Нефтяной кокс. Что это и как его получают

Нефтяной кокс — это твердый углеродистый материал, образующийся в процессе переработки тяжелых остатков нефти, таких как гудрон и мазут. Этот процесс, известный как замедленное коксование, происходит при высоких температурах и без доступа кислорода, что позволяет получить кокс с высокой степенью чистоты и прочности.

В отличие от других видов кокса, таких как каменноугольный кокс, который получают из угля, нефтяной кокс обладает уникальными свойствами, обусловленными его происхождением из нефти. Он имеет более низкое содержание примесей и серы, что делает его особенно ценным в металлургической и химической промышленности. Нефтяной кокс используется для производства электродов, в качестве топлива и в различных технологических процессах, требующих высококачественного углеродного материала.

Его плотная структура и высокая теплотворная способность делают нефтяной кокс незаменимым компонентом в производстве алюминия и других металлов, а также в энергетике. Таким образом, нефтяной кокс не только отличается от других видов кокса своим происхождением и составом, но и играет ключевую роль в различных промышленных процессах, обеспечивая высокую эффективность и качество конечных продуктов.

Общая схема работы УЗК

Нефтяной кокс изготавливают на технологических установках замедленного коксования (УЗК), которые представляют собой сложное и многоступенчатое оборудование, предназначенное для превращения тяжелых остатков нефти, таких как гудрон и мазут, в более ценные продукты и кокс.

Заметим, что процесс замедленного коксования называется «замедленным» из-за более длительного времени реакции по сравнению с другими методами коксования. В этом процессе тяжелые углеводороды разлагаются медленно, что позволяет получить более качественный кокс и максимизировать выход летучих продуктов.

Процесс начинается с предварительного подогрева сырья, которое затем поступает в печь, где подвергается термическому воздействию. В результате этого воздействия тяжелые углеводороды разлагаются на более легкие фракции и твердый остаток — кокс. После нагрева в печи сырье направляется в коксовые камеры, где происходит основное коксование. В этих камерах при высоких температурах и без доступа кислорода тяжелые углеводороды продолжают разлагаться, образуя кокс и летучие продукты.

Получение нефтяного кокса, его дробление и сушка

Кокс, образующийся в коксовых камерах, превращается в плотную массу, которую необходимо разрушить для извлечения. Для этого используется гидроинструмент, который применяет высокое давление воды, чтобы раздробить кокс на более мелкие куски, которые затем могут быть удалены из камеры. После извлечения кокс может содержать влагу, и его необходимо сушить.

Сушка происходит в сушильном барабане, где кокс подвергается воздействию горячего воздуха или дымовых газов для удаления влаги. После сушки кокс измельчается до нужной фракции, чтобы соответствовать требованиям конечного использования.

Размеры кусков кокса и их фракции регулируются стандартом СТ РК 2070-2023 «Топливо твердое. Кокс. Классификация по размеру кусков»^[1]. Основные фракции включают крупные куски (размер частиц более 80 мм), средние куски (размер частиц от 40 до 80 мм), мелкие куски (размер частиц от 20 до 40 мм) и мелочь (размер частиц менее 20 мм). Эти фракции используются для различных промышленных целей, в зависимости от требований к конечному продукту. Например, крупные куски могут использоваться в металлургии, а мелкие фракции — в химической промышленности.

Побочные продукты коксования

Летучие продукты направляются в секцию фракционирования, где они разделяются на различные фракции, такие как пропан-пропилен, бутан-бутилен, нафта и газойль. Эти фракции затем проходят дальнейшую очистку и переработку, после чего могут быть проданы на рынке для использования в различных отраслях промышленности.

Пропан-пропилен и бутан-бутилен могут использоваться в качестве сырья для производства полимеров и других химических продуктов. Нафта часто перерабатывается в бензин или используется в качестве сырья для нефтехимических процессов. Газойль может быть переработан в дизельное топливо или другие дистилляты.

Таким образом, летучие продукты коксования не только перерабатываются, но и становятся ценными товарными продуктами, которые приносят дополнительный доход нефтеперерабатывающим заводам.

Основные химические реакции коксования

Процесс замедленного коксования включает несколько ключевых стадий. Сначала сырьё нагревается до 300-350°C, при этом происходит размягчение и плавление углеводородов. Затем при температуре 500-600°C образуется полукокс, а при 600-1100°C происходит окончательное коксование с удалением летучих веществ и образованием твердого кокса. В заключение, уже при температуре до 100-120°C происходит процесс сушки кокса и удаления влаги.

Основные химические реакции включают разложение углеводородов, при котором образуются углерод, водород и летучие продукты (CₙHₘ → C + H₂ + летучие продукты), а также образование кокса (CₙHₘ → C + летучие продукты). Эти реакции происходят при высоких температурах без доступа воздуха, что позволяет получить твердый углеродистый остаток — кокс.

Химический состав кокса обычно содержит около 82-88 процентов углерода (C), 10-15 процентов золы и до 0,5-1,8 процента серы (S).

Гидроинструмент для дробления кокса

Гидроинструмент, используемый для разрушения кокса в коксовых камерах, представляет собой специализированное оборудование, которое применяет высокое давление воды для дробления твердого кокса на более мелкие куски. Этот процесс называется гидроразрушением или гидроразмывом кокса. Основные компоненты гидроинструмента включают насос высокого давления, распылительную головку, гибкий шланг высокого давления и систему управления.

Принцип работы гидроинструмента заключается в следующем. После завершения процесса коксования и охлаждения коксовой камеры оператор устанавливает распылительную головку гидроинструмента в камеру через специальный люк. Насос высокого давления подает воду через шланг к распылительной головке, которая распыляет воду через форсунки, создавая мощные струи. Эти струи направляются на кокс, разрушая его на более мелкие куски. Раздробленный кокс затем удаляется из камеры через нижний люк и транспортируется для дальнейшей обработки или хранения.

Использование гидроинструмента имеет множество преимуществ. Высокое давление воды позволяет быстро и эффективно разрушать кокс, минимизируя время простоя установки. Использование воды снижает риск возгорания и взрыва, что делает процесс более безопасным. Вода является экологически чистым и доступным ресурсом, что делает процесс гидроразрушения более экологически безопасным по сравнению с другими методами.

УЗК на заводах КазМунайГаза

На нефтеперерабатывающих заводах КазМунайГаза также имеются установки замедленного коксования. Например, на Атырауском НПЗ такая установка была введена в эксплуатацию в 1980 году и с тех пор неоднократно модернизировалась. В настоящее время её мощность составляет 1 млн тонн сырья в год, что позволяет производить до 170 тысяч тонн кокса ежегодно. На Павлодарском НХЗ установка замедленного коксования была введена в эксплуатацию в декабре 1986 года и перерабатывает тяжелые остатки нефтепереработки, такие как гудрон и мазут, в кокс, который используется в энергетике. Совместно с компанией ТОО «Enertek» была также разработана технология деметаллизации и обессеривания сырья, что позволяет выпускать высококачественный малосернистый нефтяной кокс.

Литература:

^[1] СТ РК 2070-2023 «Топливо твердое. Кокс. Классификация по размеру кусков» // ИС «Параграф», online.zakon.kz. URL: https://online.zakon.kz/Document/?doc_id=37300203&pos=2;-106#pos=2;-106 (дата обращения: 13.09.2024).