石油焦质量和市场分析.docx
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石油焦质量和市场分析
石油焦质量和市场分析
申海平王新军王玉章刘自宾
前言
石油焦是由延迟焦化装置生产的黑色固体或粉末。
根据石油焦的结构和外观，又分为针状焦、海绵焦和弹丸焦。
针状焦具有明显的针状结构和纤维纹理，对生产工艺和原料都有特殊要求，主要用于生产电炉炼钢的高功率石墨电极。
海绵焦化学反应性高、杂质含量低，主要用于炼铝工业以及炭素行业。
弹丸焦一般是由高硫、高沥青质的渣油生产，只能作为燃料用于发电、水泥等工业。
随着原油变重、重质燃料油市场缩小以及环保对汽油、柴油质量要求的提高，焦化已成为重要的渣油加工手段，随之而来的是越来越多的石油焦投放到市场。
截至2002年在我国共有31套延迟焦化装置，焦化总加工能力已超过2300万吨/年，生产延迟石油焦500多万吨，石油焦质量和市场的波动将直接影响石化企业的效益及经营策略。
我国加入WTO后受经济全球化的影响，国际石油焦市场的变化也会直接影响国内石油焦市场。
分析石油焦生产与市场需求的现状及发展趋势，为企业延迟焦化生产及石油焦质量控制，预测石油焦市场风险，调整产品结构提供科学依据。
2 石油焦的生产与应用
2.1石油焦生产
自从1929年美国Standardoil建成第一套延迟焦化装置以来，延迟焦化的技术革新就从未停止过，除焦系统对环境的污染得到了较大的改善。
延迟焦化工艺由于技术成熟、重油转化率高、生产成本低等优点已被许多炼油企业广泛用于重油深加工。
2002年世界延迟焦化能力已达到1.5亿吨/年（如表1所示）。
延迟焦化能力在2001年增加了2.75%，从1998年到2002年总计增加了7.57%。
美国的焦化能力最大，占世界总能力的60%以上。
按石油焦产率30%计算，每年世界延迟石油焦产量达到4600万吨左右。
表1世界延迟焦化加工能力统计
地区
延迟焦化能力（万吨/年）
01~02的
98~02的
增加量
增加量
1/98
1/99
1/00
1/01
1/02
/%
/%
美国
8187.5
8801.5
9090
9261
9534
2.95
16.44
加拿大
79
81.5
82.5
82.5
82.5
0
4.43
拉美/加勒比地区
1068.5
1068.5
1510
1270
1270
0
18.86
西欧
1320
1362
1367
1252
1237
-1.20
-6.29
独联体/中东欧
1680
1523.5
1521.5
1065
1065
0.00
-36.61
中东
391
391
433
433
433
0.00
10.74
非洲
82.5
82.5
82.5
82.5
82.5
0.00
0
亚太
1528.5
1650
1649
1563.5
1718.5
9.91
12.43
合计
14337
14960.5
15735.5
15009.5
15422.5
2.75
7.57
随着中国经济的快速增长和环保法规的日益严格，中国炼油工业面临提高轻质燃料油收率和改善质量的双重挑战。
从90年代后期，许多企业采用延迟焦化技术提高原油加工深度和轻质油收率，新建延迟焦化装置（详见表2）16套，不少装置还进行了扩能改造。
延迟焦化能力从90年代初期的791万吨/年发展到2002年的2354万吨/年。
石油焦产量已达500多万吨，占世界石油焦市场的10%左右。
表2 中国延迟焦化及石油焦生产能力，万吨/年
年份
焦化加工能力
石油焦产量
1990
791
1995
1348
240
1999
2063
392
2002
2354
502
2.2石油焦应用
1999年世界石油焦产量为4800万吨左右，其应用市场分布如表3。
世界上石油焦最大用户是水泥工业，其消耗量约占石油焦市场份额的40%；其次是石油焦煅烧后用来生产炼铝用预焙阳极或炼钢用石墨电极，有22%的石油焦进行煅烧。
