История развития замедленного коксования нефти

Реферат По дисциплине: История развития нефтяного и нефтегазового дела Тема: История развития замедленного коксования нефти Санкт-Петербург 2019 Содержание Введение 3 1 История развития процесса замедленного коксования нефти 4 1.1 Предпосылки для освоения процесса замедленного коксования 5 1.2 Развитие технологии замедленного коксования нефти в СССР и России 6 Заключение 14 Список литературных источников 15 Введение В ходе своего непрерывного развития человечество всегда стремилось к совершенствованию своей жизни. Так, с каждым годом, постепенно увеличивается использование более современных источников энергии, таких как атомная энергия, геотермальная энергия, солнечная энергия, гидроэнергия приливов и отливов, ветряная энергия и некоторые другие. Однако, несмотря на это, роль нефти, этого «черного золота», остается такой же значимой и существенной в экономике современного мира, так как именно нефть является основным источником топлива для большинства заводов и предприятий, а продукты ее переработки применяются во многих отраслях промышленности. Поэтому существенным и немаловажным является и то, как ее перерабатывают. Нефтяной кокс – это твердый остаток вторичной переработки нефти или нефтепродуктов, обладающие либо волокнистой структурой (струйчатые и игольчатые коксы), либо точечной структурой (сфероидальные коксы) [3]. На сегодняшний день процессы коксования нефтяных остатков являются наиболее динамично развивающимися в мировой нефтепереработке. Особую роль играет процесс замедленного коксования, который используется намного чаще, чем другие виды коксования, такие как периодическое коксование в кубах, коксование в псевдоожиженном слое и некоторые другие. Например, в России на долю этого процесса приходится около 90% всего производимого кокса. Широкое распространение процесса ЗК в промышленности легко объясняется рядом факторов: 1. Возможностью использования мелких и крупных фракций кокса в цветной металлургии и в других отраслях промышленности, которые потребляют углеродистое сырье; 2. Достаточно высокой производительностью установок ЗК (при расчете на свежее сырье); 3. Устойчивостью работы установок с использованием в качестве сырья остатков первичного и вторичного происхождения при достаточно больших колебаниях их качества; 4. Длительностью межремонтного пробега установок (от одного до 12 месяцев); 5. Высокой эффективностью использования рабочего времени; 6. Возможностью получения большого количества средних дистиллятов (фракция 200-5000 С), пригодных для дальнейшей квалифицированной переработки [3]. Кокс применяется во многих отраслях промышленности (рис.1), поэтому потребности в нем непрерывно растут, что, в свою очередь, обуславливает непрерывное увеличение объемов его производства путем строительства новых установок замедленного коксования. Немаловажным пунктом является модернизация этих установок, что существенно способствует повышению степени переработки нефти и увеличению объемов конечного продукта. Рис.1. Сферы применения нефтяного кокса 1 История развития процесса замедленного коксования нефти Нефтегазовый комплекс выполняет одну из главных ролей в обеспечении жизнедеятельности человека, в развитии регионов и страны в целом. В нашей стране особенно большое значение он обрел в середине 50-х - 60-х гг. в период острой потребности в электродном коксе, что было связано с интенсивным ростом многих производств. Тогда считали, что процесс замедленного коксования нефти – это то, что способно удовлетворить все промышленные потребности, и поэтому начали активные исследования и разработки в этой области. Освоение этого процесса явилось знаменательным событием в истории отечественной промышленности, ведь оно поспособствовало развитию науки в стране и подняло ее на новый уровень промышленного развития. 1.1 Предпосылки для освоения процесса замедленного коксования В СССР в середине 20 века (50-е – 60-е гг.) осуществлялась крупномасштабная работа по производству нефтяного кокса, большой спрос на который был обусловлен быстрым ростом и развитием многих производств, таких как производство цветных металлов, электроэнергии, производство высоколегированных сталей. Также свою роль сыграло и развитие атомной энергетики, реактивной техники, аппаратостроения (с использованием углеграфитовых материалов) и некоторых других отраслей. По результатам исследований, проводимых в тот период, считали, что наилучшим образом все нужды промышленности в нефтяном коксе сможет обеспечить именно использование метода замедленного коксования. Однако, несмотря на столь высокую потребность в этом топливе, вплоть до 50-х годов 20 века в нашей стране не проводили