CC BY
1081
УДК 665.777.4
Г. И. Шакирзянова, О. Ю. Сладовская, А. Г. Сладовский, А. С. Зимнякова, Н. С. Нигметзянов
ЗАМЕДЛЕННОЕ КОКСОВАНИЕ КАК ЭФФЕКТИВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ УГЛУБЛЕНИЯ
ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ
Ключевые слова: тяжелая нефть, нефтяные остатки, переработка, установка замедленного коксования, нефтяной кокс,
оборудование.
В статье представлен обзор процессов коксования, в частности установки замедленного коксования, и показана его роль в нефтеперерабатывающей отрасли. Приведены мощности установок замедленного коксования (УЗК) на НПЗ России, подробно рассмотрены виды вырабатываемого нефтяного кокса. На примере ПАО «ТАНЕКО» рассмотрена работа основных технологических блоков УЗК мощностью по сырью 2 млн. т/год. Приведена характеристика получаемых продуктов и направления их использования.
Keywords: heavy oil, oil residues, refining, delayed coking unit, petroleum coke, equipment
The article presents an overview of coking processes, in particular, a delayed coking unit, and its role is shown in the oil refining industry. The capacities of delayed coking units at the refineries Russia are presented, the sorts ofproduced petroleum coke are considered in detail. On the example of PJSC "TANECO", the work is analyzed of the main technological blocks of delayed coking units of with a capacity of 2 million tons per year. The characteristics of the products obtained are adduced and the directions of their use.
Одной из актуальных проблем в современной нефтеперерабатывающей отрасли является добыча и переработка тяжелых нефтей. Добыча тяжелой нефти является дорогим и сложным процессом, и использование традиционных схем переработки становится не рентабельным [1, 2]. Тяжелые нефти характеризуются высоким содержанием сернистых соединений, содержанием значительных количеств тяжелых металлов, имеют высокую коксуемость, высокую вязкость и в их составе мало легких компонентов. По этой причине необходимо переходить на более эффективные технологии переработки тяжелых нефтей с получением качественных нефтепродуктов с высокой добавленной стоимостью.
Наиболее распространенные процессы переработки тяжелого нефтяного сырья представлены на рисунке 1.
Доля различных процессов в мировой переработке тяжелой |)ш
Г Коксование 40,29% I Висбрекинг 33,89%
Гидрюочистка 18,25% Г Гидрокрекинг 3,92% г Деасфальтизация 362%
Рис. 1 - Доля различных процессов в мировой переработке тяжелой нефти
Как видно из графика, значительная доля отводится процессу коксования.
Коксование - это процесс переработки нефтяных остатков при повышенных температурах, позволяющий получить основной продукт кокс, содержащий в составе 90% углерода, а также дистиллятные фракции [3].
В промышленности существует 3 варианта аппаратурного оформления процесса коксования [4]:
1. Периодическое коксование в коксовых кубах. Данный способ интересен тем, что в кубах происходит закалка кокса, тем самым получается ценнейший продукт - крупнокусковой кокс, применяемый для производства электродов. Однако из-за низкой производительности этот способ не получил широкого распространения.
2. Непрерывное коксование. Непрерывное коксование осуществляется в «кипящем слое» порошкообразного теплоносителя. Процесс направлен на максимальный выход дистиллятных фракций.
3. Полунепрерывное (замедленное) коксование. При данном способе нагретое до высоких температур (470 - 510 0С) сырье подаётся в большие коксовые камеры, где протекают реакции термического крекинга с образованием кокса и газообразных продуктов. Пары продуктов коксования непрерывно подаются во фракционирующую колонну на разделение, а кокс периодически выгружается из камеры. В зависимости от сырья, на выходе с установки получают до 60% дистиллятных фракций (нафта, легкий и тяжелый газойли) и различные виды кокса, такие как топливный, анодный, игольчатый. Особенностью данного способа коксования является возможность получения различных продуктов, в том числе и дефицитного малозольного низкосернистого кокса, за счет изменения технологических параметров и состава сырья.
