игольчатый кокс что это такое
Нефтяной кокс
Нефтяной кокс, твердый пористый продукт от темно-серого до черного цвета, получаемый при коксовании нефтяного сырья.
ИА Neftegaz.RU. Нефтяной кокс (Petroluem coke), твердый пористый продукт от темно-серого до черного цвета, получаемый при коксовании нефтяного сырья.
Нефтяной кокс подразделяют: по содержанию S на малосернистые (до 1%), сернистые (до 2%), высокосернистые (более 2%); по содержанию золы на малозольные (до 0,5%), среднезольные (0,5-0,8%), высокозольные (более 0,8%); по гранулометрическому составу (см.табл.) на кусковой (фракция с размером частиц более 25 мм), «орешек» (6 25 мм), мелочь (менее 6 мм).
— сырье для изготовления электродов, используемых в сталеплавильных печах;
— для получения карбидов (кальция, кремния), которые применяются при получении ацетилена;
— при изготовлении проводников, огнеупоров и др.
— сернистые и высокосернистые коксы используются в качестве восстановителей и сульфидирующих агентов,
— специальные сорта кокса используются как конструкционный материал для изготовления химической аппаратуры, работающей в условиях агресивных сред, в ракетной технике и тд
Несмотря на неодинаковые условия получения, кристаллиты имеют близкие размеры и представляют собой пакеты из параллельных слоев (плоскостей).
Размеры кристаллитов (в нм): длина плоскостей а=2,4-3,3, толщина пакетов с=1,5-2,0, межплоскостное расстояние 0,345-0,347.
Надмолекулярные структуры придают нефтяному сырью специфические свойства (структурно-механическую неустойчивость, способность к расслоению, малую летучесть), что существенно влияет на кинетику коксования и качество нефтяного кокса.
По способу получения нефтяные коксы можно разделить на коксы, получаемые замедленным коксованием и коксованием в обогреваемых кубах.
Перед использованием нефтяной кокс обычно подвергают облагораживанию (прокаливанию) на нефтеперерабатывающих заводах сразу после получения или у потребителя.
При прокаливании удаляются летучие вещества и частично гетероатомы (напр., S и V), снижается удельное электрическое сопротивление; при графитировании двухмерные кристаллиты превращаются в кристаллические образования 3-мерной упорядоченности и т.д.
В общем виде стадии облагораживания можно представить следующей схемой: Нефтяной кокс (кристаллиты) : карбонизация (прокаливание при 500-1000 °С) : двухмерное упорядочение структуры (1000-1400 °С) : предкристаллизация (трансформация кристаллитов при 1400°С и выше) : кристаллизация, или графитирование (2200-2800 °С).
Нефтяной кокс используют: для получения анодной массы в производстве Аl, графитированных электродов дуговых печей в сталеплавильной промышленности, в производствах CS2, карбидов Са и Si; в качестве восстановителей в химической промышленности (напр., в производстве BaS2 из барита) и сульфидизаторов в цветной металлургии (для перевода оксидов металлов или металлов, напр. в производствах Сu, Ni и Со, в сульфиды с целью облегчения их последующего извлечения из руд); специальные сорта как конструкционный материал для изготовления коррозионно-устойчивой аппаратуры.
В пищевой промышленности кокс используется при производстве сахара для замены доменного кокса.
Низкокачественный сернистый кокс используется в качестве топлива.
Игольчатый кокс в РФ: мощный старт и большие перспективы
Растущий спрос на эту продукцию в сталелитейной промышленности (в России этот вопрос, кстати, стоит очень остро), растущий спрос на литий-ионные аккумуляторы и разработка эффективных и передовых технологий являются основными факторами, стимулирующими дальнейший рост мирового рынка игольчатого кокса.
Чем уникален игольчатый кокс?
Химический состав нефтяного кокса принципиально не отличается от каменноугольного: в него входят углерод (90-95%), сера (до 3%), водород (не более 1%), соединение азота и кислорода (около 1.5%), а остаток занимают металлы.
Овчаров Сергей Николаевич, д.т.н., профессор кафедры технологии переработки нефти и промышленной экологии Северо-Кавказского федерального университета:
«Игольчатый кокс является специальным сортом нефтяного кокса, который может вырабатываться на существующих установках замедленного коксования (УЗК) из предварительно ароматизированного сырья. УЗК нефтяных остатков имеются на многих НПЗ. Они позволяют повысить глубину переработки нефти, а также получить востребованный в производстве электродов нефтяной кокс».
А что же особенного в игольчатом коксе?