разработки в этой сфере, то есть отсутствовала программа получения кокса этим методом, а тем более и практический опыт. Поэтому первостепенной целью того времени явились: a) освоение технологической схемы процесса с целью промышленного внедрения; b) исследование тяжелых остатков нефтей, предполагаемых в качестве сырья процесса непрерывного коксования. Это было важно, так как решение этой проблемы позволило бы увеличить объемы производства кокса заданного качества, уменьшить затраты на методы этого производства и усовершенствовать и модернизировать производство (с точки зрения обслуживающего персонала). Большой вклад в реализацию поставленных задач внесли многие отечественные специалисты, такие как Сюняев З.И., Красюков А.Ф., Унгер Ф.Г., Валявин Г.Г., Слуцкая С.И. и многие другие, которые занимались вопросами коксового производства и изучали процесс непосредственного его получения. Работа осуществлялась на базе института в Башкортостане, который явился головным предприятием, ведущим работы в области замедленного коксования нефтяных остатков [1]. 1.2 Развитие технологии замедленного коксования нефти в СССР и России Датой начала промышленного производства нефтяного кокса в СССР считается 1926 год. В то время процесс коксования тяжелых нефтяных остатков определился как технически целесообразный и экономически выгодный процесс, способствовавший углублению переработки нефти. Тогда годовая выработка нефтяного малозольного кокса составляла несколько тысяч тонн. Промышленное коксование нефти проводилось в аппаратуре низкой производительности, такой как металлические горизонтальные кубы периодического действия (рис.2) производительностью 30-50 тонн в сутки [1]. Рис. 2. Схема установки коксования с горизонтальным кубом: 1 - коксовый куб; 2 - топка; 3 - разгрузочная площадка; 4 - конденсатор-холодильник; 5 - газосепаратор; 6 - бачок для парафинистых выделений Также использовались и муфельные керамические печи конструкции В.Ф. Герра и Г.П. Ульянова емкостью 1 м3, которые ввели в эксплуатацию также в 1926 году. В них подвергали коксованию тяжелые остатки (крекинг-остаток и пиролизные смолы), получавшиеся при пиролизе керосина в малопроизводительных ретортных печах Пиккеринга и в газогенераторных установках [2]. В 1931 году начали свою работу электрометаллургические цехи на заводах по выплавке высоколегированных сталей и новые заводы по производству алюминия, в связи с чем потребовалось повышение выработки нефтяного кокса, необходимого для изготовления анодов и графитированных электродов. В 1932 году путем коксования крекинг-остатка, пека и смол в кубах периодического действия было выработано уже 20 тысяч тонн нефтяного кокса. В дальнейшем эта выработка только росла и уже к началу 40-х годов 20 века увеличилась по сравнению с началом 30-х годов почти в 4 раза [2]. Основное количество вырабатываемого продукта использовалось при производстве прессованных обожжённых анодов, которые были необходимы для получения алюминия (в частности для электрохимического получения данного металла на базе Волховской гидростанции), а также при изготовлении малографитных и углеграфитных изделий, таких как электроды, огнеупорные материалы при строительстве печей, химически стойкие угольные и графитовые плитки и так далее [1]. В период с 1932 по 1956 года в СССР весь нефтяной кокс получали только в уже упоминаемых горизонтальных металлических обогреваемых кубах периодического действия. Такое коксование, однако, характеризовалось малой производительностью конечного продукта, небольшим сроком службы данного оборудования, трудоемкостью выгрузки кокса. Поэтому, вследствие всех этих недочетов, процесс коксования в кубах отошел на задний план, уступив дорогу в будущем процессу замедленного коксования [2]. В 1947 году началась разработка новой технологии коксования – технологии непрерывного коксования нефтяных остатков (коксование в кипящем слое или термоконтактное коксование на порошкообразном теплоносителе, а также контактное коксование в движущемся слое на гранулированном теплоносителе). Одновременно разрабатывалась и технология полунепрерывного (замедленного) коксования, которая получила наиболее обширное распространение в промышленности. Это можно объяснить следующим образом: 1. При использовании данной технологии появилась возможность квалифицированного использования мелких и крупных фракций кокса в цветной металлургии и в некоторых других отраслях промышленности, потребляющих углеродистое сырье (при расчете на свежее сырье); 2. Наблюдается гибкость и устойчивость работы установок с использованием в качестве сырья остатков первичного и вторичного происхождения; длительный межремонтный пробег установок (от 1 до 