Из-за указанных достоинств процесс замедленного коксования является наиболее рентабельной и перспективной технологией по переработке нефтяных остатков и получил наибольшее распространение [5, 6].
Получение из тяжелых вязких нефтепродуктов дополнительного количества дистиллятных фракций позволяет увеличить глубину переработки нефти, что интересно многим предприятиям. В связи с этим крупнейшие нефтеперерабатывающие заводы России включают установки замедленного коксования (УЗК) в свои технологические цепочки (табл. 1). Нефтеперера-
батывающие заводы, в составе которых есть УЗК, можно отнести к заводам с безотходной технологией переработки нефти [7, 8].
Таблица 1 - УЗК на заводах России
Предприятие Ввод в эксплуатацию Проектная мощность по сырью,
ОАО «Роснефть-Ангарская НХК», г. Ангарск 1970 600
ОАО «Роснефть-Комсомольский НПЗ» Комсомольск-на-Амуре 2012 1000 тыс. т/год
ОАО «Роснефть-Новокуйбышевский НПЗ», г. Новокуйбышевск 1985 1 500
ООО «ЛУКОИЛ-Волгограднефтепереработка», г. Волгоград 1966 рекон. 2009 2011 600 400 1000
ООО «ЛУКОИЛ-Пермнефтеоргсинтез», г. Пермь 1970 (рекон. 2012) 1 000
ООО «Газпромнефть-Омский НПЗ», г. Омск 1971 (рекон. 2017) 2 000
ОАО «НОВОЙЛ» г.Уфа, 1956 (рекон. 2009) 700
ОАО «Уфанефтехим», г. Уфа 2009 1 200
ПАО «ТАНЕКО», г. Нижнекамск 2016 2000
В самое ближайшее время планируется запуск установок замедленного коксования на Уфимском НПЗ, Антипинском НПЗ (г. Тюмень), ООО «Лу-койл-Пермьнефтеоргсинтез» суммарной мощностью по сырью 6 000 тыс. тонн в год.
Нефтяной кокс благодаря сочетанию физико-механических и физико-химических свойств используется в цветной металлургии при производстве алюминия, как конструкционный материал для изготовления коррозионно-устойчивой аппаратуры, в цементном производстве (табл. 2) [9]. Примерно треть получаемого кокса используется в качестве топлива [10]. Классификация нефтяных коксов осуществляется в зависимости от свойств используемого сырья и способа получения кокса [11, 12].
В данной статье на примере завода ПАО «ТА-НЕКО» рассматривается установка замедленного коксования. В состав УЗК входят секции коксования, фракционирования, блок печей, блок выгрузки кокса, блок разделения газа и нафты, узел улавливания вредных выбросов, узел очистки воды отделенной от нефтяного кокса, система внутриустановоч-ной обработки кокса, система компремирования и подачи жирного газа и прочие вспомогательные системы. Технологическая схема секций коксования и фракционирования приведена на рисунке 2.
Сырьем установки замедленного коксования ПАО «ТАНЕКО» является гудрон тяжелой карбоно-вой нефти, либо гудрон смеси девонской и карбо-новой нефти, приходящий с вакуумного блока установки АВТ-7.
