两种石油焦利用方案的综合比较.pdf

第 4 1卷第 8 期 2 0 1 2年 8月 当 代 化 工 C o n t e m p o r a r y C h e m i c a l I n d u s t r y V o 1 ． 4I． N O ． 8 A u g u s t ， 2 0 1 2 两种石油焦利用方案的综合比较 王春峰 ， 姜继伟 ，窦浩明 ， 孙惠山 1 ．中I司石油 I 程建设公 司华东设计分公 司，i l J 东 青岛 2 6 6 0 7 1 ； 2 ．中海油山东海化热电分公 司，山东 潍坊 2 6 2 7 3 7 摘 要针对重油加丁产生的高硫石油焦在炼厂的利用方案进行讨论。从石油焦制取氢气、蒸汽、发电等 产品的物料平衡，设备配置，产品供给的安全性 ，环保 ，经济性等角度对 I G C C和 P O X C F B方案进行分析比 较。对具体设计工作具有一定的指导意义。 关键词 石油焦 ； I G C C ；C F B 中图分类 号 T E 6 2 4 文献标识 码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 20 8 0 8 1 9 0 4 Co m pr e he ns i v e Co m pa r i s o n o f Two Ut i l i z a t i o n Pl a ns o f Pe t r o l e um Co ke W A N G C h u n -f e n g ， J I A NGJ i w e i ， DOUHa o m i n g 2 ， S U NHu i s h a n 1 ． C N P C E a s t C h i n a De s i g n I n s t i t u t e ， S h a n d o n g Q i n g d a o 2 6 6 0 7 1 ，C h i n a ． 2 ． C NOOC S h a n d o n g Oc e a n Ch e mi c a l T h e r mo e l e c t r i c Br a n c h ， S h a n d o n g We i f a n g 2 6 2 7 3 7 ，Ch i n a Abs t r a c t The u t i l i z a t i on of hi g h s u l f u r p e t r ol e u m c o ke pr od uc e d i n t he he a vy oi l pr o c e s s i n g wa s d i s c us s e d ．Fo r m t he a s p e c t s of ma t e r i a l ba l a nc e d uring pr o duc i ng h yd r o ge n a nd s t e a m，po we r g e n e r a t i o n wi t h pe t r ol e u m c ok e，d e v i c e c o n fig u r a t i o n ，s e c u r i t y o f p r o d u c t s u p p l y ,e n v i r o n me n t a l p r o t e c t i o n a n d e c o n o my , I GCC p l a n a n d P OXCF B p l a n we r e a na l y ze d a nd c o mpa r e d， whi c h c a n p r o vi de s o me r e f e r e nc e s f o r t he de s i gn wo r k． ． Ke y wo r ds Pe t r ol e u m c o ke ；I GCC； CFB 目前 国内原油的产量 已经不能满足国内的能源 需求 ，需要更多的进 口原油作为补充。