在加热后促使分子键断裂，形成经济价值较高的各类小分子化合物，常见的有石油烃类、烯烃、芳香烃等[2]。从热裂解工艺基本原理可知，主要是通过高温让大分子化合物被热分解，最终生成可利用的产品。

2.2 热裂解工艺的主要方法

当前热裂解工艺较多，常见的有以下几种方法：第一，固定床热裂解法。在固定床反应器内放置需要处理的原料，在不断加热的过程中让原料被热分解。固定床热裂解法能够对固体、颗粒状物料等进行有效处理，不仅操作比较简单，设备方面的投资也很少。第二，流化床热裂解法。在流化床反应器内放置需要处理的原料，让原料在加热过程中被热分解。流化床热裂解法在颗粒状物料处理中应用较多，不仅可以获得较好的传热效果，也能保证反应的速度。第三，移动床热裂解法。在移动床反应器内放置需要处理的原料，在加热中让其被热分解。在液体、气体等物料处理中一般会用到移动床热裂解法，不仅操作过程能保持稳定，也有利于提高产品质量。

2.3 热裂解工艺的关键参数

热裂解工艺关键参数如下：第一，温度。热裂解效果往往会受到温度较大程度的影响，不同原料与产品在温度条件上有差异。通常温度升高后，热裂解反应速度会加快，当然温度也不能太高，否则将出现副反应。第二，压力。压力在对热裂解反应的影响方面，通常是在气体产物生成与分离阶段，对压力进行严格控制，能够为气体产物生成与分离创造有利条件，压力不能太低，否则会造成反应的不充分[3]。第三，反应时间。主要是反应器原料停留的时间，对热裂解反应的完成程度有着直接影响。通常而言，反应时间增加后，才能保证充分进行热裂解反应，然而也不能让反应时间变得过长，否则会降低设备的利用率。

2.4 热裂解工艺的设备和工艺流程

在热裂解工艺应用过程中，需要用到反应器、加热系统、分离系统、冷却系统以及排放系统等设备，在工艺流程上分为原材料预处理、加热、热裂解反应、产物分离以及冷却等步骤。第一，原料预处理。主要对原料采取筛选、破碎、混合等处理，确保达到热裂解工艺要求。第二，加热。利用加热系统，让原料被加热到所需温度，让其进行热分解。第三，热裂解反应。主要在反应器内完成，生成经济价值较高的产品。第四，产物分离。利用分离系统分离热裂解产物与未反应的原料，保证产品纯度实现提升。第五，冷却。利用冷却系统让热裂解产物冷却到合适的温度，为储存与运输创造条件。

3 热裂解工艺对石油焦资源化利用的影响

3.1 热裂解工艺对石油焦能量回收的影响

热裂解工艺能够对石油焦进行转化，生成可再生能源，处理时利用高温条件让石油焦被分解，形成大量的热能与化学能，且能源主要在发电、供热等方面使用，这样能达到对石油焦能量的回收[4]。引入热裂解工艺后，能够大幅度提升石油焦能源利用率，有效减少了对传统化石燃料的依赖，在减少能源消耗的同时，也避免发生环境污染的问题。

3.2 热裂解工艺对石油焦物质转化的影响

热裂解工艺能够对石油焦的能量进行回收，通过转化后形成附加值较高的化学品。在进行热裂解的时候，石油焦中的碳氢化合物将出现断裂现象，形成小分子烃类、烯烃、芳香烃等化学品。这些化学品有一定经济价值，可以用于制造化工原料，具有广泛的应用前景，如作为化工原料、润滑油基础油、沥青改性剂等。通过热裂解工艺，石油焦的物质价值得到了提升，为石油化工行业提供了丰富的原料来源。

3.3 热裂解工艺对石油焦环境影响的影响

石油焦属于固体废物，在处理时会对环境造成较大的压力。热裂解工艺的应用，能够避免石油焦为环境带来影响。一方面，对石油焦进行热裂解过程中会形成大量废气、废水和废渣，采用先进处理技术能够加以净化与回收，减少污染物的排放。另一方面，热裂解工艺能够对石油焦进行转化，生成清洁能源与附加值较高的化学品等。这样可以避免直接对石油焦进行排放与填埋，避免环境出现污染问题。