Таблица 2 - Марки нефтяного кокса
Марка кокса Особенности для данной марки Применение
КНКЭ кокс нефтяной крекинговый электродный после термической обработки, приобретает свойства графита производство электродов
КНПЭ кокс нефтяной пиролизный электродный отличается низкой зольностью, после термической обработки можно использовать в алюминиевой промышленности производство анодной массы и электродов
КНПС кокс нефтяной пиролизный специальный имеет высокую структурную проч-ность,низкое содержание серы и золы производство конструкционных углеродистых материалов специального назначения
КН кокс нефтяной Среднее содержание золы изоляционный материал
КНМЗК кокс нефтяной малосернистый замедленного коксования В зависимости от размеров частиц марка подразделяется на: КЗ-0 (губчатый кокс) — высокое содержание летучих компонентов, большая удельная поверхность КЗ-6 (коксовый орех) - высокое содержание летучих компонентов, большая удельная поверхность КЗ-25 (игольчатый кокс) — низкое содержание летучих компонентов, высокое содержание углерода изготовление анодов для производства алюминия как топливо в промышленных целях, а прокаленный - как изоляционный в производстве алюминия производство электродов и синтетического графита
Сырье изначально поступает в блок фракционирования в колонну С1 для извлечения легких компонентов, которые отрицательно влияют на процесс коксования, и далее направляется в печь коксования. В ту же ректификационную колонну поступают продукты коксования из реакторов D1-D4 и происходит фракционирование: отбираются газы, бензиновая фракция, легкий и тяжелый газойли. Часть тяжелого газойля циркулирует вместе с сырьем через печь Н1-Н2. Сырье, поступающее в змеевики коксовой печи, за короткое время нагревается выше температуры коксуемости сырья.
Секция коксования состоит из печи и 4-х параллельно работающих реакторов для обеспечения непрерывности процесса. В рассматриваемом процессе название «замедленное» связано с особыми условиями работы реакционных змеевиков трубчатых печей и реакторов (камер) коксования. Сырье, предварительно нагретое в печи до высокой температуры (470-510°С), затем подается в необогреваемые, изолированные снаружи коксовые камеры, где коксование происходит за счет тепла, приходящего с сырьем. Чтобы сырье, богатое смолами и асфальте-нами, не закоксовывалось в змеевиках самой печи
необходимо создать условия для небольшой длительности нагрева сырья в печи и высокой скорости движения по трубам печи, что можно обеспечить за счет высокой удельной теплонапряженности ради-антных труб и специальной конструкцией трубчатой печи. Также для предотвращения накопления кокса на стенках змеевиков в поток сырья подается водяной пар, вырабатываемый в отдельной секции уста-
новки. Он турбулизирует поток, снижая время пребывания сырья в печи, и способствует нахождению уже образовавшихся частиц твердого кокса в диспергированном состоянии [13]. Добавление водяного пара также увеличивает межремонтный пробег печей коксования [14].
Рис. 2 - Технологическая схема УЗК (секции коксования, фракционирования)
После печи парожидкостная смесь направляется в две параллельно работающих камеры коксования. Цикл работы камер коксования на УЗК ПАО «ТА-НЕКО» составляет 18 часов. Работа реакторного блока коксования включает ряд этапов, таких как прогрев камеры, заполнение камеры коксования потоком из печи, крекинг с образованием жидких, газообразных продуктов и кокса, продувка, охлаждение и выгрузка кокса. Таким образом, если две камеры находятся в работе, то из других выгружается кокс и идет подготовка к работе. Пары выводятся с верха работающих коксовых камер и идут в колонну фракционирования, где разделяются на фракции и конденсируются.
Получаемая на установке замедленного коксования бензиновая фракция (нафта) имеет низкие показатели качества: октановое число (ОЧ) по моторному методу в пределах 60, содержание сернистых соединений около 0.5%, низкая стабильность. По этой причине данную фракцию принято направлять на дополнительное облагораживание [15]. На ПАО «ТА-НЕКО» бензиновая фракция направляется на установку сплиттер нафты для разделения на легкую и тяжелую часть, после чего поступает на гидроочистку. Легкий газойль направляют в товарно-сырьевой парк для смешения с газойлями других установок, тяжелый газойль поступает на гидрокрекинг.
Этап выгрузки кокса является основополагающей в работе коксовых камер, т. к. от его длительности зависит полный цикл работы камеры и пропускная способность всей установки в целом. На
установке применяется наиболее распространенный метод по выгрузке кокса из реакторов - гидравлическое резание.