12 месяцев) и высокая эффективность использования рабочего времени; возможность получения большого количества средних дистиллятов (фракция 200-5000 С), пригодных для дальнейшей квалифицированной переработки [4]. Однако, несмотря на все исследования в сфере производства нефтяного коса с помощью процесса замедленного коксования, в конце 40-х – середине 50-х годов еще отсутствовала уже установившаяся и экономически приемлемая технология. Аналогами тогдашних отечественных установок были установки, используемые за рубежом (в основном, в Канаде и США), которые были построены еще в 30-х годах. Но они были не идентичны – основное отличие заключалось в том, что на первой установке вместо двух реакторов установили три реактора. В процессе эксплуатации первых установок замедленного коксования была выявлена зависимость между технологическими и механическими факторами, которая значительно влияет на производительность УЗК, качество получаемого кокса, материалоемкость и эксплуатационные затраты. Поэтому многие изменения были внесены в технологическую схему установки уже после внедрения и освоения в промышленности первых УЗК [5]. Причина этих изменений – нестабильное производство кокса заданного качества и невозможность обеспечения производства кокса на установках ЗК в объеме проектной мощности [1]. В 1956 году начали эксплуатировать установки замедленного коксования нефти с применением вертикальных необогреваемых реакторов (первая отечественная УЗК начала свою работу на Ново-Уфимском нефтеперерабатывающем заводе (НУНПЗ)). Этот год стал знаменательным для всей советской нефтеперерабатывающей промышленности, даже несмотря на возникшие в процессе освоения проблемы. Данный метод получения кокса является самым перспективным и занимающим ведущее место в получении нефтяного кокса до сих пор. Освоение процесса коксования на уфимской УЗК явилось первым серьезным шагом на пути налаживания отечественного производства методом ЗК. Наиболее видными специалистами, которые стояли у истоков изучения процесса замедленного коксования и внесли огромный вклад в промышленное развитие страны, являются Слуцкая С.М., Шепшелевич М.И., Смидович Е.В., Унгер Ф.Г., Сюняев З.И., Гаскаров Н.С., Хабибуллин В.Ф. [2]. В процессе работы УЗК на НУНПЗ выявили как слабые, так и сильные стороны данного производства, возникшие при коксовании тяжелых нефтяных остатков, а также дефекты в проекте установки и в аппаратуре. Часть изъянов устранили сразу, но для устранения некоторых из них (коксование низа колонны, очистка сточных вод при гидравлической резке кокса от загрязняющих примесей (блок водоочистных сооружений), транспорт кокса с коксовой площадки) потребовались дополнительные проектные и монтажные работы [6]. Приведу, например, рекомендации, сделанные на основании проведенных обследований стоков УЗК НУНПЗ [6]: • стоки с УЗК загрязнены сравнительно небольшими количествами нефтепродуктов, механических примесей и сероводорода, однако для вновь строящихся УЗК рекомендуется все сероводородные воды подвергать очистке от сероводорода и после охлаждения направлять на повторное использование; • применяемые на установке очистные сооружения не обеспечивают удаления из воды частиц коксовой мелочи до такого содержания (15-29мг/л), при котором было бы возможно повторное использование воды при гидравлической резке кокса. По этой причине коксовый фильтр, использованный в работе, признан непригодным. Для более эффективной доочистки сточных вод от механических примесей рекомендовано фильтрование их на двухслойных песчано-коксовых фильтрах; • для вновь строящихся УЗК рекомендуется обеспечить предварительный трех-часовой отстой вод. По этим и многим другим причинам процесс внедрения и налаживания регулярной и бесперебойной работы установки занял около двух лет. Обеспечением стабильной работы установки занялся заместитель главного инженера завода по термическим процессам Ю.И. Сыч. УЗК и сам процесс были подвергнуты следующим изменениям: 1. Ввод турбулизации паром; 2. Повышение температуры сырья на входе сырья в печь; 3. Внедрение рисайкла; 4. Перевод установки на крекинг-остаток вместо мазута; 5. Внедрение в качестве сырьевых смесей экстрактов от фенольной очистки масляных дистиллятов и тяжелых газойлей каталитического крекинга, обогащенных ароматическими веществами. Цикл ее работы составил 30 – 40 дней. Все принятые меры стабилизировали работу УЗК и позволили ей стать одной из наиболее производительных отечественных установок по производству кокса (до 100 тысяч тонн кокса в год) [1]. В такой установке сырье, нагретое до высоких температур, подавалось в большие коксовые камеры, где протекали реакции термического крекинга с образованием кокса и