3.4 热裂解工艺对石油焦经济价值的影响

通过热裂解工艺处理石油焦，可以让其经济价值得到大幅度提升。第一，对石油焦进行热裂解后，能够最大限度提高能量与物质价值的利用率，为企业带来巨大经济效益。第二，热裂解工艺的应用，能够让石油化工行业获得足够的原料来源，有利于对生产成本的控制，保证了市场竞争力的提升。第三，应用热裂解工艺后，能够促进石油焦资源的循环利用。

4 应用热裂解工艺促进石油焦资源化利用的途径

4.1 原料准备

原料准备是对石油焦热裂解的一项关键步骤，对热裂解效率、产物质量等影响很大。要想原料纯度与粒度达到热裂解要求，需要采取相应的预处理措施。第一，清洗。石油焦开采、运输以及储存期间会出现污染的情况，通过清洗能够石油焦表面杂质、污染物等去除。清洗时要选用合适的溶剂或洗涤剂，从而能够为原料纯度提供保障[5]。第二，破碎。石油焦一般为大块状，热裂解要求对原料进行破碎，形成小的颗粒，促使传热与反应速率不断提升。破碎所用设备一般为破碎机、磨机等设备，要结合实际需求将破碎方法、粒度等确定下来。第三，筛分。原料被筛分后让石油焦以不同粒度完成分类，从而达到实际热裂解工艺的要求。筛分所用设备包括振动筛、气流筛等，要从原料特性与要求出发，将筛分设备与筛网尺寸等确定下来。石油焦完成预处理后，能够让原料纯度、粒度等达到热裂解规定，从而促使热裂解过程更加高效，让产物质量得到改善，实现石油焦利用价值与经济性的提升。

4.2 热裂解反应

石油焦在经过预处理环节后，再将其置于热裂解炉内，在高温、无氧或低氧环境下完成热裂解反应。整个反应过程属于复杂的化学过程中，能够让大分子化合物被分解与重组，让石油焦内碳氢化合物等大分子化合物被分解，生成小分子气体和液体燃料，常见的有甲烷、乙烯、丙烯等。小分子气体或液体燃料的能量密度较高，也具备广阔应用前景。石油焦热裂解反应的方程式可以表示为：

从这个方程式可以看出，石油焦与水蒸气在高温条件下能够反应生成一氧化碳和氢气。这是一个吸热反应，需要提供大量的热量才能使反应进行。除了上述的基本反应外，还包含很多二次反应和副反应。如一氧化碳和氢气通过进一步反应，生成甲烷或其他烃类化合物；石油焦中的硫和氮等杂质也在反应过程中形成硫化物和氮化物。

4.3 产物收集

石油焦通过热裂解反应后，需要及时收集形成的气体或液体燃料，此时需要用到的设备包括冷凝器、分离器等。对冷凝器来说，主要让热气体被冷却为液体，分离器主要是分离沸点不同的液体燃料。通过对上述设备的设计与应用，可以保证石油焦热裂解效率与产物质量提升。

4.4 产物处理

对石油焦进行热裂解处理后，还要进一步对气体与液体燃料加以处理，主要工序有净化、脱水以及脱硫等，保证品质与可用性获得提升。在净化环节主要是去除燃料内含有的杂质，脱水环节则是去除燃料内的水分，而脱硫环节是去除燃料内的硫。如此一来，燃料品质才能大幅度提升，也避免为环境带来污染问题。

4.5 产物利用

石油焦热裂解反应后，生成的气体与液体燃料可以用作工业染料和化工原料，或者是进一步转化为其他有价值的产品。如甲烷能用作燃料，乙烯、丙烯等用作生产塑料与其他化工产品。石油焦热裂解过程中形成的产物也通常用于气、氢气等新能源的制备中。

5 结束语

在石油焦资源化利用过程中，热裂解工艺是一项重要的技术，能够促使石油焦转化效率大幅度提升，形成石油气、石油醚等附加值较高的产品。在石油焦热裂解过程中也能让有机物质在高温环境下出现断裂现象，形成小分子烃类化合物。这些小分子烃类化合物一般能量密度很高，常用于燃料使用，并在进一步化学反应中形成石油醚、汽油等化学品。此外，在石油焦热裂解后，还要对形成的气体或固体废弃物采取净化处理措施，从而达到保护环境的目的。