НЕФТЯНОЙ КОКС в России - перспективные технологии Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Э.Г. Теляшев, И.Р. Хайрудинов, М.М. Ахметов, ГУП Институт нефтехимпереработки РБ, г. Уфа

нефтяной кокс в России — перспективные технологии

Институт (до 1993 года Башкирский научно-исследовательский институт по переработке нефти — БашНИИНП) создан в 1956 году для научного обеспечения переработки нефтей восточных районов СССР. В настоящее время является ведущим научно-исследовательским центром России по нефтепереработке. Институт располагает современными техническими решениями по основным процессам нефтепереработки: атмосферная и вакуумная перегонка нефти, газовых конденсатов, их фракций и остатков; производство и прокаливание нефтяных коксов; производство битумов, масел, серы; деас-фальтизация; висбрекинг; малотоннажные комплексы переработки нефти; очистка сточных вод и газовых выбросов, переработка нефтешламов и т. д.

По всем процессам институт разрабатывает технологические регламенты на проектирование, базовые проекты и участвует в разработке и строительстве объектов со сдачей «под ключ». Нефтяной кокс в России в основном производится для удовлетворения спроса алюминиевой промышленности, которая потребляет более 90 % производимого нефтяного кокса. Основные производители алюминия и потребители нефтяного кокса — две российские компании: «РУСАЛ» и ОАО «СУАЛ-Холдинг». В перспективе эти компании планируют к 2011 году увеличить производство алюминия более чем на 65 %. Соответственно потребность в нефтяном коксе для использования в производстве анодов и электродов возрастет к 2011 году до 2700 тыс. т/год. Прогнозируемая потребность в нефтяном коксе для производства электродов, включая кокс игольчатой структуры, в ближайшей перспективе (20072008 гг.) составит 230-260 тыс. т/год. Спрос на нефтяной кокс в России превышает производство. Значительная часть спроса алюминиевой и практически полностью электродной промышленности России покрывается за счет импорта сырых и прокаленных нефтяных коксов. Общий объем импорта для обеспечения потребностей этих отраслей промышленности в 2005 году превысил 650 тыс. т.

Поставка нефтяных коксов осуществляется в основном из Китая (до 65 % от всей поставки), Туркменистана, Японии, Казахстана, Англии, США, Азербайджана (на уровне 4-8 % из каждой страны) и небольшие количества — из Аргентины, Украины, Германии. Россия в 2005 г. на 8 установках замедленного коксования (УЗК) произвела 1109 тыс. т кокса, переработав 3847 тыс. т сырья (табл.1). Рост производства по сравнению с 2000 г. (961 и 4034 тыс.т соответственно) составил всего 15 %, что не соответствует растущей потребности алюминиевой и электродной промышленности. Показатели качества нефтяных коксов (табл. 2) являются типичными для мировой практики их использования в производстве анодов в алюминиевой

промышленности. Содержание серы 1,38-2,52 %, ванадия 140-390 ррт. Но имеются и коксы (Башнефтехим, Новокуйбышевский НПЗ) с чрезмерно высоким содержанием серы и ванадия. Российские коксы отличаются низким содержанием летучих веществ — 7,610,2 %. Многие годы технические решения, разрабатываемые ГУП ИНХП, были направлены на получение качественных нефтяных коксов для алюминиевой и электродной промышленности с выбором технологии «медленного» коксования: необходимый коэффициент рисайкла, подача теплоносителя и др. Это позволяет получать коксы с низким выходом летучих веществ (7-9 %) и высокой механической прочностью.

ГУП ИНХП имеет большой опыт разра-

Рис. 1. Реакторный блок установок замедленного коксования

Рис. 2. Принципиальная схема современной системы гидроудаления кокса из реакторов УЗК: 1, 2 — высоконапорный насос; 3 — рукав буровой высокого давления; 4 — вертлюг; 5 — ротор; 6 — редуктор; 7 — привод; 8 — лебедка буровая; 9 — гидравлический резак; 10 — буровой квадрат; 11 — яма-накопитель с фильтр-отстойником; 12 — резервуар предварительной очистки воды, трехсекционный; 13 — насосы для перекачки предварительно очищенной воды; 14 — емкость подпорная; 15 — емкость присадки; 16 — смеситель; 17 — теплообменник; 18 — насос подачи воды для присадки; 19 — емкость присадки заданной концентрации; 20 — насос принудительной подачи присадки; 21 — кассеты с коксом; 22 — полочный отстойник; 23 — нефтесборник, 24 — насос для перекачки очищенной воды.