газообразных продуктов, пары которых непрерывно подавались во фракционную колонну на разделение, а кокс периодически выгружался из камеры. В зависимости от сырья, на выходе с установки получали до 60% дистиллятных фракций и различные виды кокса (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 [8]. Принципиальная технологическая схема установки замедленного коксования представлена на рис. 3. Рис.3. Принципиальная технологическая схема установки замедленного коксования: 1 – коксовые камеры; 2 – кран – переключатель потоков; 3, 4 – насосы; 5 – трубчатая печь; 6 – ректификационная колонна; 7 – конденсатор – холодильник; 8 – газосепаратор I – первичное сырье; II – вторичное сырье; III – пары и газы коксования; IV – керосино-газойлевые фракции; V – бензин; VI – газ Производительность по сырью таких установок полунепрерывного действия составляет 1000-1500 т/сутки, то есть одна установка с 2-3 реакторами равноценна батарее в 40-60 горизонтальных обогреваемых кубов [1]. Середина 60-х – 80-х гг. – период исследований в истории отечественного коксования, активный научный поиск в направлении изучения закономерностей механизма коксообразования, выявление особенностей процесса, использование новых знаний в модернизации производства. Основоположником данных исследований был А.Ф. Красюков, работавший в то время в отделе переработки УФНИИ. Его труды, то огромное количество показателей работы в виде таблиц, графиков и схем, позволили сделать первые теоретические выводы. Большое внимание ученый уделил, прежде всего, исследованию свойств нефтяных коксов, которые по качеству удовлетворяли требованиям металлургов. Красюков внедрил новые методы оценки коксов (определение обратного расширения и релаксации, адсорбционной способности, окисляемости, микроструктуры), а также установил зависимость качества коксов от режимов коксования и качества исходного сырья. Одновременно с теоретической работой осуществляли практическое внедрение данного процесса, что вызывало определенные трудности. Так, в первые годы своей работы уфимская УЗК фактически была промышленно-экспериментальной. Однако это явилось огромным опытом как для ученых, так и для производственников – эксплуатация мощностей этой установки позволила отрегулировать огромное количество параметров, определяющих работу установки, прояснить многие спорные вопросы, а так же дала возможность начать исследования закономерностей механизма протекания процесса [1]. Все это обеспечило возможность строительства более совершенных установок на НПЗ и в других регионах. При проектировании новых установок были осуществлены следующие изменения: 1. Усовершенствовали некоторые узлы реакторного блока: • Для простоты открывания и закрывания верхнего люка при выгрузке кокса из реактора верхнюю крышку изготовили на откидных болтах и уменьшили ее диаметра; • Для лучшего сползания кокса в процессе его резки и для устранения завалов внутри реактора нижней части реакционной камеры придали вместо полусферы форму конуса; • Ради создания более благоприятных условий для работников, обслуживающих установку, были предусмотрены новые приспособления для монтажа и демонтажа крышек нижних люков реакторов. Это позволило сократить время, затрачиваемое на открывание и закрывание нижнего люка; • Были установлены радиационные уровнемеры кокса в реакторах. 2. Создание новой системы транспортирования кокса от реакторов на бункерный прирельсовый склад. 3. Присоединение всех предохранительных клапанов от коксовых камер и от ректификационной колонны к сбросной емкости. 4. Проектирование новой системы отстоя воды от коксовой пульпы [1]. В дальнейшем УЗК только совершенствовали – каждая новая конструкция отличалась от предыдущей увеличением эффективности по таким показателям, как удельная скорость выгрузки, удельный расход воды и электроэнергии на 1 тонну выгружаемого кокса, фракционный состав кокса. В конце 80-х годов провели реконструкцию установок замедленного коксования путем замены всех реакторов – теперь это оборудование делали не из обычной, а нержавеющей стали. В 90-е года 20 века – кризис в области исследований и развития промышленного производства нефтяного кокса методом замедленного коксования. В настоящее время процесс замедленного коксования тяжелых нефтяных остатков является одним из самых эффективных и недорогих технологических процессов как в России, так и во всем мире. Мощность коксования по сырью на перерабатываемую нефть в нашей стране составляет ~ 2,5%, а глубина переработки нефти ~ 72% (рис. 4). Мировой рынок нефтяного кокса постоянно растет, по некоторым сортам кокса в России наблюдается острый дефицит, особенно сложно с выработкой игольчатого кокса. Необеспеченность