由于价格和 供求关系的影响 ，进 口原油多为高硫 、高酸 、高重 金属含量的重油甚至超重油。在处理这些原油的时 候需采用脱碳型流程 ，焦化技术往往成为加工总流 程的必然环节 ，而焦化技术 中的延迟焦化 出场频率 又是相 当的高。所以重油总加工过程 中往往产生大 量的石油焦。石油焦 的特性与煤相近，然而又有所 不同。如何合理利用石油焦便需要认真讨论。 _丁业应用石油焦 ，硫含量往往决定其用途 ，硫 含量不大于 2 ％的石油焦通常用于生产电极 ⋯。含 硫量 2 ． 0 1 ％～3 ％的石油焦可与低硫焦混合 ， 也可生 产 电极。 含硫量再高的石油焦通 常为燃料级石油焦。 燃料级石油焦作为燃料与煤相 比有其 自身的特 点 。首先热值高 ，约 3 ． 2 5 3 X 1 0 J ／ k g ，而普通烟煤 2 ． 4 41 0 ～3 ． 0 2 1 x 1 0 J ／ k g 。 石油焦 的另一个特点是 灰分含量低 ， 一般仅为 0 ． 1 ％， 而多数煤达到 1 0 ％以 上 。石油焦燃料也有其不足之处 ，最大的问题是挥 发份含量低 ，一般为低于 1 0 ％，而煤 2 0 ％～ 4 0 ％， 石油焦需要和煤混合才能作为燃料 ⋯。由于其挥发 份低的特点 ，通常需要和煤混合作为锅炉燃料 ，纯 烧石油焦的锅炉 目前只有 F w 有业绩。同时由于石 油焦硫含量高 ，易引起低温腐蚀和环境污染 。钒含 量高 ，容易导致高温腐蚀 ，一般混合燃料 中石油焦 的比例限定在 2 0 ％以下 。 石油焦在炼厂除可以作为燃料外 ，还能通过石 油焦气化制取氢气。重油脱碳的同时必然加氢才能 达到国家相关的标准，通过石油焦气化技术制取氢 气 的成本要 比其它途径 如 S MR的成本低。至于 制取炼厂生产所需要的蒸汽 ，既可 以采用石油焦直 接烧 C F B锅炉的方案 ，也可以采用 I G C C方案。笔 者根据 自身经验 ，对石油焦气化路线的方案组合比 选做一介绍。 P O X C F B方案 气化制氢 C F B锅炉，利用炼 厂的石油焦制取氢气 ， 剩余 的石油焦通过 C F B锅炉 发生蒸汽供炼厂使用。 I G C C方案 利用炼厂的石油焦通过 P O X全厂 转化为合成气 ，一部分根据炼厂需要变换为氢气， 剩余 的合成气进入燃气轮机发电，通过余热锅炉回 收热量发生蒸汽供炼厂使用 。 l 流程介绍 1 ． 1 气化制氢流程简介 石油焦气化由制浆 ，气化 、合成气洗涤 ，耐硫 变换 ，合成气净化 ，P S A等几部分构成 。由煤贮运 系统来的碎煤 、工艺水和添加剂一同送入磨机中研 收稿 日期 2 0 1 2 - 0 3 2 5 作者简介 王春峰 1 9 7 9 一 ，男，工程师，硕士，从事炼油化工行业工艺专业设计工作。E - m a i l w a n g c h u n f e n g 2 O 1 0 i 2 6 ． c o m 。 8 2 0 当 代 磨成一定粒度分布的浓度约 6 0 ％～6 5 ％的水煤浆。 F } 1 煤浆给料泵加压 ，送至德士古烧嘴的内环隙。空 分装置送来的纯度为 9 9 ． 6 ％的氧气送入德士古烧嘴 的中心管和外环隙。水煤浆和氧气在德士古烧嘴中 充分混合雾化后进入气化炉的燃烧室 中，在约 6 ． 5 MP a 、1 4 5 0 条件下进行气化反应。生成以 C O和 H 为有效成份的粗合成气 。合成气经洗涤系统后进 入变换单元。变换采用耐硫变换的方式 ，以利用饱 和合成气 中的水蒸汽。合成气 中的一氧化碳在一定 的温度条件下 ，在催化剂的作用下 ，与水蒸汽进行 变换反应 ，生成二氧化碳和氢气。