Игольчатый кокс – это высокоструктурированный углеродный продукт с низким содержанием металлов и серы. Это, в отличие от обычного нефтяного кокса, дорогостоящая продукция, используемая для изготовления крупногабаритных (диаметром 500 мм и выше) графитированных электродов. Их применяют при выплавки стали в электросталеплавильных печах – процесса электросталеплавления. Именно такой метод сейчас используют во всем мире из-за его высоких экологических характеристик. И только игольчатый кокс придает электродам специальные свойства, такие как высокая электропроводимость при высоком коэффициенте термического расширения на высоких температурах. Если совсем просто, то графитированные электроды, активно применяемые в атомной, металлургической, химической и космической отраслях, нельзя получить из обычного нефтяного кокса, а только на основе игольчатого.
Около 75-80% всех поставок игольчатого кокса поглощается производством графитовых электродов, а остальное потребляется производителями литий-ионных аккумуляторов и специализированной углеродной промышленностью.
Весь рынок производства игольчатого кокса делят 4 компании: СonocoPhillips (США и Великобритания), Seadrift Coke (США), Petrocoke (США), Nippon Oil & Energy (Япония). Китайские производители выпускают игольчатый кокс из каменного угля и последовательно сокращают такое производство, о чем поговорим позже. Иными словами, сегодня все производство этого ценного сырья сосредоточено в США, Великобритании, и Японии. Запомним эти страны, это – важно.
«Игольчатые» технологии. В чем разница?
Технологии получения игольчатого кокса сложнее и дороже, чем обычного нефтяного, но при этом экологичнее. Его производство разделяется на 3 стадии: предварительная подготовка сырья, замедленное коксование и прокаливание.
Не будем описывать известный техпроцесс получения нефтяного кокса, потому что получение игольчатого в целом идентично. Отметим лишь, что технологический режим при получении кокса игольчатой структуры более жесткий, и для освоения его выпуска требуется сложное современное оборудование. Да и исходное сырье должно быть самого высокого качества.
Необходимо сказать несколько слов и об экологичности процесса. Не секрет, что любая промышленность воздействует на окружающую среду. Но современный уровень развития нефтепереработки позволяет снижать это воздействие, поэтому предельно допустимая концентрация (ПДК) химических элементов и их соединений в воздухе в итоге не превышает установленную норму.
Еще немного про экологию
Вернемся к Великобритании, Японии и США, которые, как мы помним, являются основными производителями игольчатого кокса. Требования к охране окружающей среды в них гораздо выше, чем в среднем по миру, но власти этих стран не только не отказываются от его производства, но и стимулируют его рост.
В пользу экологичности игольчатого кокса как конечного продукта говорят и данные Агентства по охране окружающей среды США (EPA), которое в 2011 г. опубликовало результаты исследования по влиянию нефтяного кокса на окружающую среду и здоровье человека. Из них следует, что нефтяной кокс сам по себе достаточно безобиден, даже при попадании в почву, воздух или воду. В зависимости от размера частиц и плотности материала, при попадании, например, в водную среду, нефтяной кокс оседает или плавает на поверхности, т.е. легко устраним. По химическому составу является, по существу, инертным, т.е. не испаряется в атмосферу, не вступают в химическую реакцию при соприкосновении с водой или светом. Не токсичен для животных и растений, имеет низкий потенциал опасности для здоровья человека (прошел тесты на канцерогенность, репродуктивные, умственные последствия). Только вдыхание и контакт кожи с нефтяным коксом были оценены как наиболее вероятные пути воздействия на человека. Но это, согласитесь, ситуация маловероятная.
Зачастую неподготовленные читатели вспоминают опыт Китая, который закрывает свои коксохимические мощности. Внесем ясность: термин «коксохимическое производство» относится к коксованию каменного угля, и в нефтепереработке не используется, а власти Китая борются не с производством игольчатого кокса из нефти, а пытаются сократить потребление каменного угля в целом по стране. Процессы коксования в нефтепереработке гораздо более экологичны и используются для переработки тяжелых нефтяных остатков более полувека, непрерывно совершенствуясь.
Коксозамещение. А надо ли?
Наладить промышленное производство игольчатого кокса в СССР и в РФ не удалось по ряду причин. Среди них:
В итоге в России своего производства игольчатого кокса до сегодняшнего дня так и не образовалось, поэтому электродной промышленности страны до сих пор приходится всецело полагаться на импорт, что в будущем, при нынешних политических и экономических реалиях, может создать большие трудности.