Для выгрузки кокса из камер используют специальные буровые устройства [16, 17]. В процессе гидроизвлечения кокса струи большой мощности формируются в специальных инструментах - гидравлических резаках. Водяной насос высокого давления подает в гидрорезак воду, за счет гидроудара разрушается слой твердого кокса и пробуривается центральное отверстие. Затем инструмент переключают в режим гидравлической резки и струи воды, направленные перпендикулярно к стенкам коксовых камер, удаляют со стенок кокс. Далее кокс поступает с водой на стадию транспортировки. Данный метод извлечения кокса безопасен, быстр, позволяет полностью отказаться от ручного труда, обеспечивая безопасность обслуживающего персонала, и наиболее экономичен, так как одна установка может обслуживать несколько реакторов. Кроме того извлекаемый кокс не содержит посторонних примесей.
Кокс, получаемый при использовании смеси гудрона и девонской нефти в соотношении 1:1 на УЗК ПАО «ТАНЕКО» имеет следующие характеристики и относится к высокосернистому виду кокса:
• выход летучих веществ - 11,0 %;
• содержание углерода - 90,7 %;
• содержание водорода - 3,0 %;
• содержание серы - 4,33 %;
• содержание азота - 1,51 %;
• содержание ванадия - 0,09 %;
• содержание железа - 0,15 %;
• содержание кремния - 0,032 %;
• содержание никеля - 0,068 %;
• зольность - 0,45 %.
Сернистый и высокосернистый виды кокса могут использоваться в качестве восстановителя и суль-фидирующей добавки при шахтной плавке окисленных руд некоторых цветных металлов (никель, медь, кобальт и др.), в производстве сероуглерода, сульфида натрия и др. По сравнению с каменноугольным сернистый нефтяной кокс имеет низкую зольность (0,2-0,8 %) и меньшую стоимость.
Получаемый на УЗК ПАО «ТАНЕКО» кокс поставляется на Нижнекамскую ТЭЦ и используется для энергических целей. Использование кокса, даже высокосернистого, в качестве энергетического топлива снижает нагрузку на окружающую среду по количеству выбрасываемых в атмосферу сернистых соединений. Например, при сжигании 6 млн. тонн топочного мазута с содержанием серы 3 % масс. в окружающую среду выбрасывается 360 тыс. т/год соединений серы. При коксовании такого же количества мазута образуется около 700 тыс. т/год нефтяного кокса с содержанием серы 3,5 % масс, в результате сжигания которого в окружающую среду выбрасывается 49 тыс. т/год серы. В связи с этим в последнее время многие заводы стали строить энергетические установки, на которых в качестве топлива используют кокс.
Таким образом, процесс замедленного коксования играет значимую роль в нефтеперерабатывающей отрасли, позволяя переработать различные виды сырья, Тяжелые остатки в данном процессе преобразуются в ценнейшие продукты, такие как высококачественное кокс и сырье каталитических процессов. Благодаря включению замедленного коксования в технологическую цепочку, ПАО «ТАНЕКО» исключает из линейки продукции тяжелые жидкие нефтепродукты и увеличивает глубину переработки с 73,2 процента до 95 при работе установки на полную мощность [18]. В настоящее время процесс УЗК приобрёл значимую роль в нашей стране и наблюдается тенденция к наращиванию количества установок и их модернизации.
Литература
1. Э.А. Галиуллин, Р.З. Фахрутдинов, Новые технологии переработки нефтей и природных битумов, Вестник КНИТУ, 4, 47-52 (2016)
2. Д.А. Халикова, С.М. Петров, Н.Ю. Башкирцева, Обзор перспективных технологий переработки тяжелых высоковязких нефтей и природных битумов, Вестник КНИТУ, 3, 217-222 (2013)
3. У.Р. Чаудури, Нефтехимия и Нефтепереработка Процессы, технологии, интеграция. Профессия, СПб, 2014. 432 с.
4. Э.Ф. Каминский, В.А Хавкин. Глубокая переработка нефти: технологический и экологический аспекты. Техника, Москва, 2001. 384с.