反应放出的余热 可产生蒸汽 。变换后的气体经过净化单元脱 出气体 中的 H S和 C O 等组分。最后经 P S A提纯后达到炼 厂需要的氢气纯度 ，送至各加氢装置。 1 ． 2 CF B锅 炉流 程简 介 石油焦经破碎后送入炉前煤仓， 经给煤机送入炉 膛密相区燃烧。由鼓风机鼓人一次风、二次风在炉膛 内形成流化燃烧。炉内采用石灰石粉脱硫 ，燃烧产生 的炯气经除尘脱硫后排人烟囱。除氧后的锅炉给水经 锅炉给水泵进入锅炉受热蒸发 ，产蒸汽并网。 1 ． 3 I GC C流程简介 经石油焦气化装置产生的合成气不进行变换 ， 经脱硫净化后送人燃气轮机 ，在燃气轮机内和高压 空气混合燃烧加热 ， 膨胀做T ， 推动机组转动发电， 同时从燃气轮机 出口的烟气仍有 6 0 0 左右 的温 度。通过没置 HR S G回收高温炯气 的能量 ，用于产 生蒸汽 ，供炼厂使用。 利用石油焦制取氢气成本低 ，而且利用炼厂 自 身的劣质原料制取重要的原料氢气 ，是一个好的 路。另外蒸汽方案的组合需要根据实际情况确定 。 笔者根据实际T程适当的简化为例 ，从而说 明两种 方案的比较结果。 量用于发电 ， 由于 I G C C采用燃气一 蒸汽联合循环其 效率要高于 C F B锅炉凝汽发电，故 I G C C的发电量 要远远大于 C F B锅炉。此工况适用于石油焦过剩 ， 且无外销途径的情况下 。同时在边远地区或者海外 J 程需 要 建设 孤 网 电站 的炼 厂 也可 以考 虑 采用 I GCC 表 2两种工况物料平衡 Ta bl e 2 M a t e r i a l ba l a nc e of t wo pl a ns 对于T况二 ，石油焦量较紧张 ，可以看 出在满 足炼厂氢气和蒸汽需求量 ， 发电量不要求的情况下 ， I G C C需要 的石油焦量要大于 C F B方案。导致这一 现象发生 的原 因主要在 于产蒸汽和发 电的程序 ， I G C C方案燃机先发 电，回收燃机 的热量产生蒸汽 ， 因燃机 的出门温度波动不大 ，如果需要产汽量大 ， 那么发 电量也一定要大 ，二者成正 比例关系 ，在总 能量一定的情况下 ， 二者相互制约。而 C F B锅炉程 序相反 ，首先通过锅炉产汽 ，然后汽轮机发 电，汽 轮机的发 电量是可以根据需要控制 的，如果外界需 要的蒸汽量大 ，那么可少发电，外界需要的蒸汽量 少 ，这可以多发电，因二者的关联度没有 I G C C那 么多，所以可 以灵活调节发电和产汽的关系。在炼 厂石油焦并不充足，且可以从外电网下载电的情况 下 C F B锅炉的供热优势就显现出来 了。 2 物料平衡对比 3 设备配置对比 选取某重油加一 I 延迟焦化装置的石油焦 ，其干 基元素分析详见表 1 ，该石油焦的挥发分小于 1 ％， 水分在 8 ％～ 1 2 ％。 表 1 石油焦 元素 分析 Tab l e 1 Pe t r ol e um c o ke e l e m e n t a l a nal ys i s 通过表 2可以看出对于T况一 ，由于石油焦量 过剩 ，在满足氢气和蒸汽要求的情况下 ，剩余 的能 采用 P O X、C F B方案和 I G C C方案除气化装置 需要气化炉意外 ，其它存在很大的差异。同时由于 I G C C燃气轮机需要用合成气作为燃料 ， 二者的气化 炉的数量也存在差异。主要设备列表洋见表 3 。 采用 I G C C方案石油焦气化装置设备数量要大 于 C F B方案 ； 另外联合循环需要燃气轮机 ， HR S G， 汽轮机等设备。C F B方案气化炉数量较少 ，但增加 C F B锅炉 ，汽轮发电机组及相应的锅炉辅机。从操 作难度来讲 。C F B复杂度要离 I G C C复杂 ，占地也 较大。