Если рост производства электростали – это реалии рынка, то сокращение производства графитированных электродов в Китае – это следствие ошибки китайских властей. Ужесточение экологического регулирования и отказа от каменного угля в Китае привели к закрытию не только коксохимических производств, но и производства ценного игольчатого кокса, который, как мы говорили ранее, там в основном получали из того самого каменного угля.
По расчетам американской CCIA, к 2020 г. спрос на игольчатый кокс и не подумает снижаться: только в Китае он достигнет гигантских 600 тыс. т/ год (в 2017 г. потребление было на уровне 300 тыс. т/год). А спрос на высококачественный нефтяной игольчатый кокс особенно высок. Растет его потребление и в России, которая также вынуждена покупать его у зарубежных производителей. Все это делает выпуск отечественного игольчатого кокса стратегически необходимым.
Развитие отрасли в нашей стране
Вполне логично, что идея о создании первого отечественного производства игольчатого кокса получила импульс к развитию. Уже в сентябре 2017 г. на Омский НПЗ прибыло оборудование, которое позволит к 2020 г. начать самостоятельный промышленный выпуск нефтяного игольчатого кокса, который начнется после завершения модернизации НПЗ, в т.ч. УЗК, технологические параметры которой будут изменены с учетом более жестких требований к ведению режима при выпуске игольчатого кокса, а коксовые камеры, изготовленные из биметаллической стали, будут дооснащены шиберной системой открытия-закрытия люков. Кроме замены технологических печей, будут построены дополнительный резервуарный парк, колонны подготовки вторичного сырья и внедрена автоматизированная система управления.
Растущий спрос на эту продукцию в сталелитейной промышленности (в России этот вопрос, кстати, стоит очень остро), растущий спрос на литий-ионные аккумуляторы и разработка эффективных и передовых технологий являются основными факторами, стимулирующими дальнейший рост мирового рынка игольчатого кокса.
Галиулин Рауф Валиевич, доктор географических наук, ведущий научный сотрудник Института фундаментальных проблем биологии РАН ФГБУН ФИЦ ПНЦБИ РАН:
«Необходимость запуска отечественного производства игольчатого кокса на сегодня стоит чрезвычайно остро! В нашей стране до последнего времени 100% используемого игольчатого кокса импортировалось. Игольчатый кокс, используемый для изготовления графитированных электродов высшей марки является чрезвычайно востребованным продуктом для металлургической промышленности, и поэтому его выпуск не может быть прекращен. Потребности в игольчатом коксе как у нас в стране, так и за рубежом непрерывно возрастают. На мировом рынке наблюдается дефицит игольчатого кокса и цены на него неуклонно повышаются. Поэтому запуск отечественного производства игольчатого кокса на базе нефтеперерабатывающих заводов является чрезвычайно важным для целого ряда российских предприятий и полностью отвечает проекту импортозамещения. При этом производство игольчатого кокса требует наличия на нефтеперерабатывающих заводов установок термического крекинга дистиллятного сырья и замедленного коксования».
Овчаров Сергей Николаевич:
«Игольчатый кокс обладает рядом преимуществ по сравнению с обычным электродным нефтяным коксом, поэтому на него выше спрос. В частности, использование игольчатого кокса позволяет в разы сократить расход электродов в сталеплавильном производстве».
Иголка в стоге импорта
Игольчатый кокс используется для изготовления графитированных электродов, которые применяются для выплавки электростали.
Уфимцы разработали проект, по которому в Туркмении должны были построить полную технологическую цепочку по получению отечественного игольчатого кокса. Причем для ее внедрения тогда требовалось 30-40 миллионов долларов, тогда как сырья ежегодно ввозилось на 60 миллионов долларов. Но проект свернули, и тогда ученые попытались внедрить производство на уфимских нефтеперерабатывающих заводах.
Опытные испытания показали, что наши технологии не хуже американских и получать отечественный игольчатый кокс вполне реально. Конечно, технология сложная, сырье надо готовить особым образом, требования к конечному продукту жесткие, а сам процесс длительный.
И только когда все поры закрылись, заготовка подвергается процессу графитации при температуре примерно 2,5 тысячи градусов. Вот из такой графитированной заготовки и изготавливают электрод. От момента поступления игольчатого кокса на электродный завод и до выпуска готовой продукции проходит минимум полгода.
К сожалению, выпускники университета выбирают работу в крупных компаниях, где они уже в первый год будут получать зарплату, вдвое превышающую доходы доцента вуза. Но это проблема, решать которую может и должен не сам университет.