石油焦作为燃料发电、供热也被广泛使用，特别是循环流化床锅炉（CFB）技术的发展和应用，可以有效减少高硫石油焦燃烧后SOx排放对环境的污染，但CFB锅炉投资比较大。
炼钢工业使用石油焦作为钢铁的增炭剂，这部分用量远没有生产石墨电极的用量大;还有部分石油焦用于二氧化钛以及聚碳酯生产等化工行业。
表3 世界石油焦使用概况*
用途
用量/万吨
市场份额/%
水泥工业
1920
40
煅烧焦（生产阳极糊或电极）
1056
22
发电
672
14
炼钢（炼钢用增炭剂）
336
7
燃料供热
48
1
其它
768
16
合计
4800
100
*中国和前苏联未统计在内
我国石油焦的主要应用领域见表4。
在2000年炼铝工业石油焦用量为215万吨，占石油焦总消费量的2/3，随着炼铝行业的迅速发展，炼铝用石油焦市场会进一步扩大；生产电炉炼钢用石墨电极以及炼钢用的增炭剂消耗石油焦46万吨，占石油焦市场的14%左右；燃料用焦主要是部分企业用高硫石油焦（煤）代替重油发电以及生产合成气，随着高硫焦产量的不断增加，这部分市场也将会进一步扩大。
表4 我国石油焦消费状况
消耗行业
2000年/ 万吨
所占比例/ %
实际消费量
322
100
炼铝
215
67
炼钢
46
14
燃料及其它
61
19
3石油焦质量及要求
3.1 石油焦质量现状
为考察石油焦质量现状，分别从国内生产企业采集了15个焦炭样品，海关采集7个具有代表性的进口石油焦样品。
所有样品均为普通煅烧前石油焦，对这些样品进行了全面质量检验，分析结果归纳见表5。
国产石油焦挥发分的平均值与进口石油焦相当，但波动幅度较大。
部分企业的挥发分太高，首先影响石油焦质量和使用，其次降低石油焦挥发分含量有助于提高焦化液收和经济效益。
挥发分实际上是大的碳氢分子滞留在石油焦中形成的，石油焦挥发分大于12%的企业应充分重视，通过采取升高焦化温度以及其它技术措施将石油焦的挥发分降下来。
石油焦的灰分主要由石油渣油中的金属氧化物及盐类在焦炭中浓缩形成的。
由于国内原油的重金属含量普遍低于进口原油，所以国内石油焦灰分含量较低，平均值为0.18%远低于进口石油焦的平均灰分0.64%，最大只有0.36%。
国内石油焦的水分平均值为8.3%，远高于进口石油焦的水分。
这完全可以通过石油焦储运技术和管理的改进将水分维持在8%以下，减少用户运输成本和运输过程渗水对环境的污染。
国内石油焦的抗磨指数平均值为81.3，大于进口石油焦，说明我国石油焦比较软，容易破碎。
表5 国产与进口石油焦分析结果
焦炭来源
国 产
进 口
最高
最低
平均
最高
最低
平均
挥发分/w%
17.6
6.8
10.74
13.2
9.6
10.2
灰分/w%
0.36
0.06
0.18
1.04
0.16
0.64
水分/w%
15.3
0.2
8.3
10.5
0.6
3.4
哈氏可磨性
120
40
81.3
107
35
67.2
热值/g.cal-1
8724
8266
8453
8529
8089
8282
w（C）/µg.g-1
91.4
87.9
89.9
90.79
85.76
88.06
w（H）/µg.g-1
4.32
3.49
3.91
4.17
3.51
3.85
w（S）/µg.g-1
5.96
0.73
1.98
8.08
1.61
4.72
w（N）/µg.g-1
2.9
1.21
2.102
2.32
1.33
1.85
w（Al）/µg.g-1
359
4.7
79.5
143
8
47.7
w（Ca）/µg.g-1
378
20.5
131.4
149
29.6
70.4
w （Cu）/µg.g-1
2.5
0.3
0.9
4
0.7
1.5
w（Fe）/µg.g-1
357
60.4
126.2
292
64.4
195.2
w（Mg）/µg.g-1