但 I G C C机组的连锁较多 ，操作时候应注意 跳车影响气化装置。 第 4 1卷第 8期 王春 峰，等 两种石油焦利用方案 的综合 比较 8 2 l 表 3 主要设备配置 Tabl e 3 M a i n e qui pme nt s c onfigur a t i o n 4 可靠性分析 4 ． 1 氢气供应可靠性分析 I GC C和 C F B方案都要提供炼厂所需的氢气和 蒸汽 ，二者供给的安全性也是做方案选择时候应该 考虑的重要因素之一 ，以工况二为例考虑 ，氢气在 线率详见表 4 。 表 4 气化炉在线率 Ta bl e 4 The ga s i fie r o nl i ne r a t e 由于 I G C C气化炉的数量大于 C F B方案 ，故气 化炉的在线率大于 C F B方案 ， 在氢气供给方面 I G C C 方案稍优于 C F B方案。 4 ． 2 蒸汽供应可靠性分析 C F B锅炉检修率也较高 ， 按照统计数据 C F B锅 炉在线率见表 4 。 I G C C和 C F B都能满足生产用汽需 要 。C F B方案采用 3 3 0 t ／ h C F B锅炉 ，当锅炉出现故 障时， 可通过降低汽轮发电机组负荷满足生产用汽。 而且石油焦通过锅炉产蒸汽的安全性要高于 I G C C 蒸汽的保障。 表 5 CF B锅炉在线率 Tabl e 5 The CFB bo i l e r onl i ne r a t e 5 环境影响分析 采用 I G C C方案 由于燃气轮机消耗的合成气在 净化工序已经将 S O 脱出， 所以， 排放烟气中的 S O 含量很低 ，燃气轮机燃烧产生的 N O x含量也很低。 通过合成气燃烧几乎不产生飞灰 ，故烟气 中的含尘 量很低。 I G C C有利于将来炼厂 C O z 的封存减排和综 合利用 ，C F B锅炉无此功能。 C F B锅炉燃用高硫石油焦 ，即使控制床层最佳 脱硫温度 ， 降低 S 0 2排放 ， 但必然产生大量的 S 0 2 排放量必然大于 I G C C ，但通过炉内 炉外两级脱硫 和脱销 、 除尘措施也可以使烟气排放满足 国家标准 。 但脱硫产生的大量石膏的处理是一个新问题 ，目前 部分优质石膏可用于建材 ，大部分作为固体废弃物 填埋。烟气 中 N O x 排放量如果要达到 1 0 0 m g ／ m N 排放标准 ，需要采用 S C R技术对烟气进行脱硝。考 虑到安全性和 H S E等因素，脱硝还原剂采用尿素 。 N O 经脱硝处理后可控制在环评批复指标范围之 内。在环保方面 I G C C占有绝对的优势。 6 经济性评价 6 ． 1 敏感性分析 选取影响经济效益结论 的重要因素进行敏感性 分析 ，经分析，两方案敏感I生因素的敏感程度由高到 低均为 氢气价格 建设投资 石油焦价格 电价格。 氢气价格和建设投资因素对各方案评价结论影 响虽大 ，但影响程度接近 ；电的价格 南于评价基于 用电与 自发电抵消后的余额进入成本 ，敏感程度较 低 ，但各T况下 C F B方案对电价敏感程度均高于 I G C C方 案 。 f 下转第8 2 4页 化 工 度无法驱动斯特林发动机时可以切换至备用电动泵 运行。该方案可以在正常生产时几乎不使用电机 ， 达到 0耗电 目的。 在炼厂各个装置，特定条件下都可 以用斯特林 发动机替代电机驱动设备，电机因为使用电能有一 定安全隐患 ，而斯特林发动机既不耗电又不产生任 何火花 ，也不存在受晃 电影响 ，很适合替代电机 ， 特别是在炼厂周围供电不稳 的地方。 