ботки, внедрения и модернизации су-

ществующих производств нефтяных коксов. В странах бывшего СССР эксплуатируется 21 УЗК, построенные или реконструированные по технологиям, разработанным нашим институтом. За период с 1956 г. нами исследованы различные виды сырья и имеется база данных для производства нефтяных коксов из большинства нефтей, добываемых на территории СНГ. Кроме рядовых коксов, разработаны технологии получения коксов игольчатой (анизотропной) структуры для производ-

ства электродов и коксов изотропной структуры для производства конструкционных материалов. Опытно-промышленное производство коксов игольчатой структуры осуществлялось на Красноводском, Ферганском и Ново-Уфимском НПЗ.

Учитывая дефицит нефтяного кокса в России и технологические преимущества использования процессов коксования на нефтеперерабатывающих заводах, нефтяные компании планируют в ближайшие годы построить ряд установок коксования (табл. 3) мощнос-

тью по сырью от 600 до 1200 тыс. т/г. Это позволит России обеспечить алюминиевую и частично электродную промышленность нефтяным коксом. ГУП ИНХП является разработчиком технологии большинства отечественных установок замедленного коксования. Традиционное и перспективное оформления их реакторных блоков, разработанные ГУП ИНХП, показаны на рис. 1. Принципиальная схема усовершенствованной системы гидровыгрузки кокса из реакторов УЗК приведена на рис. 2.

Во всем мире и в России в сырьевом балансе процесса коксования значительную часть занимают высокосернистые нефтяные остатки. На рис. 3 приведена перспективная схема (I) получения кокса для алюминиевой промышленности из высокосернистых остатков нефтей с использованием сольвентной деасфальтизации и схема (II) получения кокса игольчатой структуры для электродной промышленности из экстракта каменноугольной смолы. Ниже приведены технические решения, разработанные институтом по модернизации основного технологического оборудования установок замедленного коксования, защищенные патентами и используемые в новых проектах по строительству УЗК и при модернизации существующих установок: • аппарат подготовки сырья коксования для получения нефтяного кокса — позволяет организовать интенсивный массообмен в образуемом смесе-вом сырье коксования. Высокая интен-

Таблица 1. Объем переработки сырья и выработки нефтяного кокса в 2000 и 2005 годах

2000 г. 2005 г.

Наименование предприятий Объем переработки сырья, тыс. т/год Объем выработки кокса, тыс. т/год Выход кокса, % масс. Объем переработки сырья, тыс. т/год Объем выработки кокса, тыс. т/год Выход кокса, % масс.

Башнефтехим 220,0 49,5 22,5 435,0 154,4 35,5

ЛУКОЙЛ-Волгограднефтеперера-ботка (3 установки) 980,0 243,9 24,9 943,8 252,3 26,7

ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез 1080,0 244,4 22,6 842,4 221,6 26,3

Сибнефть-Омский НПЗ 607,3 155,4 25,6 575,3 168,6 28,8

Ангарская техническая компания 505,0 112,0 24,1 530,8 145,8 27,5

Новокуйбышевский НПЗ 642,0 155,6 24,2 519,6 166,1 32,0

Итого по России 4034,0 960,8 23,8 3846,9 1108,8 28,8

Е

Таблица 2. Показатели качества нефтяных коксов, произведенных на заводах России в 2005 г.

Показатели качества

Заводы Влага, % Летучие, % Фракция (« 8мм), % Зола, % S, % 51, ррт Fe, РРт V, ррт Na, РРт

Башнефтехим 7,3 9,6 45,0 0,35 3,85 240 370 658 110

ЛУКОЙЛ-Волгограднефтепереработка 9,9 10,2 47,2 0,13 1,50 70 380 160 110

ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез 10,2 9,3 44,4 0,12 2,52 150 80 390 80

Сибнефть - Омский НПЗ 13,6 7,6 50,6 0,13 1,38 340 150 150 90

Ангарская химическая компания 9,7 8,0 50 0,11 1,47 170 100 140 54

Новокуйбышевский НПЗ 9,8 7,9 35,0 0,29 4,41 120 210 840 140

сивность процессов смешения, происходящих в аппарате, значительно повышает однородность подготовленного сырья коксованиям и как следствие приводит к улучшению качества кокса; • устройство ввода сырья в реактор коксования — позволяет повысить