5. У.Р Гаджиева., С.М. Леденев, Р.Б Гаджиев, Анализ работы установки замедленного коксования нефтяных остатков, Современные наукоемкие технологии, 1, 90 (2014)
6. А. М. Бикбулатова, Этапы становления и развития отечественного производства нефтяного кокса методом замедленного коксования (на примере Ново-Уфимского НПЗ), Дисс. канд. техн. наук, Уфимский гос. нефт. техн.ун-т, Уфа, 2002, 102 с.
7. Х. Анчита, Основные процессы нефтепереработки, Профессия, СПб, 2012. 381 с.
8. Р.Г. Габбасов, В.П. Запорин, Г.Г. Валявин, Т.И. Кали-муллин, Направления развития процесса замедленного коксования в схемах отечественных нефтеперерабатывающих заводов, Нефтегазовое дело, 8, 2, 90-93 (2010)
9. А.Р. Галиакбиров, Г.Г. Валявин, Перспективы развития коксового производтсва в филиале ПАО АНК «БАШНЕФТЬ» «БАШНЕФТЬ-НОВОЙЛ», Нефтепереработка и Нефтехимия, 6, 31-36 (2016)
10. Г.Г. Валявин, В.П. Запорин, Р.Г. Габбасов, Т.И. Кали-муллин, Процесс замедленного коксования и производство нефтяных коксов, специализированных по применению, Территория нефте-газ, 8, 44-48 (2011)
11. М.Г. Рудин, В.Е. Сомов, А.С. Фомин, Карманный справочник нефтепереработчика. ЦНИИТЭнефтехим, Москва, 2004. 336с.
12. А.А. Бойцова, Н.К. Кондрашева, В.В. Васильев, Импортозамещающие технологии для получения малосернистого кокса, Обогащение полезных ископаемых, 1, 1317 (2016)
13. Н.А. Терентьева, Р.Р.Хайбунасова, Анализ работы установки замедленного коксования «ООО ЛУКОЙЛ-Волгограднефтепереработка», Вестник КНИТУ, 10, 6671 (2015)
14. Д.Х. Мухамадеев, Г.Г. Валявин, В.П. Запорин, Способы очистки печных труб установок замедленного коксования от коксовых отложений, Нефтегазовое дело: электронный научный журнал, 2, 166-188 (2014)
15. С.А. Ахметов, М.Х. Ишмияров, А.П. Веревкин, Е.С. Докучаев, Ю.М. Малышев, Технология, экономика и автоматизация процессов переработки нефти и газа, Химия, Москва, 2005. 736 с.
16. Р.А. Майерс Основные процессы нефтепереработки, Профессия, СПб, 2011. 381с.
17. Проектная документация 2311-38/015/5100 Установка замедленного коксования тит.015 секция 5100 и сопутствующие объекты общезаводского хозяйства. «Комплекса нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов» в г. Нижнекамск
18. http://www.tatar-inform.ru/news/2016/07/04/510986
© Г. И. Шакирзянова- магистрант каф. химической технологии нефти и газа КНИТУ; О. Ю. Сладовская - канд.техн.наук, доцент той же кафедры; [email protected], А. Г. Сладовский - аспирант каф. систем автоматизации и управления технологическими процессами КНИТУ, А. C. Зимнякова - студент 4 курса каф. химической технологии нефти и газа КНИТУ; [email protected]; Н. С. Нигметзянов - магистрант каф. химической технологии нефти и газа КНИТУ.
© G. I. Shakirzyanova- master student of the Department of Chemical technology of oil and gas refining KNRTU; O. Yu. Sla-dovskaya- PhD in Technical Sciences, доцент той же кафедры; [email protected], A.G. Sladovsky - PhD student of the Department of Systems automation and management of technological processes KNRTU, A. S. Zimnyakova- student of the Department of Chemical technology of oil and gas refining KNRTU; [email protected]; N. S. Nigmetzyanov - master student of the Department of Chemical technology of oil and gas refining KNRTU.