Омский НПЗ осваивает производство игольчатого кокса
«Газпром нефть» выпустила на Омском НПЗ опытную партию нефтяного игольчатого кокса — первой на российском рынке. Это высоколиквидный продукт, спрос на который на отечественном и мировом рынках непрерывно растет. По оценке специалистов компании «Газпромнефть — Битумные материалы»*, проект организации промышленного производства игольчатого кокса в Омске не только имеет хорошие рыночные перспективы, но и в сегодняшней ситуации становится важным вопросом обеспечения промышленной безопасности страны
Вместе с металлургией
Главный рынок потребления игольчатого кокса — металлургия. Это связано с уникальными свойствами продукта — высокоструктурированного, с низким коэффициентом термического расширения, высокой удельной плотностью, механической прочностью, высоким содержанием графита и низким уровнем содержания серы, азота и золы. То есть обладающего оптимальным набором характеристик для производства сверхмощных графитированных электродов (марки UHP/ЭГСП), которые работают при повышенных плотностях тока. Они применяются при производстве спецстали методом EAF (electric arc furnace) — в электродуговых печах и печах-ковшах для внепечной обработки стали. По сравнению с обычным электродным коксом игольчатый обладает более высокой термостойкостью и существенно снижает расход электродов на тонну выплавляемой стали. Равноценной замены игольчатому коксу в настоящее время не существует.
Соответственно, объемы потребления игольчатого кокса напрямую связаны с уровнем спроса на высококачественные стали и распространением метода EAF. А значит, рынок игольчатого кокса ожидает только рост. За первое десятилетие XXI века объем выпуска электросталей в мире удвоился, и ожидается, что во втором динамика будет практически такой же: рост с 443 млн тонн электросталей в 2011 году до 903 млн тонн в
Производство игольчатого кокса развивается вместе с изменениями на металлургическом рынке. На данный момент предприятия США, Великобритании и Японии выпускают 880 тыс. тонн продукции ежегодно. К 2025 году эта цифра может вырасти до 1,2 млн тонн.
В России прогнозируемый рост производства электросталей не так высок (с 21 млн тонн в до 27 млн тонн в однако тенденция также позитивная. Увеличение объемов выплавки электростали российскими предприятиями к 2020 году приведет к росту потребности в графитированных электродах отдельных марок на 60%. Сегодня в России ежегодно используется около 30 тыс. тонн сырья. По экспертным оценкам, к 2025 году эта цифра должна вырасти до 150 тыс. тонн. При этом уже на протяжении 40 с лишним лет отечественные производители электродов, а значит, и российская металлургия находятся в полной зависимости от поставок игольчатого кокса из-за рубежа.
Впрочем, в зависимости этой находятся не только металлурги: игольчатый кокс используется в том числе для изготовления углеродных изделий в оборонной, электронной и атомной промышленности. И это уже выводит проблему на уровень национальной промышленной безопасности.
Технология производства игольчатого кокса вышла на финальную стадию промышленной реализации
Технология производства игольчатого кокса вышла на финальную стадию промышленной реализации
Инвестиции компании «Газпром нефть» во внедрение разработки уфимских учёных составили более 60 миллиардов рублей.
В пятницу, 30 июля, стало известно, что Уфимский государственный нефтяной технический университет (УГНТУ) получил награду Ассоциации нефтепереработчиков и нефтехимиков за разработку технологии получения игольчатого, или анизотропного кокса. Индустриальным партнёром проекта является Омский нефтеперерабатывающий завод (входит в группу «Газпром нефть»).
В настоящее время там завершается строительство секции замедленного коксования. Она уже подключена к электросети, идёт подготовка к пусконаладочным испытаниям. По словам доцента кафедры «Технология нефти и газа» УГНТУ Виктора Запорина, секция вступит в строй уже в текущем году.
УГНТУ получил от Ассоциации нефтепереработчиков и нефтехимиков почётную грамоту и памятную медаль «100 лет со дня рождения В.С. Федорова». В 2020 году работа Виктора Запорина «Разработка технологии и мероприятий по внедрению в производство нефтяного игольчатого кокса» была признана победителем премии ПАО «Газпром» в области науки и техники.
Игольчатый кокс, в отличие от обычного, позволяет изготавливать графитированные электроды, которые отличаются высокой электропроводимостью и высоким коэффициентом термического расширения. Такие электроды используются в атомной, металлургической и химической промышленности.
Напомним, что в Томском политехническом университете разработана технология оптимизации тепловых потоков в процессе гидрокрекинга на нефтеперерабатывающем предприятии. Она увеличила коэффициент полезного использования энергии, что сократило расход топливного газа и мазута на 54% и электричества на 20%.