4 斯特林发动机替代汽轮机 汽轮机是炼厂最常用的蒸汽驱动设备之一 ，该 设备具有很多优点 ，大量被采用 ，而其也具有几乎 不 可克服的缺点 ；由于其结构的原因，对蒸汽的质 量及压力要求很高 ，带有杂质或是凝结水会对汽轮 机叶片造成损坏 ， 而其压力直接影响汽轮机的转速 ， 汽轮机的蒸汽密封系统也使其容易受到蒸汽质量影 响，在对转速要求不是很高的情况下 ，斯特林发动 机可以替代汽轮机驱动设备 ，由于斯特林发动机的 特有的结构 ，蒸汽不直接驱动斯特林发动机 的活塞 运动，所 以对蒸汽质量无任何要求 ，而 且其转速对 压力波动也不敏感 ，能在蒸汽质量及压力非常不好 的T况下平稳运转。 5 结 语 由于斯特林发动机结构的特性 ，使其对 况有 很高的容忍性 ，很适合在余热回收以及节能方面应 用 ， 在炼厂大量推广使用可以节省很大的能耗开支 ， 既经济又环保。在我国斯特林发动机的利用还处在 初级阶段 ，现在越来越被重视并利用 ，该发动机在 我国并不存在技术瓶颈 ，应用空间很广泛。实际一 些国家在石油T业方面已经率先开始尝试斯特林发 动机的使用， 如 s T M公司利用井气伴生气发电 等。 参考文献 [1]许行 ， 宋宏 杰 斯 特林 发 动 机 的研 究 J亍发 展【 J l _ 四川 兵 1 学 报， 2 0 1 1 ，3 2 6 1 0 4 1 0 7 [ 2]李丰． 斯特林发动机在低品位能源利用中的研究[ Dl_ 保定 4 J t 电力 大学硕士学位沦文，2 0 0 6 1 2 [ 3] 马天余．S T M外燃机一适合西部开发的一种节能新设备【J 1 ．化 1 技术 经济 ，2 0 0 2 2 0 3 5 7 5 8 ． [4]李淑 华 ， 商 平 ． 提高 加 热 炉热 效 牢 途径 的探 讨l J l_ 炼油 ‘ 化 _ 1 _。 2 0 1 I ， 1 6 f 4 1 9 1 0 [ 5]韩 晓平 S T M 外燃机利用井 口伴生气现场发电技术经济性 分析 [ E B ／ O L ] ．2 0 0 2 1 O - 2 5 ． h l t p ／ ／ w w w ． c h in a ．％ c o r r g s h o w ． f p 【 m t P n t id 4 I 5 I 4 ． 上接 第 8 2 1页 6 ． 2方案经济比较结论 在方案一的工况下 ，I G C C 的投资相对于 C F B 方案要高 ， 投资回收期较 C F B短 ， 内部收益率略高 。 在方案二的T况下 ，I G C C 的投资相对于 C F B 方案要高 ， C F B方案内部收益率比 I G C C方案略高， 但财务净现值 比 I G C C方案低 ，经济 比较结论为两 方案基本相当。 通过 以上不同工况间比较可以看出，在对 t E i [ i 况一下 ，两方案经济效益基本相 当，随着石油焦量 的增大 ， I G C C相对优势逐步明显 。 7 结 论 石油焦含硫量低，可做T业电极生产 ； 在有销售 渠道 的情况下 ，石油焦的价位要远远高于燃料石油 焦，应有限选择对外销售，已获得更高的经济效益。 因石油焦含硫量高或者无法销售的情况下 ， 可以 作为炼厂的自用原料 ，用于 自产氢气 、蒸汽和发电。 I G C C的环保效益要明显大于 C F B， 从长远角度 看 ，发展前景广大。 I G C C与 C F B方案的选择 ，设计到石油焦的产 量和氢气消耗量之间的关系，资本投入 ，操作管理 运行等多方面的因素 ，不能盖尔论之 ，应根据具体 的项 目情况综合考虑。 参 考文献 [1 ] 廖 健 燃料 级 石油焦 的合 理利 用【 J ll 齐鲁 石油化 ， 1 9 9 9， 2 7 1 6 3 6 7 [ 2] 程一步． 石化企业高硫石油焦利用途径探 讨[ J J．炼油设计 ，l 9 9 9 ， 2 9 8 5 5 ． [ 3 ]韩松 ， 赵长遂， 等循 环流化床锅炉掺烧石油焦 的s 排放特性研究 l J 1l 锅炉 设计 ，2 0 0 4 ，3 5 5 7 4 7 8 ．