Схема I

получения кокса из высокосернистых остатков нефти

растворитель

сырье

i

сольвентная

деасфальтизация

деасфальтит

асфальтит

газ

1'

легким газойль

коксование

нафта

тяжелый газойль

кокс для производства алюминия

Схема II получения специального кокса из каменноугольной смолы

смола

i

ректификация

растворитель

до

утяжеленная Хсмола сольвентная экстракция угольный экстракт

газ

коксование

газойль

нафта

игольчатыи кокс

Рис. 3

степень однородности качества получаемого кокса, обеспечивает равномерное распределение парожидкост-ного потока в образующемся коксовом массиве и способствует равномерности нагрева стенок реактора; • гидравлический резак ГРУ-ЗМУ — позволяет за счет усовершенствования ручного переключающего механизма повысить эффективность процесса гидрорезки коксового массива и сохранить приемлемый гранулометрический состав выгружаемого кокса. Гидравлические резаки ГРУ-ЗМУ внедрены на УЗК НПЗ г. Плоешти (Румыния), Павлодарском НПЗ (Казахстан) и Ново-Уфимском НПЗ; • блок физико-механической очистки воды — позволяет в течение длительного времени сохранять эксплуатационные показатели работы оборудования УЗК и снижает потери нефтепродуктов со сточными водами. ГУП ИНХП является ведущим научно-исследовательским центром в России по вопросам прокаливания нефтяных коксов. За 50 лет деятельности специалистами института разработаны научные и практические основы

ОТГОН ь

230°С

каменно^_

й пек

сырье для ТУ

большинства способов прокаливания нефтяных коксов: в камерных (шахтных), ретортных, барабанных, подовых печах и в печах с электрическим нагревом в шахтах, псевдоожиженном и движущемся слое.

Нефтяной кокс в России прокаливают в основном (82 %) в барабанных, камерных (10 %) и небольшое количество в ретортных печах. Кокс прокаливают в основном у потребителей: на алюминиевых (11 печей в Красноярске, Братске, Новокузнецке, Шелехов) и электродных заводах (3 печи в р. п. Линево), на пред-приятии-«посреднике» (СПЗ «Сланцы») и небольшую часть на нефтеперерабатывающих заводах (3 печи в Омске, Волгограде), производящих кокс. В камерных печах на СПЗ «Сланцы» многие годы осуществляется прокаливание коксовой мелочи и суммарного нефтяного кокса. ГУП ИНХП принимал участие в совершенствовании технологии прокаливания кокса в этих печах в части оптимизации подготовки коксовой шихты. Производительность 4 блоков камерных печей позволяет получать до 250 тыс.т/год прокаленного кокса при высоком его выходе — до 84 %. На алюминиевых заводах кокс прокаливается в барабанных печах с использованием устарелой технологии и коротких печей (45x3 м). Эта технология была разработана для прокаливания пекового и кускового (+8 мм) нефтяного коксов и не адаптирована к условиям прокаливания «суммарного», т. е. всего объема (0-250 мм) получаемого на УЗК нефтяного кокса. Существенными недостатками ее являются отсутствие печи дожига, сложная система улавливания пыли и экологические проблемы. Отсутствие печи дожига

приводит к выбросам с дымовыми газами больших объемов продуктов разложения летучих веществ кокса, включая смолы и сернистые соединения, и неуловленной коксовой пыли. Кроме ухудшения экологии, это приводит к энергетическим потерям из-за неполного использования тепла сжигания летучих веществ и коксовой пыли. Аналогичная технология с использованием печей прокаливания большого размера (60x3,5 м) используется на электродном заводе (г. Новочеркасск). Учитывая имеющиеся проблемы, алюминиевые компания России планируют в ближайшее время модернизацию своих установок прокаливания с увеличением производительности на 20-30 %. На нефтеперерабатывающих заводах используются более современные установки прокаливания. Первая установка для прокаливания нефтяного кокса освоена в 1977 году на Красно-водском НПЗ (Туркменистан) по технологии «Маратон Вайз» с использованием подовой печи по поставке фирмы «Энса». Установка более 15 лет назад выведена из эксплуатации в связи с имеющимися проблемами с забиванием межтрубного пространства котла-утилизатора зольными отложениями из дымовых газов и физическим износом. Недостатком технологии была и большая скорость нагрева кокса, вызывающая его «разбухание» со снижением объемной плотности. В 1987-1989 гг. на нефтеперерабатывающих заводах в гг. Фергана (Узбекистан), Красно-водск (Туркменистан), Гурьев (Казахстан) были освоены установки прокаливания нефтяных коксов в барабанных печах по технологии фирмы «Кеннеди Ван Саун» по Контракту с фирмой «Маннесманн». Эта технология в основном отвечала современным требованиям, исключая проблемы по некоторым узлам и оборудованию.