14.4
3.5
8.9
17.9
6.5
10.2
w（Na）/µg.g-1
74.4
8.6
32.2
50.6
12.8
27.7
w（Ni）/µg.g-1
504
106
198.3
461
114
274.7
w（Pb）/µg.g-1
8
0.2
1.1
1.1
0.2
0.57
w（V）/µg.g-1
710
21.4
161.2
1687
92.5
762.5
国产石油焦的热值普遍高于进口石油焦，这是因为国产石油焦碳氢含量之和为93.81%，高于进口石油焦，而杂原子含量较低。
硫是影响石油焦质量的最重要指标之一，由于石油焦中硫在石油焦使用过程中都会氧化转化为SOx，造成环境污染。
国产石油焦硫含量平均值为1.98%远低于进口石油焦；但部分加工进口高硫原油的企业，石油焦硫含量最高达5.96%。
进口石油焦硫含量普遍较高，最高达8%，在使用过程中必须注意硫对环境的污染问题。
我国石油焦的氮含量普遍高于进口石油焦，但氮对石油焦的使用影响不大。
在炼铝工业中，焦中的金属会最终转移到铝产品中，由于炭阳极会在炼铝工业中消耗掉。
碳素材料中大多金属杂质对其氧化反应有催化作用，多种金属的协同催化作用（如V+Na，V+Fe+Cu）将远大于单种金属的影响。
杂质的催化作用将直接提高阳极炭耗，所以炼铝用石油焦对金属含量提出了明确的要求（1，2）。
本次对石油焦中关键金属组分进行了检测分析。
近年来，部分企业将催化油浆掺入焦化原料中，使催化剂粉末进入焦炭中，造成铝含量偏高。
由于我国部分重质含酸原油含有一定量的钙，很难在脱盐过程中除去，最后累积在石油焦中，造成石油焦钙含量偏高。
国内石油焦的钠含量也普遍高于进口石油焦，反映了国内在原油脱盐脱水方面有待改进。
由于加工进口油以及高金属含量的劣质渣油越来越多，石油焦中镍和钒的含量越来越高，镍含量已接近进口石油焦水平，钒含量较低。
国产石油焦在关键质量指标如硫、灰分和金属含量等均优于进口石油焦，总体质量较好；但挥发分、水分等指标有待进一步改善。
3.2 各行业石油焦质量要求及问题
国内石油焦质量普遍认可的标准是SH0527-92。
该标准主要根据石油焦的硫含量分类的。
其中一级品、1A和1B焦适用于炼钢工业中制作普通功率石墨电极，也适用于炼铝工业中制作铝用碳素；2A和2B焦用于炼铝工业中制作铝用碳素；3A和3B用于化学工业中制作碳化物或燃料。
用户单位根据自身特点对石油焦质量也提出了具体要求。
炼钢行业专家提出制备石墨电极用石油焦标准（见表6
（1））中与现行的SH/T0527标准相比增加了热膨胀系数、粉焦含量等指标。
硫含量要求不大于0.5%，这一标准是早期针对大庆石油焦提出的，目前这类石油焦生产量很少。
部分冶金企业反映国内供应的石油焦中金属含量过高主要是镍、钒，已影响到企业的生产及产品质量，但未提出具体指标要求。
表6 冶金部专家建议石油焦质量指标
用 途
高功率
普通
铝用
实验方法
石墨电极
石墨电极
炭素制品
CTE/10-6.oC-1
≯1.6
≯2.0
GB3074-82
（室温~600 oC）
灰分/w%
≯0.15
≯0.5
≯0.5
GB3074-82
硫分/w%
≯0.3
≯0.5
≯1.0
GB3074-82
粉焦量/w%
≯20
≯20
（5mm以下）
我国石油焦的最大用户是炼铝工业。
铝是由Al2O3经过电解还原生产，由石油焦制备的预焙阳极作为炼铝过程的还原剂，其化学反应式如下：
生产一吨电解铝，化学反应过程的理论炭阳极消耗是363公斤；在实际生产过程中，由于CO的产生以及炭和空气发生氧化反应，实际炭耗量约450~500公斤/吨铝，炼铝阳极的质量直接决定电解铝的质量和成本。
世界炼铝工业对石油焦的质量要求如表7。
炼铝工业除对石油焦灰分、挥发分、硫含量等质量指标有一定要求外，一些对炼铝工业影响比较大的质量指标也提出了明确要求：
如各种金属含量、颗粒度、空气、二氧化碳反应性等都制定了相应质量控制指标。