промышленности специальными сортами кокса создает угрозу национальной безопасности России. Также возникают трудности с реализацией нефтяного кокса с повышенным содержанием серы [7]. Рис.4. Глубина переработки нефти в РФ Что же касается мира, то, например, на долю Соединенных Штатов Америки приходится 53,9% мировых мощностей коксования, при этом выработка кокса составляет 54 млн. т/год. Ведущие позиции в этой области помимо США занимают Китай – 15,4 млн. т/год (7,4% мировых мощностей), Венесуэла – 8,8 млн. т/год (3,5%), Германия – 5,7 млн. т/год (2,3%) и Япония – 5,3 млн. т/год (2,1%). В сумме же мировые мощности производств коксования нефтяных остатков составляют около 300 млн. т/год [3]. Заключение Подводя итоги, можно сделать вывод, что процесс внедрения и дальнейшего развития технологии замедленного коксования тяжелых нефтяных остатков сыграл огромную роль в промышленном становлении нашей страны и определил приоритетные направления научно-технического прогресса в нефтепереработке. Однако, несмотря на это, на сегодняшний день многие проблемы в этой области еще не решены: • В РФ глубина переработки нефти на нефтеперерабатывающих заводах существенно ниже, чем в развитых странах; • В РФ имеется большой дефицит (свыше 500 тыс. т/год) малосернистого (с содержанием серы менее 1,5%) нефтяного кокса для алюминиевой промышленности (потребность свыше 2 млн. т/год); • В РФ не производится игольчатый кокс для изготовления крупногабаритных графитированных электродов (потребность ~ 150 тыс. т/г); • В РФ организовано промышленное производство так называемой добавки коксующей – нефтяного кокса с содержанием летучих веществ 15–25% для коксохимической промышленности (потребность ~ 1,5 млн. т/г). Это может привести к ликвидации углеродной отрасли страны и, как следствие, потере контроля России над стратегическими отраслями промышленности. Строительство новых УЗК на НПЗ РФ позволит не только обеспечить производство углеродных материалов для различных отраслей промышленности, но и существенно увеличить глубину переработки нефти [8]. Например, сейчас ОАО «Нафтан» реализует их главный проект - комплекс замедленного коксования, который объединяет пять технологических установок. Это позволит решить такие задачи, как обеспечение конкурентоспособности России на рынках Европы и повышение переработки ресурсов нефтяных остатков и вакуумного газойля в продукты с более высокой добавочной стоимостью путем внедрения новых объектов. Глубина нефтепереработки при этом, согласно словам главного инженера ОАО «Нафтан», достигнет нового уровня – она будет соответствовать глубине переработки ряда современных европейских нефтеперерабатывающих предприятий и достигнет 90 % [9]. Список литературных источников 1. Бикбулатова А.М. Этапы становления и развития отечественного производства нефтяного кокса методом замедленного коксования (на примере Новоуфимского НПЗ) // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Уфа: УГНТУ, 2002, с. 98 2. Мухаметзянова Э.Г. Исторические аспекты развития производства каменноугольного и нефтяного коксов // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Уфа: УГНТУ, 2003, с. 24 3. Салтыкова С.Н., Рогачева Н.П. Высокотемпературные процессы химической технологии. Установка замедленного коксования // Методические указания по выполнению курсовых работ. Санкт-Петербург: Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», 2015, с. 47 4. Сюняев З.И. Производство, облагораживание и применение нефтяного кокса // Москва: «Химия», 1973, с. 296 5. Кретинин М.В. Влияние механотехнологических взаимодействий на работу установок замедленного коксования // «Нефтеперерабатывающая промышленность: технологии, оборудование, материалы. На рубеже тысячелетия», 1999, №12, с. 22 6. Разработка мероприятий по улучшению качественных и количественных показателей работы установки 21-10/300 на НУ НПЗ и по применению кокса в металлургии. Этап 1. Участие в освоении установки с обследованием ее на установившихся режимах и с выдачей рекомендаций по оптимальному технологическому режиму // Отчет БашНИИ НП. Уфа: БашНИИ НП, 1956, №299 7. Валявин Г.Г., Запорин В.П., Габбасов Р.Г., Калимуллин Т.И. Процесс замедленного коксования и производство нефтяных коксов, специализированных по применению // «Территория нефтегаз», август 2011, №8, с.5 8. Шакирзянова Г.И., Сладовская О.Ю., Сладовский А.Г., Зимнякова А.С., Нигметзянов Н.С. Замедленное коксование как эффективная технология углубления переработки нефти // «Вестник технологического университета», 2017, с. 75-78 9. Комплекс замедленного коксования — точное попадание в главные цели «Нафтана». Экономичность. Экологичность. Эффективность // «Вестник «Нафтана», август 2018 Т