Рис. 4. Охема установки прокаливания нефтяного кокса ОАО «Сибнефть — Омский НПЗ»

ГУП ИНХП участвовал в реализации проектов с подовой и барабанной печами в части подготовки техзадания на закупку, в приемке, экспертизе Проектов, в пуске, освоении установок, аналитическом контроле качества кокса и последующей реконструкции с модернизацией отдельных узлов и оборудования. Поразработке ГУПИНХП сиспользовани-ем российского оборудования в 1988 г. построена установка прокаливания производительностью 140 тыс.т/год на Павлодарском НПЗ (Казахстан), в 1990 г. — аналогичная установка на Омском НПЗ. Технологическая схема установки (рис.4) и основные эксплуатационные характеристики (производительность 140 тыс.т/год, температура прокаливания 1250-1350 0С) являются типичными для мировой практики. Использованная

барабанная печь (60x3,5м) и холодильник (40x3,0 м) являются типовыми для России и изготавливаются на заводе ОАО «Уралхиммаш». Печь дожига оригинальной конструкции по разработке ГУП ИНХП обеспечивает высокую степень дожига коксовой пыли. На рис. 5 приведена фотография установки. В связи с началом перестройки в СССР на Волгоградском НПЗ было прекращено (1990 г.) строительство установки прокаливания, закупленной по контракту с фирмой «Маннесманн». Установка предназначалась для прокаливания 100 тыс. т/год кокса изотропной структуры и была оснащена двумя длинными (77,7x3,2 м) печами с малым углом наклона (2,08 %) для обеспечения большого времени пребывания кокса в печи. Смонтированное основное обо-

ООО «КАМЫШИНСКИИ опытный ЗАВОД»

□□□□□□ □□□□ □/□ □□□□□□□ □□□-150, 000-175 а □□□□□□□□□

□□□□□□□□□□□□а, □□□□□□□□□□□□□□□□,□□□□□□□□□□□□□□□□□□. □□□□□□□ □□□□□□□□□□, □□□□□□ □□□□□□ □□□ □□□□□□□□

□□□□□□□□, □□□□□□ □□□□□□□□ □□□□□□□□□□□.

□□□□□□□ □□□□□ (□□□□) □/□ □□□□□□□ □□□6-100 □ □□□□□□□□□□□□□□ □ □□□□□□ □□□□□□□□□□□□ □□□□□□,

□ □□□□□□□ □□□ □□□□□□□□□□□□□□□ □□□□□□□□ □□□□□□, □ □□□□□□□□□□□□□□□□□ □□□□□□□

□ □□□□□□□ □□□□□, □□□□□□□ □□□□□□ □□□□□□□□□. □□□□□ □ □□□□□□□□□□□□ □□□-100

□□□□□□ □□□□□□□□□□□ □□□□□□□□ □□□-100 □□□□□ (□□□□) □ □□□□□□ □ □□□□□□□ □□□□□□□

□□-250 R 8,6; 12; 15 □

□ □□□□□□□□□□□□□ □□□□□□□□ □□□□□□ □□□□□□

□□□□□□□□□□□□ □□□ □□□□□□□□□ □□□□□□□

□ □□□ □□□□□□□□ □□□□□□□□.

403888, □□□□□□□□□□□□□ □□□., □. □□□□□□□-18, □□□. □□□□□□□□□ □□□./□□□□: (844-57) 9-20-60, 9-61-32

WWW.KOZ.RU

Е

Таблица 3. Предприятия России, на которых планируется строительство установок замедленного коксования

Рис. 5. Установка прокаливания на Омском НПЗ (г. Омск)

рудование (2 прокалочные печи, 2 печи дожига, 2 холодильника и 1 котел-утилизатор) были законсервированы. С учетом прекращения реализации проекта по производству и прокаливанию изотропного кокса фирма НК «ЛУКОЙЛ» приняла решение о достро-ительстве установки прокаливания с реконструкцией ее на производительность 280 тыс. т/год рядового кокса для алюминиевой промышленности. ГУП ИНХП выиграл тендер на разработку технологии и технических проектов оборудования для реализации этого проекта.