我国大部分石油焦都可满足以上指标要求，并具有硫和金属含量低的优势；石油焦生产企业应与炼铝及炭素企业共同制定炼铝专用料石油焦质量标准，限制劣质石油焦的进口。
部分加工进口高硫油和塔河油的企业，硫含量和金属难以满足以上要求。
许多石油焦用户提出定点、定质、定量生产采购，减少石油焦性质不稳定对阳极质量的影响。
各种石油焦均可作为燃料使用。
对硫含量、金属、挥发分等各种指标没有明确要求，但要求质量稳定。
CFB锅炉技术可以有效解决高硫石油焦燃烧排放SOx的问题，但CFB锅炉发电投资比较大（3）。
随着原油中硫含量不断升高，而清洁燃料硫含量的要求越来越低，许多炼厂采用IGCC（IntegratedGasificationCombinedCycle）技术，利用石油焦发电并生产合成气或氢气，解决炼油企业为脱硫而氢气不足的矛盾。
目前为生产含硫<30µg/g汽柴油，许多研究人员将目光转向利用石油焦制备合成气，然后利用费-托合成技术生产柴油。
随着加工原油硫含量不断升高，高硫石油焦的利用已成为我国炼油业面临的重大研究课题。
表7 炼铝阳极用石油焦一般质量要求
性质
生焦
熟焦
水分/w%
8-10
<0.30
氢/w%
<0.10
灰分/w%
<0.4
<0.40
挥发分/w%
<11.5
<0.40
硫/w%
<3.5
<3.0
钒/µg.g-1
<300
<250
镍/µg.g-1
<200
<200
硅/µg.g-1
<250
<200
铁/µg.g-1
<300
<300
钙/µg.g-1
<200
<150
钠/µg.g-1
<100
<100
弹丸焦含量/w%
0
0
振实密度（VBD）/g.cm-3
>0.84
表观密度（Hg）/g.cm-3
>1.70
真密度（He）/g.cm-3
2.05-2.08
电阻率/ohm-in
<0.042
600oC空气反应性/%.min-1
<0．25
525oC空气反应性/%.min-1
<0.30
CO2反应性/%
<12.0
颗粒完整性/%
75%
粉碎因子
0.9-1.1
哈德格罗夫指数（HGI）
75-85
32-40
筛分累积收率/%
0
+30 mm
>8.0
+8 mm
>30-40
+4 mm
>45
+2 mm
<30
-1mm
-0.25 mm
<15
4 石油焦市场
4.1市场状况
目前国内石油焦市场总体是供货略有不足,个别炼油厂出现了用户排队等货的现象。
随着我国炼铝工业的迅速发展，对炼铝石油焦的需求量会进一步增加，鉴于国内石油焦供不应求和价格持续走高的现象，用户开始转向使用进口石油焦。
2000年国内石油焦进口量为3.93万吨（其中生焦1.88万吨，煅烧焦2.05万吨）;2001上升到20.89万吨（其中生焦18.24万吨，煅烧焦2.65万吨），2002年石油焦进口量猛增到127.71万吨（其中生焦122.99万吨，煅烧焦4.72万吨）。
根据行业原有规划，2005年全国铝产量将达到380万吨（见表8），需石油焦300万吨；但最近了解，2005年全国铝产量将会突破500万吨，可能会达到600万吨，以此推算，炼铝行业需石油焦约450万吨，到2010年预计全国铝产量达到750万吨，需石油焦580万吨。
2005年全国钢产量按1.4亿吨，电炉钢按20%计算，需石油焦65万吨；燃料用焦是部分企业使用石油焦（煤）代油（约137万吨）和少部分燃料，共150万吨；其它化工行业，约40万吨左右，2005年全国石油焦需求合计约705万吨，2010年需求量约为900万吨。
未来石油焦市场增长最快的是炼铝行业用石油焦，从2000年到2010年，炼铝用石油焦市场从215万吨/年增长到580万吨左右，增长率为170%。
尽管我国延迟焦化发展很快，但远远不能满足炼铝工业发展对石油焦的市场需求，这块市场的缺口可能短期内还需要进口部分石油焦弥补或采用部分等外石油焦。
表8 我国石油焦市场预测, 万吨