В 2005 г. первая линия с одной печью была достроена и за 1,5 месяца введена в эксплуатацию на производительности 100 тыс. т/г по мощности существующего котла-утилизатора. Фотография установки приведена на рис. 6. Для повышения производительности по разработкам ГУП ИНХП (значительная часть их защищена патентами) было реконструировано и заменено оборудование:

• была увеличена длина печи дожига, проведена модернизация узлов подачи воздуха и организована подача аспира-ционного воздуха из холодильника;

• холодильник кокса был заменен на новый (30x3м), изготовленный на ОАО «Уралхиммаш» по конструкции, разработанной нашим институтом;

• по печи прокаливания разработаны и реализованы технические решения по устранению отвода кокса из зоны загрузки и увеличению числа оборотов печи (для исключения пересыпания сы-

Наименование компаний Предприятие, город Планируемая мощность по сырью, тыс. т/год Ожидаемый объем выработки кокса, тыс. т/год

Башнефтехим Уфанефтехим (г. Уфа) 1200 300

Роснефть Комсомольский НПЗ (г. Комсомольск) 1000 250

Тюменская нефтяная компания Рязанский НПЗ (г. Рязань) 600 150

Сибур Салаватнефтеоргсинтез (г. Салават) 1000 250

Славнефть Ярославнефтеоргсинтез (г. Ярославль) 1000 250

Лукойл Норси (г. Кстово) 1000 250

ТАИФ ЗАО «ТАИФ - НК» (г. Нижнекамск) 1200 250

рого кокса из зоны загрузки через узел уплотнения с печью дожига при увеличении производительности);

• все узлы и оборудование, не обеспечивающее повышенную производительность, были заменены на новые российского производства;

• установка оснащена современными средствами контроля и управления процессом.

Ниже приведены заводы, на которых построены или модернизированы установки прокаливания по разработкам ГУП ИНХП РБ:

1. Красноводский НПЗ (г. Красноводск, Туркменистан) — 1977 г. Установка с подовой печью по технологии «Ма-ротон Вайз»

2. Ферганский НПЗ (г. Фергана, Уз-

бекистан) — 1987 г. Установка с барабанной печью по технологии «Кеннеди Ван Саун».

3. Красноводский НПЗ (г. Красноводск, Туркменистан) — 1988 г. Установка с барабанной печью по технологии «Кеннеди Ван Саун».

4. Гурьевский НПЗ (г. Гурьев, Казахстан) — 1989 г. Установка с барабанной печью по технологии «Кеннеди Ван Саун».

5. Павлодарский НПЗ (г. Павлодар, Казахстан) — 1988 г. Установка с барабанной печью по технологии ГУП ИНХП.

6. Омский НПЗ (г. Омск, Россия) — 1990 г. Установка с барабанной печью по технологии ГУП ИНХП.

7. Волгоградский НПЗ (г. Волгоград, Россия) — 2005 г. 2-печная установка

Рис. 6. Установка прокаливания ООО «ЛУКОЙЛ-ВНП» (г. Волгоград)

по технологии ГУП ИНХП.

8. Сланцеперерабатывающий завод (г. Сланцы, Россия). Установка с камерными печами. 1972-1990 гг.

9. Алюминиевые и электродные заводы (г. Братск, Красноярск, Шелехово, Новокузнецк, Новосибирск, Россия). Установки с барабанными печами.

Кроме рассмотренных технологий, институтом разработаны технологии и электрокальцинаторы для электрического нагрева нефтяных коксов, в частности для термического обессерива-ния нефтяных коксов с 3-5 до 1-1,5 % остаточной серы. Разработаны и испытаны опытные электрокальцинаторы с

одноступенчатым и 2-ступенчатым электронагревом производительностью до 3 т/сутки при температурах до 1500-1600 0С. При выбранных режимах получены опытно-промышленные партии до 100 т обессеренного кокса, которые успешно испытаны в производстве анодов и абразивных материалов.