消耗行业
2001年
2005（预测）
2010（预测）
实际消费量
361
705
900
炼铝
246
450
580
炼钢
47
65
80
燃料及其它
68
190
240
4.2美国石油焦价格
由于美国是世界上最大的石油焦生产国，其产量约占世界石油焦产量的60%，美国的石油焦出口价格直接决定国际石油焦价格。
由图1美国石油焦价格走势可以看出，石油焦价格波动范围比较大，石油焦的价格随煤的价格和石油焦供求关系的变化而上下波动。
以低硫（<2%）石油焦价格为例，在90~92年，其最高价格在50美元/吨以上，在99~2000年，最低价格只有20美元/吨。
但低硫石油焦和高硫石油焦的价差相对比较稳定。
图1美国石油焦价格走势
4.3国内石油焦价格
近年来由于我国建筑、基础设施发展比较快，带动了有色金属行业的迅速发展，对石油焦的需求逐年上升，各企业的石油焦销售比较顺利。
炼铝用石油焦销售价格也从2001年年初的300元/吨涨到2002年11月份的600元/吨，目前石油焦的出厂价维持在500元/吨左右。
生产电极的优质石油焦国内需求量增长不大，价格也有一定的上浮，根据石油焦质量不同，2002年以后石油焦市场仍然较好，石油焦价格比2001年升高了200多元，目前生产电极石油焦价格在600-1000元/吨左右。
随着国内价格的不断上涨，石油焦进口量增长较快，由于国内销售价格高于我国石油焦进出口价格，生产企业出口不积极也不顺利，加上进口石油焦对市场的冲击，近期石油焦价格略有下降。
5 结论和建议
（1）世界上延迟焦化加工能力持续增长，总量已超过1.5亿吨/年。
石油焦生产能力是4800万吨/年左右。
主要用途有：
水泥工业占40%，用于生产石墨电极和炼铝的煅烧石油焦占22%，作为燃料发电14%，炼钢7%以及其它化工行业。
石油焦的价格随煤的价格以及供求关系的变化而上下波动。
（2）中国延迟焦化能力已达到2300万吨/年以上，生产石油焦502万吨，主要用于炼铝工业和生产电极，部分企业利用高硫焦替代重油造气、发电以及CFB锅炉燃料。
（3） 国内石油焦市场2001~2002年一度出现供不应求，2002年进口石油焦127万吨，随着进口石油焦增加和出口石油焦的减少，供求基本达到相对平衡，但市场前景较好。
建议将硫含量<3.5%的石油焦直接销售给炼铝企业，减少昂贵的CFB锅炉的建设。
（4）国产石油焦与进口石油焦相比，质量普遍较好，特别是硫、灰分、金属等关键指标优于进口石油焦，但部分企业也存在水分、挥发分等指标偏高的现象，可采取适当技术措施进行改进。
进口石油焦硫含量最高达8.08%、灰分最高达1.04%、金属特别是对炼铝影响较大的镍钒合计超过1000ppm，建议有关部门建立进口石油焦质量控制标准，限制这种“洋垃圾”的进口。
（5）与石油焦用户建立良好合作关系和畅通的供销渠道降低炼厂石油焦的库存量，提高炼厂的经济效益。
在条件允许的情况下，组织企业按用户要求定点、定质、定量，减少石油焦性质不稳定对阳极质量及铝业技术的影响。
（6） 石油焦是一大宗副产品，其价格波动会直接影响到炼厂的效益，2001到2002年炼铝用石油焦的波动范围已超过260元，国内石油焦价格受进口石油焦价格影响较大。
建立石油焦国家标准，规范进口石油焦质量的同时，减少高硫焦对国内环境的污染。
（7）积极开拓石油焦市场，特别是高硫石油焦的用途。
国外相当一部分石油焦用于水泥工业，我国石油焦很少用于该行业，应与水泥生产企业合作，进行使用高硫石油焦生产水泥的研究，作为技术储备建立工业示范装置。
（8）利用石油焦气化制备合成气和氢气（IGCC），已在国外一些炼油企业应用。
这一技术在解决高硫石油焦出路的同时，为炼厂提供廉价的氢气和电力来源，我国炼油企业应积极关注这一技术的进展。
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